詳解神舟16號飛行任務

龐之浩

2023年5月30日9時31分，我國的長征2號F遙16運載火箭在酒泉衛星發射中心點火發射，將載有3名航天員的神舟16號載人飛船精準送入預定軌道。經過約6.5小時的飛行，神舟16號飛船成功對接于空間站“天和”核心艙徑向端口。

神舟16號是中國空間站進入應用與發展階段的首個載人飛行任務，其乘組將迎來兩次對接和撤離返回，即神舟15號載人飛船返回、天舟5號貨運飛船的再對接和撤離，以及神舟17號載人飛船對接。

神舟16號乘組將開展電推進氣瓶安裝、艙外相機抬升等平臺照料工作；將完成輻射生物學暴露實驗裝置、元器件與組件艙外通用試驗裝置等艙外應用設施的安裝，按計劃開展多領域大規模在軌實（試）驗，有望在新奇量子現象研究、高精度空間時頻系統、廣義相對論驗證以及生命起源研究等方面產出高水平科學成果。此外，航天員還將開展天宮課堂太空授課活動，讓載人航天再次走進中小學生課堂。

由于這次飛行有很高的科技“含金量”，因而格外引人矚目。

迎接交會對接挑戰 2023年5月30日，神舟16號載人飛船成功發射并停靠中國空間站核心艙節點艙的徑向對接口，標志著由航天五院自主研發的我國空間交會對接制導導航與控制技術進一步成熟。因為這是中國空間站三艙“T”字構型下實施的首次徑向交會對接任務，相較于空間站建造階段神舟13號、14號載人飛船實施的徑向交會對接，神舟16號的交會對接任務難度最大。

據航天五院介紹，神舟16號的交會對接任務難度之所以最大，原因有三點。

一是要對接更大質量的組合體。

隨著空間站建造完成，空間站組合體的尺寸、質量、慣量以及重心位置等影響姿態控制的核心要素，與此前空間站單艙或兩艙狀態相比的變化較大，部分參數甚至存在跨數量級的增長。飛船交會對接特別是近距離對接時采用的是相對姿態位置控制方法，空間站運動特性的變化將直接影響飛船的交會對接控制過程。雖然此前神舟15號也成功完成了與由3艙2船組成的“T”字構型空間站組合體的交會對接，但神舟15號對接的位置為空間站前向對接口，由于空間站在不同方向上運動特性有所區別，神舟16號進行的徑向對接時需要制導導航與控制系統依靠自身的能力克服上述變化帶來的影響。

二是要對接更大尺寸的組合體。

神舟16號在進行徑向交會對接任務時，是沿著“天和”核心艙下方的徑向對接口逐漸靠近空間站組合體，從飛船的視角看，“天和”核心艙、“問天”實驗艙、“夢天”實驗艙、神舟15號載人飛船以及天舟6號貨運飛船均會出現在神舟16號飛船的視野中，這對于其上安裝的需要以宇宙背景或太陽作為觀測目標的測量敏感器來說會產生視線上的遮擋，且隨著神舟16號飛船和組合體距離的逐漸逼近，遮擋會越來越多，這需要依靠制導導航與控制系統配備的敏感器自身的抗干擾或目標特性識別能力加以區分和屏蔽，或采用不同測量方位、測量體制的備份測量敏感器來保證持續、準確的測量能力。

三是會受到更復雜的羽流影響。

空間站組合體尺寸的增大還會使得飛船和空間站組合體的發動機在工作時，羽流間的相互影響比以往進行交會對接時變得更加復雜。飛船在近距離與空間站交會過程中，需要頻繁啟動發動機進行相對姿態和位置的調整，這會對懸浮在太空中的空間站姿態產生影響，由于組合體艙段的增加，使得神舟16號任務中的上述特性更為復雜。同樣，空間站的噴氣控制也會影響飛船自身的控制。為此，需要制導導航與控制系統在發動機分組使用和控制方法上優化，并通過地面的仿真計算加以驗證，確保交會對接過程在諸多影響下仍能確保任務成功。針對神舟16號徑向交會對接任務過程中的羽流影響和敏感器視場遮擋影響等，航天五院還進行了專項分析和仿真復核，并對神舟16號制導導航與控制分系統進行針對性優化和針對性設計，確保影響均在分系統可控范圍之內。

由于所有技術措施到位，神舟16號最終按時順利地完成了與空間站的交會對接。神舟16號入軌后，先通過“北斗”導航衛星進行準確定位，確定自身與空間站的相對位置。基于空間位置信息，神舟16號進行了6次軌道控制，然后飛到距離空間站50km的地方，這個過程耗時大約4.5h。接著，神舟16號進入自主控制段，通過多種測量設備與空間站進行交互，不斷接近空間站。當神舟16號飛到距離空間站只有2km的“中途瞄準點”時，就開始調整自身的姿態。直到飛到空間站下方200m的位置，神舟16號（8.1t）開始向上靠近空間站，同時繼續調姿，直至最終成功與空間站（近100t）“天和”核心艙的徑向端口對接。整個對接過程歷時約6.5h，全自動完成。

北京時間2023年5月30日18時22分，翹盼已久的神舟15號航天員乘組順利打開“家門”，歡迎遠道而來的神舟16號航天員乘組入駐“天宮”，兩個乘組順利“會師”。

不斷改進飛船火箭

隨著中國空間站全面建成進入常態化運營，“神舟”系列載人飛船也迎來了新批次（6艘飛船）密集的組批生產和發射任務。進行組批生產可以提高飛船質量、降低研制成本、縮短研制周期。因為采用組批生產模式可以讓生產、測試過程更為標準化、規范化，更有利于人員掌握產品狀態、保證產品質量，同時提高了物資采購集中度，便于供應鏈的管控和備貨周期的把控。

神舟16號載人飛船則是第二批次6艘飛船的首發船，也是我國空間站應用與發展階段發射的首個載人飛船，承擔著“一次驗證、組批投產”的使命，起到了承前啟后的關鍵作用。

為滿足空間站任務需求，神舟16號載人飛船在確保可靠性、安全性的前提下，以最短時間、最高標準完成了上百項器件更改和可靠性提升等驗證工作，通過國家重大工程全力支持“北斗”衛星導航定位系統，進一步增強了自主健康管理功能，不斷提高了飛船上自主健康管理水平，并從分系統級、單機級、部組件級三個層次建立了數據包絡分析機制，全力推進了產品數據互聯信息化、線纜總裝布局數字化、關鍵參數檢測智能化，全面實現了“神舟”飛船在空間站時代的再升級，為“神舟”踏上新征程打下了堅實基礎。

在此次任務中，設計人員從使用者的角度出發，把神舟16號儀表的數據顯示化繁為簡，為航天員執行任務提供了更加清晰、直觀、舒適的顯示界面。在神舟16號上共有50余幅頁面，顯示飛船各部分的情況，這些都是由作為智能管理員的儀表控制器應用軟件來提供的。使用這一獨特的圖形顯示技術，不僅能得到新穎的儀表控制器顯示效果，而且實現了空間智能化儀表中的圖形、文字的處理與顯示，為航天員執行任務提供了清晰、直觀、舒適的顯示界面。另外，研制團隊為神舟16號研制了具備集成程度更高（產品質量由36kg減至27kg）、處理能力更強（處理一項工作由需幾個芯片共同完成減至用一個芯片來完成）、國產化率更高（超過95%）三大優勢的升級版中繼終端，實現了飛船與地面通信的暢通無阻，確保地面測試人員實時掌握飛船的飛行狀態，以更小更優的產品為中國空間站穩定高效的運行貢獻力量。

相比此前發射神舟15號的長征2號F遙15運載火箭，長征2號F遙16運載火箭共有20項技術改進。研制團隊重點圍繞冗余度進行了提升和工藝改進，持續提升火箭的可靠性，同時繼續推進箭上多個電氣系統元器件國產化工作，不斷提升產品自主可控水平。

同時，還提升了火箭系統的數字化和信息化水平。依靠遠程測發支持系統的持續建設，實現了長征2號F運載火箭測試數據前后方實時互通，使后方設計人員能夠更加便捷、全面地了解火箭相關數據，開展實時監測判讀與數據分析，并同步在大屏上可視化展示。不僅如此，后方強大的數據自動判讀與分析工具以及完善的專家團隊，也更好地保證數據判讀的覆蓋性和可靠性，提高工作效率。

不同于以往的三類航天員

此次神舟16號的航天員乘組成員格外耀眼，因為其是由航天駕駛員、航天飛行工程師、載荷專家三種類型的航天員組成，這在我國尚屬首次。其中，景海鵬是指令長兼航天駕駛員，朱楊柱是航天飛行工程師，非軍人出身的北航教授桂海潮是載荷專家，這是我國航天飛行工程師和載荷專家的“首秀”。另外，朱楊柱和桂海潮是我國選拔的第三批航天員，所以此次也是第三批航天員首次執行飛行任務。尤其是戴著眼鏡的載荷專家桂海潮，引起了公眾的廣泛關注和極大興趣，激發了具有高水平但近視的科學家上太空進行科研的欲望。

目前，航天員主要分航天駕駛員（又叫飛行專家）、航天飛行工程師（又叫任務專家或隨船工程師）和載荷專家三類。 我國從2020年選拔第三批航天員開始，除了繼續選拔了航天駕駛員外，還選拔了航天飛行工程師和載荷專家。這是因為從2023年起，我國空間站要進入應用與發展階段了，需要派更專業的工程師和科學家上天來保障空間站長期穩定的運行，以及開展更復雜、更尖端的空間科學實驗及航天技術試驗，提高空間站的應用效益。據悉，神舟16號乘組需要承擔非常繁重的空間科學實（試）驗任務，將是我國目前為止開展在軌實（試）驗項目最多的乘組。

由于這三類航天員分別執行不同的任務，所以對他們在身體條件、工作技能、訓練重點和任務完成等方面的要求也是不一樣的。其中，對航天駕駛員的身體素質要求最高，對航天飛行工程師的身體素質要求次之，對載荷專家的身體素質要求相對最低。例如，在航天環境耐力與適應性選拔中，航天駕駛員超重耐力檢查的負荷比航天飛行工程師和載荷專家更高；與之相對，對航天飛行工程師和載荷專家的知識結構、工程技能、科研水平的要求比航天駕駛員更高。在后來的訓練中也是如此，每一名航天員在全面訓練的基礎上，會更加側重個人負責任務方面的訓練。此外，根據受訓航天員個人的基礎和專業背景不同，在訓練科目、內容和學時等要求方面也會有所不同。

從全球來看，至今航天駕駛員大多為男航天員，只有幾名女航天員當過航天駕駛員，但男女航天員都可以勝任航天飛行工程師和載荷專家。

所以盡管神舟16號乘組中的三類航天員在職責上有分工，但是他們都是一專多能，均進行過有主有次的全面訓練，所以在太空工作時都可以互為備份，共同完成任務。

為滿足載人航天工程后續飛行任務需要，我國第四批預備航天員選拔工作已于2022年啟動。本次共選拔12～14名預備航天員，包括航天駕駛員7～8名，航天飛行工程師和載荷專家共5～6名，并首次在港澳地區選拔載荷專家。

神舟16號飛行任務的創新成果舉不勝舉，今后還會有許多。其最終都是為了一個目的，就是以“多、快、好、省”的方式，使我國空間站能夠早日取得具有重大科學價值的研究成果和具有重大戰略意義的應用成果，為人類和平開發太空資源做出更多、更大、更好的貢獻。