創新科技 助力“神十四”逐夢九天

◎ 本刊記者 楊云帆

繼5月10日天舟四號貨運飛船發射成功后，6月5日，由中國航天科技集團五院抓總研制的神舟十四號載人飛船在酒泉衛星發射中心成功發射，將3名航天員送入太空。這標志著中國空間站任務轉入建造階段后首次載人任務正式開啟。

待命7個月迎來重大任務

2022年是黨的二十大召開之年，是中國載人航天工程立項30周年。同時按照載人航天工程規劃，以2022年4月16日神舟十三號載人飛船成功返回為標志，中國空間站已圓滿完成關鍵技術驗證階段任務，轉入全面建造階段。在這樣重要的時間，作為空間站建造階段的首次載人發射任務，神舟十四號任務意義重大。

神舟十四號載人飛船還有一個身份，即神舟十三號載人飛船的應急救援飛船。空間站任務實施以來，為了確保任務順利展開與航天員絕對安全，神舟飛船要具備天地結合多重保證的應急救援能力。為此，研制人員采用“滾動待命”策略，在前一發載人飛船發射時，后一發載人飛船在發射場待命，并具備8.5天應急發射能力以實現太空救援。

自進入發射場并完成待命狀態設置以來，神舟十四號飛船在發射場待命達7個月，創下了最長時間紀錄。為確保飛船狀態滿足條件，五院首次開展“北京-酒泉”遠程發射場巡檢工作，驗證了“一船發射、一船待命”模式有效，有力支撐神舟飛船“一年兩艘”常態化發射的需要。

未來半年里，神舟十四號航天員乘組將在軌迎接問天實驗艙、夢天實驗艙、天舟五號貨運飛船、神舟十五號載人飛船，進行大小機械臂在軌驗證、出艙活動和艙外載荷安裝等建造工作，見證并推動中國空間站完成建造并轉入在軌運營階段。

神舟十四號載人飛船將創多個“首次”

此次飛行任務中，由中國航天科技集團有限公司五院研制的神舟十四號載人飛船，將創下多個“首次”：

中國空間站任務轉入建造階段后的首次載人任務。飛船與空間站在軌運行期間，將首次迎來其他航天器——問天實驗艙、夢天實驗艙、天舟五號貨運飛船、神舟十五號載人飛船。將在太空迎來神舟十五號載人飛船對接空間站，首次實現兩艘載人飛船同時在軌。

首次實現航天員乘組在軌輪換。神舟十四號載人飛船與神舟十五號載人飛船航天員乘組將同時在軌駐留，6名中國航天員齊聚太空。

在軌期間航天員面臨諸多挑戰。據中國載人航天工程新聞發言人、中國載人航天工程辦公室副主任林西強介紹，神舟十四號飛行任務是我國空間站建造階段第一次載人飛行任務，任務期間將全面完成以天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙為基本構型的天宮空間站建造，建成國家太空實驗室。具體講，神舟十四號航天員乘組將和地面配合完成兩個實驗艙與核心艙的交會對接和轉位；首次進駐問天實驗艙和夢天實驗艙，建立載人環境；配合地面開展兩艙組合體、三艙組合體、大小機械臂、氣閘艙出艙等相關功能的測試工作；首次利用位于問天實驗艙的氣閘艙實施2到3次出艙活動；完成問天實驗艙和夢天實驗艙十余個科學實驗機柜解鎖、安裝；繼續開展“天宮課堂”太空授課及其他公益活動。

除此之外，神舟十四號航天員乘組還將開展在軌健康監測與檢查、防護鍛煉、在軌訓練與演練，以及大量空間站平臺巡檢測試、設備維護、維修驗證、物資管理和站務管理等工作。

“在軌期間，航天員乘組將面臨構型多（其間經歷9種組合體構型），狀態新（要操控小機械臂和組合臂、從問天艙氣閘艙實施出艙），任務密（實施5次交會對接、3次分離撤離、2次轉位、2到3次出艙，各次任務環環相扣）等挑戰，對乘組執行任務能力提出很高要求。”林西強說。

林西強表示，作為國家太空實驗室，中國空間站艙內可以部署25臺科學實驗柜，每臺實驗柜都是一個小型的太空實驗室，可以支持開展單學科或多學科交叉的空間科學實驗，整體達到國際先進水平。其中，問天實驗艙主要面向空間生命科學研究，配置了生命生態、生物技術和變重力科學等實驗柜，能夠支持開展多種類植物、動物、微生物等在空間條件下的生長、發育、遺傳、衰老等響應機理研究，以及密閉生態系統的實驗研究，并通過可見光、熒光、顯微成像等多種在線檢測手段，支持分子、細胞、組織、器官等多層次生物實驗研究，還能提供0.01g至2g的變重力模擬，支持開展不同重力條件下生物體生長機理的對比研究。

夢天實驗艙主要面向微重力科學研究，配置了流體物理、材料科學、燃燒科學、基礎物理以及航天技術試驗等多學科方向的實驗柜，支持開展重力掩蓋下的多相流與相變傳熱、基礎燃燒過程、材料凝固機理等物質本質規律研究以及超冷原子物理等前沿實驗研究。同時，在天宮二號空間冷原子鐘的基礎上，將建立世界上第一套由氫鐘、銣鐘、光鐘組成的空間冷原子鐘組，構成在太空中頻率穩定度和準確度最高的時間頻率系統，開展引力紅移、精細結構常數測量等前沿的科學研究。

此外，還在艙外安排了材料艙外暴露試驗裝置和元器件與組件艙外通用試驗裝置，用于開展艙外實驗項目。后續，還將發射與空間站共軌飛行的巡天空間望遠鏡研究設施，開展廣域巡天觀測。

針對上述艙內科學實驗機柜、艙外試驗裝置和巡天空間望遠鏡，在空間站建造階段，共安排了近百項實驗研究項目。

作為航天員專屬列車，中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院（以下簡稱“火箭院”）研制的長二F遙十四火箭有三宗“最”。

“站崗”時間最長。據火箭院長二F火箭總體主任設計師常武權介紹，自執行“神十二”任務起，長二F運載火箭采取“發射1發、備份1發”及“滾動備份”的發射模式。此次發射的長二F遙十四火箭，就是“神十三”任務的應急救援火箭。隨著4月16日神舟十三號飛行任務乘組成功返回，長二F遙十四火箭也結束了應急救援值班任務，由應急狀態轉入正常任務狀態，再加上發射準備時間，長二F遙十四火箭站立時長達到近10個月。

可靠性最高。為進一步提升火箭可靠性，消除薄弱環節，研制人員不斷進行技術改進。當火箭的可靠性越來越接近1的時候，小數點后每一個數字的微小變化，實現起來都無比艱辛。火箭院長二F火箭總體副主任設計師秦曈說：“在可靠性已經相當高的情況下，再提升，難度可想而知。”最終，團隊將長二F遙十四火箭的可靠性從指標要求的0.97提升到0.9894，靠逃逸系統保障的航天員安全性評估值已達0.99996。

載荷最珍貴。“其他火箭的載荷再貴重都有價，長二F火箭的載荷是航天員，他們的生命是無價的。”火箭院長二F火箭總設計師容易說。為保障航天員的生命安全，長二F火箭專門設計了逃逸系統，假如火箭突發意外情況，逃逸系統啟動，逃逸飛行器像“拔蘿卜”一樣帶著返回艙飛離故障火箭。返回艙與逃逸飛行器分離后，打開降落傘，緩慢降落到地面。“我們按照最高的標準、最嚴的質量來研制逃逸火箭，它凝結著幾代航天人的心血，但是永遠不要讓這個功能啟用是每個航天人的心愿，這就意味著我們的火箭能夠永葆成功。”火箭院長二F火箭故檢軟件設計師錢航說。

太空天路讓“感覺良好”始終在線

2022年4月16日，神舟十三號航天員乘組成功返回。從他們太空出艙的英姿、在空間站內的生活點滴，到他們在“天宮課堂”上與小朋友親切互動、從空間站上拍攝的太空大片，還有那一聲聲輕松幽默的“感覺良好”，讓人們記憶猶新。

這些聲音與畫面，都是通過五院西安分院研制的中繼終端傳回地面的。同時，飛船上所有的測控和通信信號，也是通過中繼終端來完成的。可以說，中繼終端是地面對飛船進行測控和通信的重要通道，也是我國中繼衛星系統的用戶終端設備。

在神舟十四號任務中，五院西安分院將繼續通過中繼終端搭建的太空“天路”，建立飛船與地面之間的天地通信通道，讓“感覺良好”始終在線。

當神舟十四號飛船進入預定軌道后，飛船中繼終端便開始工作。根據飛船飛行程序的指令鏈要求，中繼終端中的設備會計算出中繼終端天線的指向數據。之后，中繼終端中的轉動設備將中繼天線指向天鏈中繼衛星。這樣就完成了對天鏈中繼衛星的捕獲跟蹤，建立從神舟飛船到天鏈中繼衛星再到地面的通信鏈路，實現神舟十四號飛船與地面通信的暢通，確保了地面的測試人員可以實時地掌握飛船的飛行狀態。

據五院西安分院載人航天任務負責人余曉川介紹，通過中繼終端與天鏈中繼衛星建立的天基測控通信系統，可將地面對神舟十四號飛船的測控覆蓋率提高到90%以上。

新型外衣助飛船控冷暖

從神舟十三號任務起，我國航天員要實現常態化長周期在軌駐留，長周期大溫差下的艙體溫度控制成為難題之一。

在空間站建造階段，神舟飛船徑向對接的模式與空間站組合體飛行姿態的任務特點，會使飛船被其他艙體持續遮擋，造成飛船長時間處于太陽無法照射下的極低溫度環境下，最低溫度甚至低于零下100攝氏度。而當空間站處于某些構型時，飛船的局部區域又會持續受到太陽輻照，最高溫度超過100攝氏度。外部極端的高低溫環境，給航天員健康和飛船設備正常工作帶來了嚴峻考驗。

對此，五院工程師利用宇宙空間以熱輻射為主要熱量傳導方式的特點，突破了飛船外避熱控涂層光熱性能選擇性設計與調控、熱控材料空間穩定性設計與大型復雜結構界面結合控制等關鍵技術，為空間站建造階段的神舟飛船設計研制了一款神奇的控溫外衣——低吸收低發射型熱控涂層。

“低吸收”指涂層材料自身具有較低的太陽光吸收特性，可有效減弱太陽輻照導致的溫度升高。“低發射”則是指涂層具有較低的紅外發射率，可有效阻隔飛船內部向外部深冷環境的輻射漏熱，避免艙內溫度的不斷降低。同時，工程師們根據飛船結構、功率及空間熱環境特性，對吸收及發射性能進行特定設計，形成的控溫外衣可保障神舟飛船在長期極端高低溫外部環境下，依然能夠讓艙內處于適宜溫度范圍。

在神舟十三號執行任務期間，五院科研團隊不斷進行在軌溫度監測，獲取了完整的艙內外溫度數據。在超過200攝氏度的大溫差、長期低溫及強輻射的空間環境中，飛船艙內環境溫度能夠始終控制在18至26攝氏度。新型控溫外衣經受住了長達半年的在軌考驗。

讓飛船不懼“暗影相隨”

神舟十四號飛船在軌期間，將經歷復雜嚴酷的在軌環境考驗，尤其是在空間站組裝和建造過程中，由于飛船在徑向對接口停靠，將會面臨4組超大柔性太陽電池翼和3個巨型艙體遮擋造成的“暗影相隨”，導致整船的發電能力、艙外設備熱控能力、通信保障能力均面臨前所未有的挑戰。

擔負對接機構、電源、總體電路等多個分系統研制任務的航天科技集團八院研制團隊，早已意識到各種飛行工況可能帶來的技術風險。他們針對空間站組合體多達21種構型，以及來訪航天器的不同停靠狀態，給自己列出了長長的“試卷”：

對接機構必須適應與空間站交會對接和分離、保持長期停靠密封性能的需求；能源系統必須適應空間站對地定向飛行、慣性飛行，飛船繞飛等多種飛行模式下安全供電的需求；測控通信系統必須適應船站信息交互、天地信息交互等各通信鏈路同時數據傳輸的需求；艙外設備必須適應全遮擋環境下極寒考驗的需求……

對此，研制團隊提前策劃并實施上百項環境試驗和專項測試。通過復雜工況仿真分析、對接通道密封測試、多艙能源并網測試、天地回路對接試驗、極低溫度鑒定試驗、在軌處置預案升級，以及神舟十三號載人飛船在軌飛行測試，驗證了長期停靠全遮擋環境下，對接端面嚴絲合縫、能源供電安全可靠、通信鏈路冗余暢通、艙外設備低溫耐受、在軌健康管理有效，并實現了關鍵飛行事件的應急處置能力全面提升。同時充分利用載人飛船研制組批投產的特點，確保產品技術狀態穩定，技術風險可控，技術驗證見底。

產學研創新技術助力神舟十四號飛船“逐夢九天”

神舟十四號載人飛船成功發射約7小時后，成功對接于天和核心艙，航天員陳冬、劉洋、蔡旭哲進入天和核心艙，并將按計劃開展相關工作。此次神舟載人飛船返回艙圖像首次使用了中國科學技術大學吳楓教授課題組研制的流媒體圖像質量增強系統，顯著提升了圖像的清晰度和畫質。

神舟載人飛船返回艙是航天員在飛船發射、交會對接及返回地面階段需要乘坐的飛船艙。與在軌空間站不同，返回艙和地面之間的通信鏈路資源極其有限，傳統的視頻通信技術嚴重影響了返回艙圖像的分辨率和畫質。在神舟十三號及以前的飛船中，返回艙圖像的有效分辨率僅為352×288，難以適應目前高分辨率、大屏顯示的畫面要求。

吳楓課題組在2021年11月接到需求后，組織人員開展科研攻關。基于他們所建立的非均勻率失真理論，提出了深度學習壓縮視頻超分辨率增強技術，將圖像的分辨率提升16倍以上至1920×1080，圖像峰值信噪比提高4分貝以上。之后，課題組進一步研制了支持實時流媒體處理的圖像增強系統，系統處理速度達到25幀每秒，端到端處理時延小于1秒。該系統用于返回艙和地面之間的視頻通信中提升圖像的清晰度和畫質。系統應用后，主觀感受視頻畫質有顯著提升，在4K以上的大屏顯示更加明顯。

目前，圖像增強系統已在神舟十四號載人飛船的待發段、發射段、上升段和交會對接段全程使用，后期能夠用于神舟十四號載人飛船的返回段以及神舟系列載人飛船的后續任務。

北新建材的燈塔涂料也為“神舟十四號”的順利發射貢獻力量。北新建材的公眾號顯示，“神舟十四號”載人飛船由長征二號F運載火箭助推升空，作為升空關鍵環節，火箭發動機所采用的外部涂料需滿足零下180度至500度高低溫環境下，工作不少于10個循環，對火箭基材要具有良好的防護性能，并滿足發動機震動要求。北新建材旗下的燈塔涂料耐高低溫防銹涂料，可滿足高溫環境下的設備防護要求，為長征火箭發動機外表面提供了堅實的防護，并為空間站艙內電機及電器線圈提供了絕緣保護。

作為國內領先的特種專用電纜生產企業之一，華菱線纜的電纜產品廣泛應用于航空航天、軌道交通及高速機車、礦山、新能源等領域。長征系列運載火箭所用的超高溫電纜，均為華菱線纜生產的“金鳳牌”電纜。中國自主研制的“神舟二號”到“神舟十一號”飛船、首艘貨運飛船“天舟一號”、第一顆繞月人造衛星“嫦娥一號”等，也都用到華菱線纜研發生產的特種電纜。華菱線纜還為神舟系列載人飛船提供航天員用電纜。華菱線纜工作人員介紹：“‘神舟十四號’發射使用的超高溫電纜、發射塔架和技術廠房部分特控電纜、火箭箭體部分導線均由我公司提供。”他補充，“為確保‘神舟十四號’供品質量，我們從原材料選擇及檢驗、生產訂單下達、過程工藝質量控制到成品檢驗檢測均嚴格按照武器裝備質量管理體系進行管控，在可靠性、穩定性上狠下功夫。我們還以武器裝備和航空航天產品的質量管理要求和理念為契機，將其延伸到民品的質量管理和過程控制中。”