持續創新引領神舟飛船發展

賈世錦 何宇 陳偉躍 張福生

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

1992年9月21日，中央政治局常委會議討論審議了《中央專委關于開展我國載人飛船工程研制的請示》，會議批準了啟動載人飛船工程，我國載人航天工程正式立項，實施代號為“921工程”，工程戰略規劃分為三個階段：

第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應用實驗。

第二步，在第一艘載人飛船發射成功后，突破載人飛船和空間飛行器的交會對接技術，并利用載人飛船技術改裝、發射一個空間實驗室，解決有一定規模的、短期有人照料的空間應用問題。

第三步，建造空間站，解決有較大規模的、長期有人照料的空間應用問題。

中國的載人航天從神舟飛船起步，時至今日走過了30年，經歷了無人飛行、有人飛行、交會對接和空間站四個階段。通過不斷的技術創新和突破，將我國的載人航天事業不斷向前推進。

1 第一步發射載人飛船

1.1 無人飛船階段

飛船在立項論證之初，國際上正處于航天飛機和空天飛機的熱潮中，老一輩科學地分析了載人航天的發展需求和我國的國情，最終決策以飛船起步。在技術途徑上，沒有重復蘇美從單人試驗飛船起步，再研制3人運輸飛船的老路。直接將第一艘飛船的狀態瞄準可載3人運輸300 kg上行物資的標準載人運輸飛船，使神舟飛船一步就躋身于國際現役載人運輸飛船的先進行列。從實際結果看是正確和科學的。

神舟一號是一艘簡化型飛船[1]。神舟一號試驗飛船飛行試驗的重點考核項目如下：

(1)制導導航與控制系統,考核飛船按預定程序工作，按正確姿態飛行，實現升力式再入控制；

(2)返回制動技術,考核飛船推進系統工作，為安全返回提供動力；

(3)分離解鎖技術,飛船發射階段要保證幾個艙段連接可靠，返回時，按程序發出分離指令后，應準時可靠分離；

(4)返回著陸技術；

(5)再入防熱技術,在返回艙再入過程中表面氣流達幾千度高溫下，能保證艙內溫度適合航天員生活。

神舟二號飛船是一艘基本型飛船[1]，是載人飛船的第一艘正樣技術狀態，系統配置完整。在初樣和正樣船的基礎上，有許多單機和分系統的技術狀態變化，運行時間由第一次飛行試驗的一天增加至七天，同時實施軌道艙留軌飛行試驗。首次考核載人飛船環境控制與生命保障分系統對載人艙內壓力控制、大氣成分控制和軌道艙分離前的放氣功能，電源分系統為全系統配置，返回艙、軌道艙太陽電池陣入軌后先后展開，并具備一定的并網能力，通過攝像機對儀表、光學瞄準鏡等顯示設備進行檢查。

神舟二號試驗飛船飛行試驗的主要任務是：

(1)進一步考核飛船系統設計的正確性及協調性；

(2)考核飛船系統工作性能、可靠性及安全性；

(3)考核飛船載人環境，獲取航天員船上生活環境與航天員安全有關的數據；

(4)進行首次軌道艙留軌利用試驗；

(5)保障有效載荷在軌試驗、獲取試驗數據和試驗樣品；

(6)進一步檢驗載人飛船系統與其他系統的協調性。

神舟三號飛船為改進型飛船[1]，鑒于第二次無人飛行試驗的結果對神舟三號飛船作了改進。神舟三號的技術狀態與載人飛船的技術狀態基本一致，為十三個分系統和供配電組成的全系統配置。與神舟二號相比，主要是增加了待發段和發射段應急救生功能。神舟三號飛船的構型為“三艙一段”，即附加段、軌道艙、返回艙和推進艙，與神舟二號飛船構型一致。三艙均為正樣產品，電纜網為模塊化設計，軌道艙和附加段具有留軌功能。神舟三號飛船的主要任務如下：

(1)進一步考核飛船工程各系統的性能、可靠性與安全性，考核系統之間的協調性；

(2)考核飛船的載人環境，特別是熱控制、環境控制及生命保障和乘員分系統;

(3)考核逃逸與應急救生功能。逃逸與應急救生功能是指在飛船的待發段和發射段，如果運載火箭出現危及航天員生命的故障時，可將航天員脫離衛星區，并使航天員乘返回艙安全降落地面。逃逸救生任務由運載火箭、飛船等系統共同完成。

神舟四號飛船為無人階段的完善型飛船[1]，技術狀態和載人飛船技術狀態一致，滿足工程總體的技術要求，與神舟二號、神舟三號相比，載人飛行技術狀態的主要變化為：

(1)增加一名航天員座椅，配備航天員必備的生活工作用品，軌道艙、返回艙進行了內裝飾，使得艙內環境布置改進、艙內照明環境改善;

(2)通過多項可靠性改進、更換密封起爆器等措施，改善和完善飛船艙內大氣環境的品質;

(3)載人飛行相關功能的實施與完善，包括GNC手動運動控制功能、儀表手動控制功能、儀表顯示功能、艙門快速撿漏功能、著陸通風功能等;

(4)增加可靠性、安全性措施和功能：返回艙使用長壽命電池、返回艙滾動發動機熱備份交替工作。返回艙舷窗防污染設計改進、完善密封艙滅火措施、發射段救生功能、運行段故障模式與對策完善，增加自主應急返回功能、整船偏航和對日定向功能等。

通過神舟一號至神舟四號4次無人飛行，載人飛船關鍵技術得到了突破，多項新技術在飛船上得到了應用，這其中包括：艙段連接與分離、再入防熱技術、主動流體回路熱控技術、環控生保技術、升力控制返回技術、著陸緩沖技術、特大降落傘應用與制造技術、逃逸救生技術、儀表與照明技術。而1553B總線技術、USB測控技術、計算機三模冗余技術的首次應用，更是航天技術進入新時代的標志，至今在各航天器中廣泛應用。

為了提高神舟飛船的效益，軌道艙被設計成為不同功能的留軌艙，在6個月的留軌飛行期間，開展了對地觀測、空間技術試驗，取得了大量寶貴的試驗數據。同時，也通過留軌飛行對平臺功能進行了考核，為后續神舟飛船的改進及長期穩定在軌飛行奠定了基礎。

1.2 有人飛船階段

神舟五號是我國第一艘載人的神舟號飛船[1]，技術狀態滿足載人飛行的要求，自主飛行時間為1天，軌道艙留軌飛行時間約半年。2003年10月15日，神舟五號實現了我國首次載人航天飛行，在軌飛行21 h23 min，航天員楊利偉順利進入太空并安全返回，標志著我國成為繼蘇、美之后第3個具備獨立掌握載人航天技術的國家。

神舟六號在軌飛行5天，航天員首次進入軌道艙，實現了多人多天的總體目標，全面驗證了載人飛船的功能。軌道艙留軌飛行707天，取得了在軌試驗數據和在軌管理經驗，留軌任務目標全面實現。通過此次飛行：

(1)突破了多人多天環境動態變化控制的技術，飛船的生命保障系統得到了全面的驗證；

(2)首次驗證了兩密封艙組合密封技術，包括艙門密封能力和在軌密封檢測技術，解決了失重狀態下復雜操作的問題；

(3)開展了航天員在軌活動對飛船姿態干擾的識別和控制，在國內首次建立了航天員在軌活動的干擾力矩模型，對于出艙活動任務和交會對接任務姿態控制系統設計具有重要推廣價值。

2 第二步突破出艙活動和交會對接技術階段

第二步分為兩個階段。第二步第一階段，研制和發射神舟七號載人飛船，完成航天員艙外活動試驗；研制和發射神舟八號、神舟九號、神舟十號飛船和天宮一號目標飛行器，完成上述3艘飛船與目標飛行器的交會對接飛行試驗。第二步第二階段，研制和發射天宮二號空間實驗室、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船，掌握了航天員中期在軌駐留、推進劑在軌補加等項關鍵技術。

2.1 第二步第一階段

神舟七號飛船乘載3名航天員,執行空間出艙活動任務,突破航天員出艙活動技術[2]。2008年9月27日航天員翟志剛實現了我國首次在軌出艙活動，標志著我國成為世界上第3個獨立掌握出艙活動技術的國家。通過此次任務，解決了氣閘艙設計的一系列關鍵技術：

(1)神舟七號飛船利用原有軌道艙的基本結構，在軌道艙支持航天員生活的功能基礎上，通過系統化設計增加氣閘艙功能，實現了氣閘艙生活艙一體化；

(2)開發了高可靠密封艙泄復壓控制技術，解決了氣閘艙壓力升降與航天員醫學要求、艙外航天服耐壓要求相匹配的難題，實現了在有限測控弧段內空間環境與飛船內部環境之間的快速平穩過渡；

(3)創新性提出了確定不同壓力下氧濃度防火安全限的方法，解決了氣閘艙泄復壓過程中防火安全問題，確保了氣閘艙的安全性；

(4)研制了基于數字擴頻CDMA技術的出艙通信設備，實現了了艙內多徑反射、矢量快速變化情況下的多用戶通信；

(5)突破了地面試驗中綜合復壓等關鍵技術，解決了對氣閘艙技術進行綜合地面試驗驗證及確保試驗安全性難題，實現了有人參與的地面真空環境試驗，保證了地面驗證的全面性、真實性。

此外，神舟七號飛船還配置了中繼終端，是我國“天鏈”中繼衛星的第一個用戶，實現了從地基測控向天基測控的轉變，大大提高了飛船的在軌測控覆蓋。神舟七號氣閘艙內的狀態如圖1所示，神舟七號航天員出艙活動如圖2所示。

圖1 神舟七號氣閘艙內狀態Fig.1 Gas brake cabin of Shenzhou-7

圖2 神舟七號航天員出艙活動Fig.2 Spacewalk of Shezhou-7 astronaut

2.2 第二步第二階段

神舟八號、神舟九號、神舟十號和神舟十一號4艘飛船突破了交會對接技術。神舟八號～神舟十一號先后與天宮一號和天宮二號實施交會對接和組合體停靠，覆蓋了自動和手動、前向和后向、陽照區和陰影區多種交會對接模式，驗證了飛船緊急撤離、應急交會對接和組合體快速撤離等應急模式，標志著我國已突破并掌握了遠距離導引段軌道控制、交會測量、自主控制以及手動交會等交會對接關鍵技術。

1)遠距離導引軌道優化控制技術

采用多變量迭代動態規劃方法，將特征點變軌與組合修正相結合，通過5次變軌控制飛船精確逼近目標，解決了入軌偏差、測定軌誤差、發動機推力偏差等多約束條件下，以最少推進劑消耗實現6.4 km跡向偏差的遠導軌控難題。飛行試驗遠距離導引終端精度均滿足指標要求，達到百米量級，普遍優于指標一個數量級。

2)多模式、多冗余、高精度交會測量技術

創建了多模式、多冗余的光電結合交會測量系統，配置了衛星導航定位系統、激光雷達、微波雷達、CCD光學敏感器等交會測量敏感器，解決了交會過程從100 km到0 m的高動態、大范圍、高精度測量難題，實現了自主導引全過程船器相對位置和姿態的多冗余測量。由CCD拍攝的天宮一號圖像如圖3所示，CCD交會對接敏感器如圖4所示。

圖3 CCD敏感器天宮一號圖像Fig.3 Tiangong-1 picture from CCD sensor

圖4 CCD交會對接敏感器Fig.4 CCD rendezvous and docking sensors

3)高精度、抗干擾自主控制技術

提出了地面備保與船上自主計算相結合的尋的段第一脈沖執行策略，確保飛船在預定位置、預定時間轉入自主控制，最大限度地使用不同交會測量敏感器的各自優勢完成尋的任務。

采用多約束綜合優化設計方法，提出了接近段CW制導和視線制導的切換策略，解決了控制精度、推進劑消耗和制導穩定性等多約束條件下，接近段相對位置、速度精確控制的難題。

將基于特征模型的智能自適應控制方法應用于最后平移靠攏段的六自由度控制，解決了帆板撓性振動大、系統延遲大、姿態和軌道控制耦合、羽流干擾嚴重情況下實現高精度六自由度控制的難題，確保滿足對接初始條件。

4)人性化、高精度手動交會技術

采用多學科優化方法，融合工效學、自動控制、信息傳輸等設計要素，設計了基于電視攝像機和十字靶標的手動交會測量與控制系統；提出了人性化手動交會操作方法，提高了可操作性，實現精準手動交會對接。

神舟九號和神舟十號任務2次手動交會對接均一次成功。航天員操作時間分別為6 min22 s和6 min32 s，滿足4 min20 s～10 min指標要求，對接初始條件滿足手動交會對接控制指標要求，相對位置精度達到厘米級，與自主控制精度相當。手控交會對接圖像如圖5所示。

圖5 手控交會對接圖像Fig.5 Manned rendezvous and docking image

3 第三步建設運營空間站

自神舟十二號開始，神舟飛船進入空間站階段。在空間站階段，神舟飛船面臨空間站組合體構型復雜、質量特性變化大(8～180 t級)、飛行模式多變(慣性定向、正向飛行、三軸對地)、停靠時間長(180天)、運行軌道高度范圍廣(340～420 km)等特點，給飛船的載人環境控制、交會對接、返回控制、應急救生等方面提出了新的要求。此外，每年2船出廠、2船發射、2船回收、2船待命的高密度任務也為型號的研制帶來了新的挑戰。為此，神舟飛船采取了返回艙絕熱設計、自主快速交會對接模式、雙環制導返回控制方案、遠程自動化測試等新技術，同時設計了快速應急救援的救生方案。

3.1 返回艙熱控方案優化

針對空間站任務停靠時間長、外熱流變化大、低溫和高溫工況更加極端的特點，為減小返回艙壁的漏熱，避免陽照區艙溫過高、遮擋情況下艙內結露，研制了新的熱控涂層，吸收/發射率由0.70/0.56降低至0.20/0.19，吸發比由1.25±0.08調整為1±0.2，以降低外熱流的影響，同時艙壁加熱回路由集中控制改為分路控制，實現區域精準控溫。

3.2 采用了自主快速交會對接模式

飛船控制系統利用衛星定位導航數據進行自主定軌和軌道外推，根據地面注入的空間站軌道，自主生成變軌調相策略。通過3圈6次變軌，約4 h35 min后將飛船導引至空間站后下方。數管分系統根據GNC給出的軌控參數和“交會對接自主設置”，自主生成飛行程序。

自主控制段方案可實現與空間站前向、徑向、后向對接口的對接，且不需要空間站進行配合調姿。自主控制段采用直接交會的新方案，前向、徑向接近時只設置M0中瞄點，不設被動停泊點；后向接近過程中設置M0中瞄點和B2停泊點。相比停泊點交會方案縮短時間(最快縮短43 min)。不同對接口對接飛行軌跡如圖6所示。

圖6 不同對接口對接飛行軌跡示意圖Fig.6 Flight trajectory of different docking ports

自主快速交會對接模式從飛船發射入軌到對接用時大約6.5 h，比交會對接任務階段地面導引控制模式2天的飛行時間大大縮短。飛行時間的縮短，不僅降低了飛控工作強度、提高了航天員的任務舒適性，同時也提高了飛船對故障的容忍能力、提高了任務的可靠性。比如針對太陽翼單翼未展開的故障，地面導引模式則需要飛船第二圈緊急返回，而采用自主交會對接方案則整船供電可支持與空間站對接。

3.3 實施了雙環制導返回控制方案

空間站軌道高度變化范圍大，每次任務返回圈的升交點位置將不是固定值，以往的基準彈道返回控制算法不能滿足開傘點精度指標要求。為此將制導算法改為預測校正雙環制導算法。內環制導主要用于對構建彈道進行高頻率跟蹤；外環用于生成后續合理的彈道，在外環以全數字預測—校正方法根據返回艙實際飛行狀態對后續飛行彈道進行計算，同時修正傾側角剖面。神舟十二號開傘點精度航向偏差為1.198 8 km，橫向偏差-0.966 6 km，神舟十三號開傘點精度航向偏差為1.652 8 km，橫向偏差-0.527 4 km。開傘點精度滿足指標要求且比前期任務實施結果大大提高，返回艙的精準落地也為搜救回收隊伍實現“船落人到”目標奠定了基礎。

3.4 實施了5圈快速返回

標稱情況下，神舟飛船與空間站分離后至落地需飛行11圈，進行測定軌和軌道維持、陀螺標定、制動參數計算與注入。在確保產品狀態和任務可靠性的前提下，神舟十三號開始實施了5圈返回的飛行方案。縮短返回的準備時間、提高航天員飛行的舒適度。

3.5 設計了具備遠程功能的自動化測試系統

開發了基于開放式構架的全周期自動化測試系統，包括測試過程智能管理技術、測試數據自動化判讀技術、測試效果自動化評估技術、系統開放式構建技術、遠程測試技術五項關鍵技術，從測試準備、測試實施、測試評價流程上完成人工到自動實施的轉化，以數據流的方式推動測試全過程的執行。

建立了具有遠程功能的測試平臺，可實現后方遠程發送測試指令、遙控地面設備、控制測試狀態，獨立完成測試。自動化遠程測試系統的應用，實現了空間站階段飛船北京、酒泉、天津三地的“云測試”、“云判讀”，測試效率提高了30%，人力資源占用率降低了50%。

3.6 設計了快速應急救援方案

為確保隨時具備對在軌航天員實施救援的能力，以后一艘飛船作為應急救援飛船，在前一艘飛船發射時，在發射場完成推進劑加注前所有工作后待命，后續根據需要執行正常或應急救援飛行任務。在接到應急救援任務后，通過快速測試、狀態改裝、加注和扣罩等后續流程優化，能夠滿足最快8.5天的應急發射要求。處于待命狀態的應急救援飛船如圖7所示。

圖7 應急救援飛船待命狀態Fig.7 Armed state of emergency rescue spacecraft

4 結束語

神舟載人飛船是我國所有載人航天器的基礎，30年來神舟人以最小代價建成天地往返系統，取得了巨大的成就，持續創新是提升神舟飛船可靠性、安全性、綜合能力的動力。經過30年的沉淀，神舟飛船在技術、管理、人才培養等方面都進入了成熟階段，創新依然是神舟飛船繼續發展的保障。

展望將來，空間站即將進入運營階段，載人飛船是空間站運營的基礎，神舟人將在獨創、獨有上下功夫，圍繞能力提升做好中國空間站的高質量、高效率、高效益運營。

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