航天传奇：箭船

2003年10月16日，国际空间站第八远征队，包括俄罗斯航天员亚历山大·卡勒里，西班牙航天员佩罗·杜克，乘坐俄罗斯“联盟”TM A-3 飞船从拜科努尔航天发射场升空，前往国际空间站替换已经在那里生活了200天的俄罗斯航天员马连琴科和美国航天员卢杰。然而，往常总会占据重要版面的这条消息，今天却被挤到了不起眼的角落。

就在这一天的早晨6时23分，中国的第一艘载人飞船“神舟”5号降落在内蒙古草原的中部。（图1、图2、图3）

载人飞船

到目前为止，人类所发射的载人航天器一共包括三种类型: 载人飞船、轨道空间站和航天飞机。毫无疑问，载人飞船是其中历史最长、建造数量和发射次数最多的一种。航天员们不仅用它进行近地轨道飞行，试验载人航天技术，完成各种空间科学试验，还将它作为空间站的救生船。万一在空间站里工作时遇到紧急情况需要撤离，载人飞船就是他们安全返回地球的惟一希望。（图4）

与可以重复使用的航天飞机不同，载人飞船的飞行是一次性的。在返回大气层之前，除了返回舱以外，所有其它舱段都会被抛掉。而成功返回地面后，返回舱也完成了它的使命。

正因为如此，载人飞船的安全系数比航天飞机要高一些。返回舱采用伞降的方式落地，不需要机翼、起落架等相对复杂和脆弱的部件。美国“哥伦比亚号”航天飞机就是因为机翼上的隔热瓦破损，导致返回时承受不住气动高热而在空中解体的。

迄今为止，共有18位航天员在飞行事故中丧生，而在美国两次航天飞机失事中殉职的航天员就有14位。

发起/论证

早在我国政府决定启动载人航天工程之初，航天部下属的3个研究院——上海八院、北京一院及五院各提交了一份载人航天发展方案。其中八院和一院的方案是研制航天飞机，上海八院方案中的航天飞机被命名为“长城”1号; 北京五院则提出了飞船计划，也就是今天“神舟”号飞船的前身。

各方随即对航天飞机和载人飞船二者的可行性进行论证，考虑到航天飞机代表着现今最高的航天技术，当时有不少人都对此表示支持。但论证结果最终选择了飞船，对此，有两个原因起到了决定作用。第一，当时苏联在飞船研制方面的技术已经成熟，而中苏航天界的关系密切，科研交流较多，发展飞船可以直接借鉴苏方的技术; 美国的航天飞机当时虽然已经上天，但中美之间没有技术交流，如果研制航天飞机，则全部都要依靠自己的力量; 第二，当时的综合国力决定了研制飞船的可行性更大。研制航天飞机的投入是飞船的几十倍甚至上百倍，美国建造的最新的一架航天飞机“奋进号”，耗资高达50亿美元，相当于3～4艘大型核动力航空母舰的价格。而且，航天飞机的维护费用也高得惊人，它虽然可以多次重复使用，但在每次飞行后都需重新更换表面的2万多块隔热瓦及部分内部仪表，耗资在4亿美元到5亿美元之间。

而我国“神舟”号飞船的造价是：每艘4～5亿人民币。（图5）

神舟之初

1992年8月11日，李鹏总理主持中央专委会议，参会的14名专委一致同意中国载人航天计划分三步走：

第一，在2002年前，发射两艘无人飞船和一艘载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间试验。

第二，在第一艘载人飞船发射成功后，大约在2007年左右，突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术，并利用载人飞船技术，改装、发射一个8吨级的空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间站应用问题。

第三，建造20吨级的空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间站应用问题。

1992年9月21日，中共中央政治局第十三届常委会第195次会议正式批准载人飞船工程上马，自此，我国载人航天工程正式立项实施，代号“921”工程。

神舟的结构

随着“神舟”6号顺利完成飞行任务安全返回，“神舟”载人飞船已经成为较为成熟的空地往返工具。我国载人航天工程虽然起步较晚,但充分利用了后发优势，没有走“加加林”时代先单人、后多人的老路,而是一步迈过美俄40年的发展历程。“神舟”飞船内部空间大，智能化程度高，每次可运载3名航天员执行太空飞行任务。（图6)

“神舟”飞船由轨道舱、返回舱、设备舱和一个过渡段组成。

轨道舱是航天员工作和休息的场所，它的外形为圆柱形，位于返回舱前面。轨道舱的两侧安装了太阳能电池板，每块电池板的面积大约是 6平方米，它们可以提供0.5千瓦以上的电力给飞船使用。

“神舟”号飞船的轨道舱兼有宇航员生活舱和留轨试验舱两种功能。尾部有4组小型推进发动机，为飞船提供辅助推力，保证轨道舱分离后继续保持轨道高度；轨道舱一侧靠近返回舱部分有一个圆形的舱门，为航天员进出轨道舱提供了通道；舱门的上面是观察窗，航天员可以从这里欣赏太空的壮丽景色。

“神舟”飞船的轨道舱还有一项特殊的功能。国外飞船的轨道舱通常在飞船返回时被抛掉，要么留在轨道上成为太空垃圾，要么直接坠入大气层烧毁。而我国通过技术改造，让轨道舱继续留在轨道上工作。 与返回舱分离后的轨道舱在轨道上停留大约半年，它的作用相当于一颗人造卫星，可以用来进行一系列科学实验。另外，它还能作为未来空间交会对接的一个飞行器。这样，我们在试验空间交会对接技术的时候就不必像美国和前苏联那样一次发射两艘飞船了。

返回舱位于飞船中部，是航天员在发射、返回和驾驶飞船时逗留的地方。它的外形为钟形，结构密封，前端有舱门，供航天员进出轨道舱使用。

为什么返回舱要采取这种外观呢？钟形返回舱利用外形上的气动效果可以更精确地控制返回舱的运行轨迹。另外，球形返回舱不容易获得稳定的返回姿态，很难使用安装缓冲发动机的方式来减缓落地时产生的冲力。这也是“东方”号飞船采用相对复杂和高风险的弹射方式，进行人、舱分别伞降的一个主要原因。

返回舱里的仪表系统,是航天员的“秘书”,这位特殊“秘书”通过3个显示屏和6块机电仪表以及各种按钮,及时向航天员报告舱里、舱外的多种信息,协助航天员下达各种指令。整个飞行期间,除了与地面指挥中心通话联系外,其他的信息全靠这位“秘书”提供。比如,飞船的飞行姿态怎么样,速度是多少,飞行时间、飞行圈数,飞到地球什么地方的上空了,各系统工作得怎么样,航天员自己的身体状况和生理参数等等。“秘书”还会及时通知航天员近期的工作计划和日程安排,甚至连航天员的日常起居也要管。航天员们起床、吃饭、午休、锻炼、睡觉,都会从“秘书”这里得到提示。

“秘书”还提供其它服务。比如,航天员想了解有关地理方面的情况,只要按下“地图”按键,显示屏上就会出现一幅世界地图,并标出了相对地球而言飞船当前的位置以及飞行的轨迹。想看地图的哪一部分,显示屏可以把此区域的地图放大,清楚地显示地面上山川、水域和大城市的信息。航天员如果想知道飞船内环境的情况,按一下“环控”按键,舱内压力、二氧化碳含量、温度、湿度、噪声水平、辐射剂量、氧气储量、饮用水储量等各种参数就会显示在液晶屏上,包括舱内的垃圾自动收集与处理的情况都不会漏掉。

设备舱在飞船的尾部，安装了推进系统、电源、气瓶和水箱等设备。两侧各有一对太阳能电池板，长宽2.0×7.5米。与前面轨道舱的电池板加起来，可产生1.5千瓦以上的电力。 设备舱的尾部是飞船的推进系统。主推进系统由4个大型主发动机组成。另外它还有4对纠正姿态用的小推进器。

飞船上的开关、按钮数量可观。航天员在飞船上的坐姿有点像坐在小木盆里,身体被带子紧紧地束缚在椅内,手臂能够到的地方十分有限。因此,常用按钮都被设置在不用改变体姿手臂就能够到的地方,座椅扶手处还放置了一根“指挥棒”, 用来操作手臂够不到的开关。

飞船上各种按钮和开关的尺寸都做得比地面上的大,它们之间的间距也很大,免得航天员戴着手套触摸不方便,按钮的表面也有意制作得不太光滑,以防止手套接触打滑。不同功能的按钮一般相距较远,防止出现误操作。一些重要的按钮、开关还设置了安全锁,在不应该工作的时候,即使误碰它也不会起作用。

座椅发射前,一旦确定了上天的航天员,就要把他专用的减震垫嵌入座椅的椅盆内。航天员躺进座椅后, 腿脚蜷曲着放在踏板上。两条肩带和裆带把航天员的躯干固定在座椅内,两条腿带把航天员的双腿固定。这些带子用高强度阻燃锦丝制成,长短可以调节。（图7）

座椅下面的缓冲器和座椅上的缓冲减震垫,是为减少飞行中的震动和冲击过载而设计的。降落伞可以将返回舱的速度减低到每秒8～10米，但这个速度依然相当于航天员从三四层楼的高度跳下来。万一降落时返回舱的缓冲发动机不工作，这些缓冲减震措施仍可以保证航天员的安全。（图8）

检测数据飞船上需要监测和显示的数据多达上千个,航天员不可能同时对它们进行监视。所以,设计师采用人工智能技术为航天员设计了一套特殊系统。显示屏按照飞行程序自动显示当前飞行阶段的主要参数和航天员关心的参数,其余的参数只要在正常范围内就不予显示。假如航天员需要其它参数,只要在键盘上敲一下对应的按键,数据就会自动显示出来。

照明飞船内的提示灯、注意灯和警告灯的颜色分别采用类似交通指示灯的绿、黄、红三色。正常事件和状态的提示用绿灯,发出“注意”信息的灯用黄色,警告灯则用红色,使航天员一眼就明白发生了什么情况。

航天员出舱使用的灯是聚光灯,有两个自由度的转动功能,可为未来飞船的交会对接试验和航天员舱外活动提供照明。

运载火箭系统

将“神舟”送入太空的，是中国自行研制的运载火箭“长征”2号F。其实，它也有一个响亮的名字——“神箭”。（图9）

人们通常把能将卫星、飞船、空间探测器等航天器送入太空的火箭称为运载火箭。据统计，美国、俄罗斯、中国、印度、日本和巴西等国家及欧洲空间局先后研制生产的各种运载火箭一共有23个系列，208个型号，但是能把载人飞船送入太空的运载火箭只有少数几个型号。

“长征”系列运载火箭是我国自行研制的航天运载工具。从1970年到2005年，我国发射“长征”系列火箭共计87次，成功81次，失败6次。发射成功率为93%。自1996年10月到目前，我国已连续45次发射成功。

“长征”2号F火箭，是我国目前研制的“长征”系列火箭中可靠性最高、推力最大、系统最复杂的火箭。整个火箭由芯级、二级、4个助推器、整流罩和逃逸塔等部分构成。火箭全长58.34米，起飞质量479.8吨，整流罩最大直径3.8米，可以将8吨重的有效载荷送入近地点200千米、远地点350千米的轨道。

火箭结构

火箭由箭体结构、控制系统、动力装置、故障检测处理系统、逃逸系统、遥测系统、外测安全系统、推进剂利用系统、附加系统、地面设备等十个分系统组成，其中逃逸系统和故障检测处理系统，是为确保航天员的安全而新增加的，其它型号的火箭都没有。

火箭的大脑是箭载计算机。发动机何时点火，何时关机，在哪个点上进行转向，什么时间启动爆炸螺栓分离助推器等等，全靠箭载计算机进行控制。

为达到高可靠性的目标, 科技人员设计了先进的“冗余容错技术”。 简单地说，就是由几台计算机同时进行工作, 如果一台计算机的计算结果或操作指令与其它计算机不一致， 系统就将认为这台计算机出现了故障，不再执行它的指令, 并将它与整个控制系统隔离。其余正常工作的计算机，仍然可以控制火箭完成整个的发射过程。美国的航天飞机和法国“阿丽亚娜”火箭同样采用了这一技术。

逃逸救生系统

载人航天飞行，第一重要的就是保证航天员的安全。如果发生了危及航天员生命安全的事故，一定要有办法使航天员从危险中逃脱出来。“长征”2号F火箭特别设计的故障检测系统和逃逸系统，就是航天员在危急状况下的救生装置。

“长征”2号F的逃逸塔位于飞船的顶部，高8米，看起来有点像火箭上的避雷针。逃逸塔内有10台发动机，自上而下分别为控制发动机、分离发动机、主逃逸发动机和高空逃逸发动机。前三种发动机是负责39公里以下高度的逃逸工作，高空逃逸发动机则是在39至110公里高度才发挥作用。（图10）

类似的装置曾经挽救过三名苏联航天员的生命。1983年9月27日，“联盟”T-10A 飞船准备起飞，完成与“礼炮”空间站会合的任务。火箭点火后突然爆炸，在爆炸前一瞬间，逃逸塔点火成功，将飞船从火箭头部拖离，在1公里外降落。避免了一场船毁人亡的惨剧。这是一次“零高度、零速度”的完美救生。

“长征”2号F火箭还增加了故障检测处理系统，这套系统可以在飞船待发射阶段和上升阶段自动进行故障检测，一旦有问题它会自动报警。假如航天员正在塔架上尚未进舱，他们可以就近跳进塔架上的逃逸布袋，布袋是用一种弹力很强的特殊帆布做的，航天员跳进去后用四肢的阻力来控制下降的速度，像乘软滑梯一样从上面一直滑到地下室的安全地区。假如航天员已经进舱，这套系统会指挥火箭顶部的逃逸塔自动点火，把飞船返回舱拽离火箭，然后安全降落。（图11）

1998年10月19日，全面考核“神舟”飞船应急救生系统综合能力的“零高度、零速度”飞行试验获得了圆满成功。这标志着中国的载人航天工程已经可以进入飞行试验阶段。

1999年11月21日，新华社播发了一条简短的消息:“北京时间1999年11月20日6时30分，中国第一艘“神舟”号宇宙飞船在我国酒泉卫星发射中心载人航天发射场发射成功，并于1999年11月21日凌晨3时41分在内蒙古中部预定落区成功着陆返回。”

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