我國載人航天器總體構型技術發展

朱光辰

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

中國載人航天工程自1992年立項起，按照既定的三步走發展戰略，先后經歷了載人飛船、空間實驗室、空間站三個發展階段[1]。作為工程各大系統的重要組成部分，載人航天器從載人飛船起步，先后研制成功空間實驗室、貨運飛船、空間站各艙段，并由單體航天器發展成為多航天器空間段組合體。總體構型是航天器型號的最顯著特征，我國載人航天器總體構型技術的發展歷程充分反映了載人航天工程各發展階段的任務特點和技術進步。

1 我國載人航天器型譜概述

我國載人航天工程經過30年發展，迄今已形成多種類型和用途、配套較完整的載人航天器型譜體系，包括神舟系列載人飛船、天宮系列空間實驗室、天舟系列貨運飛船、天宮空間站；天宮空間站又由天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙等3個航天器組成，通過空間交會對接和艙段轉位完成空間站三艙組合體在軌組裝建造。各型號載人航天器單體構型如圖1所示。目前已發射的各型號載人航天器總體構型參數對比見表1。

圖1 我國各型號載人航天器總體構型Fig.1 Configurations of various type of China Manned Spacecraft

表1 我國載人航天器總體構型參數Table 1 Configuration parameter of China Manned Spacecraft

神舟載人飛船起飛質量約8.1 t，可支持3名乘員自主飛行5天，?？靠臻g站飛行180天，主要作用是運送航天員乘組進入空間軌道和安全返回地面，并具備少量有效載荷上/下行運輸能力。在載人飛船和空間實驗室階段，神舟飛船的主要任務是突破和掌握載人飛行、出艙活動、交會對接等載人航天關鍵技術；在目前的空間站階段，神舟飛船已形成技術成熟、狀態穩定的載人天地往返運輸系統，應用于空間站組裝建造和長期運營任務。

天宮空間實驗室起飛質量約8.6 t，可支持2～3名乘員累計駐留60人天，在軌壽命2年。天宮空間實驗室是我國第一種低軌長壽命航天器，其主要作用是作為交會對接目標飛行器配合神舟載人飛船

驗證交會對接技術，對航天器組合體控制與管理、乘員在軌中期駐留、推進劑在軌補加、在軌維修等空間站關鍵技術進行飛行試驗驗證，開展一定規模的、短期有人照料的空間應用。作為空間站關鍵技術的先期驗證航天器，天宮空間實驗室已圓滿完成了歷史使命。

天舟貨運飛船起飛質量約13.5 t，具備上行運送約6.5 t有效載荷及推進劑的能力，在軌壽命不小于1年，主要作用是為空間站運送乘員生活用品、維修備件、空間技術試驗及應用載荷等上行物資，進行推進劑在軌補加，下行銷毀廢棄物。在空間實驗室階段，天舟貨運飛船已突破并驗證了推進劑在軌補加技術，現已作為成熟可靠的貨物運輸系統應用于空間站工程任務。

天宮空間站由天和核心艙、問天實驗艙、夢天實驗艙等3個航天器組成，分3次發射入軌，通過交會對接和艙段轉位完成在軌組裝建造。空間站單艙起飛質量約23 t，三艙組合體質量約68.5 t；額定乘員3人，乘組輪換期間可支持6人駐留；具備20余噸有效載荷支持能力；設計壽命不小于10年。天和核心艙為空間站首發航天器，于2021年4月29日成功發射入軌，迄今已穩定運行1年多，先后圓滿完成天舟二號/三號/四號貨運飛船、神舟十二號/十三號/十四號載人飛船交會對接任務及4次航天員出艙活動任務，驗證了空間站關鍵技術。2022年7月24日，問天實驗艙成功發射入軌并與天和核心艙完成交會對接，邁出了空間站在軌組裝建造任務的關鍵一步。

2 神舟系列載人飛船

2.1 神舟飛船基本構型

載人飛船作為天地往返航天器，總體構型設計需考慮返回著陸和發射段逃逸救生功能對尺寸、質量、氣動外形的要求及約束。因此神舟飛船基本構型為三艙構型，艙段間采用可在飛行過程中分離的連接方式。以空間站階段飛船構型為例，整船由軌道艙、返回艙、推進艙組成，如圖2所示。整船最大長度約9 m，最大直徑約2.8 m，太陽電池翼展開寬度16.9 m；軌道艙容積約9 m3，乘員活動空間4.4 m3；返回艙容積約5.8 m3，乘員活動空間約2.6 m3；整船密封艙總容積約14.8 m3，其中乘員活動空間共約7 m3，可支持3名乘員在天地往返“旅途”中的工作生活。

圖2 神舟載人飛船構型Fig.2 Configuration of Shenzhou manned spaceship

軌道艙安裝了主動對接機構及交會對接測量設備，并作為航天員在飛船獨立飛行期間的生活艙。軌道艙構型為柱錐構型，結構形式采用蒙皮+桁條+隔框的鋁合金焊接密封結構。前端設有通徑Φ850 mm的前艙門，供兩飛行器對接后航天員出入飛船；柱段艙壁設有通徑Φ850 mm的側艙門，供航天員在地面出入飛船使用；后端與返回艙連接處設有通徑Φ730 mm的通道口。

返回艙是航天員乘坐飛船進入軌道和返回地面的座艙，同時也是整船的控制核心。返回艙構型為鐘罩側壁+球冠大底的構型，整體外形滿足再入飛行氣動特性要求。側壁金屬殼體結構外部套裝燒蝕防熱結構，球冠防熱大底通過5個拋底火工鎖與返回艙側壁相連，著陸前拋掉。返回艙外壁設有與推進艙實現電、氣、液路連接及分離的分離密封板，姿控發動機防熱口蓋，主、備傘艙防熱口蓋，傘艙防熱口蓋在著陸開傘前通過16個火工彈射器彈拋分離。

推進艙為整船提供能源及動力，艙體構型為柱錐構型，結構形式為鉚接半硬殼結構。艙外設有剛性左、右太陽電池翼，交會對接平移、反推發動機，姿控、軌控發動機，姿態測量敏感器，中繼通信天線，熱控輻射器等；艙內布置有推進劑貯箱及電池。

飛船在再入回收前依次完成軌返分離、返回制動、推返分離，形成返回艙單艙返回構型。返回艙采用彈道-升力式再入方式，為獲得一定的升力，返回艙設計為質心偏置，以20°配平攻角再入大氣層，如圖3所示。開傘后返回艙拋掉防熱大底，以創造著陸返推發動機工作條件。

圖3 返回艙單艙返回構型Fig.3 Individual configuration of return module

發射過程中如運載火箭發生故障，則緊急分離推進艙，返回艙和軌道艙保持兩艙連接狀態逃逸構型，與逃逸塔、整流罩組成逃逸飛行器，加速脫離故障火箭。

2.2 神舟飛船總體構型的演變

神舟載人飛船的研制和應用貫穿了載人航天工程全部三個發展階段，神舟一號～六號為載人飛船階段，神舟七號～十一號為空間實驗室階段，自神舟十二號起為空間站階段。飛船基本構型始終保持三艙構型，在工程不同發展階段根據任務和功能需求有適應性調整和變化。工程各階段神舟載人飛船典型構型如圖4所示。

圖4 工程各階段神舟載人飛船典型構型Fig.4 Typical configuration of Shenzhou manned spaceship in various phases of CMS

在工程第一階段，神舟飛船的主要任務除突破載人航天一系列關鍵技術外，還包括適度開展空間科學技術試驗及應用，因此飛船設計了軌道艙分離后獨立留軌飛行功能[2]，體現在構型設計方面有如下特點：

(1)軌道艙配置一對小太陽電池翼，單翼為2塊電池板，而位于推進艙的主太陽電池翼為單翼4塊電池板；

(2)軌道艙結構前端為固定安裝的密封門蓋，不設對接機構和前艙門；

(3)軌道艙外配置有姿軌控發動機、推進劑貯箱掛艙、姿態測量敏感器；

(4)設計一個附加段與軌道艙前端連接，用于安裝空間科學試驗與應用有效載荷，隨軌道艙留軌飛行；

(5)附加段構型隨每次飛行任務搭載不同有效載荷而變化，神舟六號飛船由于有效載荷集中于密封艙內，因此無附加段，這也是從外觀識別神舟一號～六號飛船的顯著標志。

工程第二階段，神舟飛船的主要任務是突破出艙活動和交會對接技術，建立載人天地往返運輸系統，而不再承擔軌道艙留軌飛行任務，因此自神舟七號飛船起構型有較大變化。

神舟七號飛船用于執行我國首次航天員空間出艙活動任務，將軌道艙改造為氣閘艙，取消了附加段及支持留軌飛行的太陽電池翼、姿態軌道控制系統、推進系統[3]。軌道艙側艙門通徑由Φ750 mm增大為Φ850 mm，可支持航天員穿著艙外航天服通過，艙門外側設置航天員出艙活動扶手；前端原附加段位置布置了5只氣閘艙復壓氣瓶和1顆伴飛小衛星。軌道艙內布局也進行了優化調整，擴大了乘員活動和貯物空間，以支持發射段安裝運輸2套艙外航天服和在軌2名航天員出艙過閘。神舟七號軌道艙構型設計除滿足出艙活動任務需求外，還統籌兼顧了后續發展，具有承上啟下的意義，神舟八號飛船沿用了神舟七號軌道艙基本構型。

自神舟八號起載人飛船主要用執行交會對接和天地往返運輸任務，因此軌道艙前端安裝對接機構，將固定密封門蓋改為手動開關操作的前艙門，艙外增加交會對接測量設備，推進艙增加平移和反推發動機，形成如本文2.1節所述的基本構型。至此，神舟飛船總體構型趨于穩定，并延續至工程第三階段。

3 天宮系列空間實驗室

天宮空間實驗室的任務定位為長期留軌飛行、中短期有人駐留的交會對接目標飛行器，仍采用長征-2F(CZ-2F)運載火箭發射[4]。根據任務定位和發射質量約束，天宮空間實驗室設計為兩艙構型，由實驗艙、資源艙組成，艙段間采用固定連接方式，構型如圖5所示。整器最大長度約10.4 m，艙體結構直徑達到3.35 m，太陽電池翼展開寬度18.4 m；實驗艙為載人密封艙，密封容積約40.5 m3，乘員活動空間約15.3 m3。

圖5 天宮空間實驗室構型Fig.5 Configuration of Tiangong experiment module

實驗艙由前部密封艙和非密封后錐段組成，密封艙用于提供航天員駐留期間的生活和工作空間，非密封后錐段主要用于安裝空間科學試驗載荷及平臺管路系統設備。實驗艙前端外側安裝被動對接機構，形成交會對接任務時航天員進出艙通道，通道最大通徑Φ800 mm；內側安裝通徑為Φ850 mm的艙門；前錐布置有交會對接目標示位設備，柱段安裝熱控輻射器。

資源艙為圓柱形非密封結構，為整器在軌運行提供所需能源、動力等資源及遙測、遙控數據傳輸。艙外安裝半剛性左、右太陽電池翼，中繼天線，姿控、軌控發動機等，艙內布置蓄電池組、推進劑貯箱、控制力矩陀螺。

為實現在軌長壽命可靠密封，天宮空間實驗室在國內航天器密封結構中首次采用了鋁合金整體加筋壁板焊接結構，相對于蒙皮+桁條+隔框結構減少了焊縫數量，提高了焊縫對接處的強度，消除了桁條、隔框與蒙皮點焊點應力腐蝕泄漏風險。為防范長期在軌飛行過程中空間碎片撞擊導致的密封艙擊穿泄漏風險，在實驗艙外前錐和柱段設置了金屬防護結構，并以輻射器壁板兼作防護結構。天宮空間實驗室的長壽命密封結構技術為空間站結構開展了先期技術驗證，并應用于后續的空間站。

天宮空間實驗室密封艙容積較載人飛船有較大增加，使乘員活動空間也相應改善，艙內設計了通過尺寸為2 m×1.8 m的通道空間，并設計了2個相對獨立的簡易睡眠區，為乘員中短期在軌駐留創造了條件。但尚無獨立的衛生區，仍需共用載人飛船軌道艙衛生區。

天宮空間實驗室共研制發射了天宮一號和二號兩個飛行器，二者基本構型相同，天宮二號相對于天宮一號的主要變化為：

(1)為提高防空間碎片撞擊能力增加了防護板，實現了密封艙全面防護；

(2)后錐段內部增加推進劑補加系統設備及管路；

(3)由于兩次飛行任務的空間科學試驗載荷變化，天宮二號重新設計了實驗艙后錐段開口及口蓋，資源艙艙外增加試驗載荷天線。

天宮空間實驗室可分別與載人飛船、貨運飛船對接，形成兩航天器組合體構型，首次實現了我國航天器組合體在軌運行。天宮一號完成了與神舟八號～十號載人飛船對接，天宮二號完成了與神舟十一號載人飛船、天舟一號貨運飛船對接?？臻g實驗室與載人飛船組合體結構本體總長約18.4 m，與貨運飛船組合體結構本體總長約20 m，如圖6所示。但受限于只有一個對接口，天宮空間實驗室尚不具備同時對接多個來訪航天器的能力。

圖6 空間實驗室與載人飛船、貨運飛船組合體構型Fig.6 Combined configuration of space experiment-manned spaceship and space experiment-cargo spaceship

4 天舟系列貨運飛船

為降低研制風險，高效率研制出平臺技術成熟可靠并兼顧后續運營經濟性的貨運飛船，天舟貨運飛船總體構型設計以天宮空間實驗室兩艙構型方案為基礎，充分繼承了天宮空間實驗室的既有技術成果，保持了艙內容積大、裝載能力強的優勢。

天舟貨運飛船由貨物艙和推進艙組成，發射及在軌狀態構型如圖7所示[5]。整船最大長度約10.6 m，艙體結構直徑3.35 m，太陽電池翼展開寬度14.9 m；全密封貨物艙容積約40.5 m3，載貨容積約23 m3。

圖7 天舟貨運飛船構型Fig.7 Configuration of Tianzhou cargo spaceship

相對于天宮空間實驗室，天舟貨運飛船的構型設計特點在于：

(1)作為交會對接追蹤飛行器，貨物艙前端安裝主動式對接機構，前錐段安裝交會對接測量設備；

(2)軌控發動機由2臺增加到4臺，增加反推和平移發動機，4臺反推發動機布置在后錐段，前錐段布置4組平移發動機，與推進艙尾部俯仰、偏航發動機配合使用，以實現整船質心大范圍變化條件下的平移控制；

(3)系統優化設計，由于自主飛行狀態不載人，?？匡w行狀態由空間站提供載人環境及熱支持，裝載貨物為包裝運輸狀態，整船對溫濕度控制和供電需求降低，因此取消艙外輻射器，推進艙太陽電池翼板由單翼4塊減少為3塊；

(4)對艙體結構進行加強，以適應起飛質量由8.6 t增加到13.5 t引起的載荷增大；密封貨物艙柱段結構增加側操作口，以適應特殊貨物對裝船時機的要求；柱段兩側空間碎片重點防護區域設置防護板；

(5)采用模塊化設計思想，貨物艙柱段設計為貨物裝載區域，前錐段、后錐段為標準化的設計狀態，主要安裝控制及測控設備、敏感器、天線，以避免貨物裝載狀態對整船布局的影響，并可根據后續任務需求將全密封貨艙改裝為半密封或全開放貨艙。

5 天宮空間站

5.1 組合體構型方案

空間站構型特點為：由多艙段組成，需通過多次發射在軌完成組裝建造；具有較大的內部容積，可達90～1200 m3；具有多個對接口，可擴展性強，可同時對接載人飛船、貨運飛船或專用實驗艙。國際上空間站典型構型有以俄羅斯的和平號為代表的積木式構型和以“國際空間站”為代表的桁架式構型，見圖8、圖9。

圖8 和平號空間站Fig.8 Mir space station

圖9 “國際空間站”Fig.9 International Space Station

積木式構型的優點是每個艙段都有獨立的電源系統和控制系統，可自主飛行，通過交會對接完成空間站組裝建造；缺點是各艙之間過于緊湊，太陽電池翼相互遮擋，降低發電效率。桁架式構型的優點是各艙段和模塊功能劃分明確，可發揮各自的最大效能，太陽電池翼在桁架支撐下遠離艙體避免遮擋；缺點是實驗艙段和桁架不具備自主飛行和對接能力，需航天飛機和出艙活動支持完成組裝建造。

經多方案論證比較，天宮空間站組合體基本構型設計為三艙水平對稱“T”字構型，由一個核心艙和兩個實驗艙組成，天和核心艙居中，問天和夢天實驗艙分別對接于核心艙節點艙的兩個側向停泊口，如圖10所示。

圖10 天宮空間站組合體構型Fig.10 Combined configuration of Tiangong space station

每個實驗艙尾部均設有一對雙自由度大型柔性太陽電池翼，利用實驗艙艙體長度發揮桁架作用，使太陽電池翼避免被艙體遮擋，太陽電池翼可繞實驗艙縱軸和自身縱軸兩個自由度對日跟蹤轉動，最大限度提高發電效率，發電量可支持整站用電需求。

天和核心艙先與問天實驗艙在軌前向對接，形成“一”字構型，之后問天實驗艙轉位至核心艙側向停泊口，形成“L”字構型；夢天實驗艙再與核心艙前向對接后，轉位至核心艙另一側向停泊口，最終形成“T”字構型。

三艙組合體的艙體最大長度為兩實驗艙縱軸方向，約42.8 m，太陽電池翼翼展方向長度約55.6 m。整站具有前向、徑向、后向3個對接口，以及2個出艙活動氣閘艙、1個貨物氣閘艙，具備同時接待3個來訪飛行器、支持航天員出艙活動及貨物進出密封艙的能力。

核心艙是空間站平臺統一管理和控制的核心，支持所有來訪飛行器交會對接與停泊，兼有乘員出艙活動、空間應用試驗支持能力；兩實驗艙實現與核心艙交會對接、轉位和停泊；問天實驗艙作為空間站關鍵平臺功能備份，具備對組合體進行統一管理與控制的能力，以及更強的乘員出艙活動、空間應用實驗支持能力；夢天實驗艙具備三艙中最強的空間應用實驗支持能力及支持貨物進出密封艙能力。

綜上所述，天宮空間站構型設計綜合了積木式構型和桁架式構型的優點，三艙既具備自主飛行能力，形成組合體后又可實現資源統一調配融合使用，以適度規模實現了空間站全部關鍵功能，并在艙段間各有側重，具有較高的效率，形成了我國空間站獨具特色的總體構型特征。

5.2 核心艙構型

天和核心艙是空間站三艙中構型最為復雜的航天器，由節點艙、小柱段、大柱段、后端通道段、資源艙共5個艙段組成，構型如圖11所示。整艙最大長度約16.6 m，太陽電池翼展開寬度約28 m；各艙段采用海上運輸方式運抵發射場，擺脫了鐵路運輸限界限制，艙體最大直徑達4.2 m；節點艙、小柱段、大柱段、后端通道共同構成的生活控制艙為載人密封艙，密封容積約113 m3，乘員活動空間約51 m3。

圖11 天和核心艙構型Fig.11 Configuration of Tianhe core module

節點艙兼作出艙活動氣閘艙，為球形密封艙，前向、對地方向分別設置對接口，左右兩側設置停泊口，朝天方向設置出艙口。2個對接口、2個停泊口均設有被動對接機構和Φ850 mm艙門，對接口周邊各布置1套交會對接目標示位設備，出艙口配置Φ850 mm出艙艙門。

小柱段與節點艙之間設有Φ850 mm艙門，艙外主要布置10 m大機械臂、太陽電池翼、中繼天線等大型設備。大柱段艙外前錐布置6個控制力矩陀螺，艙內裝載再生生保系統、蓄電池組等平臺設備及4個有效載荷機柜。大、小柱段艙外均覆蓋熱控輻射器。由于核心艙設有后向對接口，因此采用貫通式密封艙結構，如圖12所示，密封艙后端設置一個穿過資源艙的密封通道，通道口設有被動對接機構、Φ850 mm艙門及交會對接目標示位設備。

圖12 核心艙貫通式密封艙結構Fig.12 Through sealed cabin structure of core module

資源艙為非密封艙，主要布置姿軌控發動機、推進劑貯箱及補加系統設備、霍爾電推力器等。由于有后端通道穿過資源艙，故4臺軌控發動機傾斜安裝在側面艙壁上，艙內設備圍繞后端通道布局。

天和核心艙為乘員提供了充裕的工作生活空間，與天宮空間實驗室相比，乘員活動空間增大約3倍，艙內通過尺寸增大為2 m×2 m，2個簡易睡眠區增加為3個封閉隔音睡眠區，此外還設置有封閉衛生區、就餐區及餐飲、鍛煉設備，可支持乘員長期在軌駐留。

空間站密封艙在繼承天宮空間實驗室鋁合金整體加筋壁板焊接結構的基礎上，對壁板網格加強形式和加強筋高度、寬度、網格密度等設計參數進行了優化設計，可滿足15年長壽命要求。對空間碎片撞擊進行了全防護設計，密封艙體采用鋁合金防護屏與芳綸纖維+玄武巖材料結合的復合防護結構，將在軌15年的密封艙擊穿風險降低至可接受范圍內。

5.3 實驗艙構型

空間站的實驗艙是迄今我國已發射的質量和構型尺寸最大的單體航天器。問天實驗艙由工作艙、氣閘艙及資源艙等3個艙段組成，構型如圖13所示。整艙最大長度約17.9 m，艙體最大直徑4.2 m，柔性太陽電池翼展開寬度約55.6 m；工作艙、氣閘艙為載人密封艙，密封容積約118 m3，乘員活動空間約39 m3。

圖13 問天實驗艙構型Fig.13 Configuration of Wentian experiment module

工作艙前錐安裝了主動對接機構、轉位機構、交會對接測量設備，用于實驗艙與核心艙的交會對接和轉位停泊；艙外覆蓋熱控輻射器，前端布置4組平移發動機，后錐布置反推發動機、滾動發動機；艙內主要裝載平臺設備和8個有效載荷機柜。

氣閘艙與工作艙之間設有Ф1000 mm艙門，對地方向設有Ф1000 mm出艙艙門；艙外設置平板型暴露平臺、有效載荷適配器，安裝5 m小機械臂。

資源艙尾部安裝實現太陽電池翼繞艙體縱軸轉動的對日定向裝置及繞自身縱軸轉動的驅動機構，太陽電池翼及驅動機構通過桁架與資源艙連接；資源艙外布置中繼天線、暴露載荷適配器、姿軌控發動機組等設備，艙內安裝推進劑貯箱。

問天實驗艙只設一個對接口，艙外大型設備少，構型較簡潔，因此擁有比天和核心艙更大的密封艙容積，具備更強的空間應用試驗項目支持能力。艙內通過尺寸同樣為2 m×2 m，設有3個封閉隔音睡眠區、1個封閉衛生區，以及就餐區、鍛煉區。專用氣閘艙具有比核心艙節點艙更大的艙內空間和出艙艙門，出艙活動支持能力更強。

夢天實驗艙由工作艙、載荷艙、貨物氣閘艙及資源艙4個艙段組成，構型如圖14所示。整艙主要構型尺寸與問天實驗艙相同，最大長度約17.9 m，艙體最大直徑4.2 m，柔性太陽電池翼展開寬度約55.6 m。工作艙、貨物氣閘艙為載人密封艙，密封容積約109 m3，乘員活動空間約32 m3。

圖14 夢天實驗艙構型Fig.14 Configuration of Mengtian experiment module

夢天實驗艙工作艙外主要設備布局與問天實驗艙相同，艙內可裝載13個有效載荷機柜。其主要構型特點在于載荷艙和貨物氣閘艙形成雙層艙體嵌套結構，載荷艙在外，對天和對地方向各設有一個平板型可展開暴露試驗平臺，在軌展開后露出貨物氣閘艙對地方向的方形自動艙門，實現機械臂從氣閘艙自動取放貨物。

6 結束語

作為載人航天器總體技術方案的重要組成部分，在我國載人航天工程各發展階段合理設計了與當時航天技術水平及任務目標相適應的各類載人航天器總體構型方案，目前已發射的各型號載人航天器總體構型參數對比見表1。我國載人航天器從初期以突破載人航天基本技術為目標到發展出多種不同任務用途的載人航天器，質量、體積由小到大，從單一功能到多功能兼備，從單體航天器構型發展到變構型多航天器組合體，并具有自主創新的中國特色。載人航天器總體構型技術發展是我國載人航天事業30年發展歷程的一個縮影。

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