持续创新引领神舟飞船发展

贾世锦 何宇 陈伟跃 张福生

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

1992年9月21日，中央政治局常委会议讨论审议了《中央专委关于开展我国载人飞船工程研制的请示》，会议批准了启动载人飞船工程，我国载人航天工程正式立项，实施代号为“921工程”，工程战略规划分为三个阶段：

第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。

第二步，在第一艘载人飞船发射成功后，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、发射一个空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。

第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。

中国的载人航天从神舟飞船起步，时至今日走过了30年，经历了无人飞行、有人飞行、交会对接和空间站四个阶段。通过不断的技术创新和突破，将我国的载人航天事业不断向前推进。

1.1 无人飞船阶段

飞船在立项论证之初，国际上正处于航天飞机和空天飞机的热潮中，老一辈科学地分析了载人航天的发展需求和我国的国情，最终决策以飞船起步。在技术途径上，没有重复苏美从单人试验飞船起步，再研制3人运输飞船的老路。直接将第一艘飞船的状态瞄准可载3人运输300 kg上行物资的标准载人运输飞船，使神舟飞船一步就跻身于国际现役载人运输飞船的先进行列。从实际结果看是正确和科学的。

神舟一号是一艘简化型飞船[1]。神舟一号试验飞船飞行试验的重点考核项目如下：

(1)制导导航与控制系统,考核飞船按预定程序工作，按正确姿态飞行，实现升力式再入控制；

(2)返回制动技术,考核飞船推进系统工作，为安全返回提供动力；

(3)分离解锁技术,飞船发射阶段要保证几个舱段连接可靠，返回时，按程序发出分离指令后，应准时可靠分离；

(4)返回着陆技术；

(5)再入防热技术,在返回舱再入过程中表面气流达几千度高温下，能保证舱内温度适合航天员生活。

神舟二号飞船是一艘基本型飞船[1]，是载人飞船的第一艘正样技术状态，系统配置完整。在初样和正样船的基础上，有许多单机和分系统的技术状态变化，运行时间由第一次飞行试验的一天增加至七天，同时实施轨道舱留轨飞行试验。首次考核载人飞船环境控制与生命保障分系统对载人舱内压力控制、大气成分控制和轨道舱分离前的放气功能，电源分系统为全系统配置，返回舱、轨道舱太阳电池阵入轨后先后展开，并具备一定的并网能力，通过摄像机对仪表、光学瞄准镜等显示设备进行检查。

神舟二号试验飞船飞行试验的主要任务是：

(1)进一步考核飞船系统设计的正确性及协调性；

(2)考核飞船系统工作性能、可靠性及安全性；

(3)考核飞船载人环境，获取航天员船上生活环境与航天员安全有关的数据；

(4)进行首次轨道舱留轨利用试验；

(5)保障有效载荷在轨试验、获取试验数据和试验样品；

(6)进一步检验载人飞船系统与其他系统的协调性。

神舟三号飞船为改进型飞船[1]，鉴于第二次无人飞行试验的结果对神舟三号飞船作了改进。神舟三号的技术状态与载人飞船的技术状态基本一致，为十三个分系统和供配电组成的全系统配置。与神舟二号相比，主要是增加了待发段和发射段应急救生功能。神舟三号飞船的构型为“三舱一段”，即附加段、轨道舱、返回舱和推进舱，与神舟二号飞船构型一致。三舱均为正样产品，电缆网为模块化设计，轨道舱和附加段具有留轨功能。神舟三号飞船的主要任务如下：

(1)进一步考核飞船工程各系统的性能、可靠性与安全性，考核系统之间的协调性；

(2)考核飞船的载人环境，特别是热控制、环境控制及生命保障和乘员分系统;

(3)考核逃逸与应急救生功能。逃逸与应急救生功能是指在飞船的待发段和发射段，如果运载火箭出现危及航天员生命的故障时，可将航天员脱离卫星区，并使航天员乘返回舱安全降落地面。逃逸救生任务由运载火箭、飞船等系统共同完成。

神舟四号飞船为无人阶段的完善型飞船[1]，技术状态和载人飞船技术状态一致，满足工程总体的技术要求，与神舟二号、神舟三号相比，载人飞行技术状态的主要变化为：

(1)增加一名航天员座椅，配备航天员必备的生活工作用品，轨道舱、返回舱进行了内装饰，使得舱内环境布置改进、舱内照明环境改善;

(2)通过多项可靠性改进、更换密封起爆器等措施，改善和完善飞船舱内大气环境的品质;

(3)载人飞行相关功能的实施与完善，包括GNC手动运动控制功能、仪表手动控制功能、仪表显示功能、舱门快速捡漏功能、着陆通风功能等;

(4)增加可靠性、安全性措施和功能：返回舱使用长寿命电池、返回舱滚动发动机热备份交替工作。返回舱舷窗防污染设计改进、完善密封舱灭火措施、发射段救生功能、运行段故障模式与对策完善，增加自主应急返回功能、整船偏航和对日定向功能等。

通过神舟一号至神舟四号4次无人飞行，载人飞船关键技术得到了突破，多项新技术在飞船上得到了应用，这其中包括：舱段连接与分离、再入防热技术、主动流体回路热控技术、环控生保技术、升力控制返回技术、着陆缓冲技术、特大降落伞应用与制造技术、逃逸救生技术、仪表与照明技术。而1553B总线技术、USB测控技术、计算机三模冗余技术的首次应用，更是航天技术进入新时代的标志，至今在各航天器中广泛应用。

为了提高神舟飞船的效益，轨道舱被设计成为不同功能的留轨舱，在6个月的留轨飞行期间，开展了对地观测、空间技术试验，取得了大量宝贵的试验数据。同时，也通过留轨飞行对平台功能进行了考核，为后续神舟飞船的改进及长期稳定在轨飞行奠定了基础。

1.2 有人飞船阶段

神舟五号是我国第一艘载人的神舟号飞船[1]，技术状态满足载人飞行的要求，自主飞行时间为1天，轨道舱留轨飞行时间约半年。2003年10月15日，神舟五号实现了我国首次载人航天飞行，在轨飞行21 h23 min，航天员杨利伟顺利进入太空并安全返回，标志着我国成为继苏、美之后第3个具备独立掌握载人航天技术的国家。

神舟六号在轨飞行5天，航天员首次进入轨道舱，实现了多人多天的总体目标，全面验证了载人飞船的功能。轨道舱留轨飞行707天，取得了在轨试验数据和在轨管理经验，留轨任务目标全面实现。通过此次飞行：

(1)突破了多人多天环境动态变化控制的技术，飞船的生命保障系统得到了全面的验证；

(2)首次验证了两密封舱组合密封技术，包括舱门密封能力和在轨密封检测技术，解决了失重状态下复杂操作的问题；

(3)开展了航天员在轨活动对飞船姿态干扰的识别和控制，在国内首次建立了航天员在轨活动的干扰力矩模型，对于出舱活动任务和交会对接任务姿态控制系统设计具有重要推广价值。

第二步分为两个阶段。第二步第一阶段，研制和发射神舟七号载人飞船，完成航天员舱外活动试验；
研制和发射神舟八号、神舟九号、神舟十号飞船和天宫一号目标飞行器，完成上述3艘飞船与目标飞行器的交会对接飞行试验。第二步第二阶段，研制和发射天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船，掌握了航天员中期在轨驻留、推进剂在轨补加等项关键技术。

2.1 第二步第一阶段

神舟七号飞船乘载3名航天员,执行空间出舱活动任务,突破航天员出舱活动技术[2]。2008年9月27日航天员翟志刚实现了我国首次在轨出舱活动，标志着我国成为世界上第3个独立掌握出舱活动技术的国家。通过此次任务，解决了气闸舱设计的一系列关键技术：

(1)神舟七号飞船利用原有轨道舱的基本结构，在轨道舱支持航天员生活的功能基础上，通过系统化设计增加气闸舱功能，实现了气闸舱生活舱一体化；

(2)开发了高可靠密封舱泄复压控制技术，解决了气闸舱压力升降与航天员医学要求、舱外航天服耐压要求相匹配的难题，实现了在有限测控弧段内空间环境与飞船内部环境之间的快速平稳过渡；

(3)创新性提出了确定不同压力下氧浓度防火安全限的方法，解决了气闸舱泄复压过程中防火安全问题，确保了气闸舱的安全性；

(4)研制了基于数字扩频CDMA技术的出舱通信设备，实现了了舱内多径反射、矢量快速变化情况下的多用户通信；

(5)突破了地面试验中综合复压等关键技术，解决了对气闸舱技术进行综合地面试验验证及确保试验安全性难题，实现了有人参与的地面真空环境试验，保证了地面验证的全面性、真实性。

此外，神舟七号飞船还配置了中继终端，是我国“天链”中继卫星的第一个用户，实现了从地基测控向天基测控的转变，大大提高了飞船的在轨测控覆盖。神舟七号气闸舱内的状态如图1所示，神舟七号航天员出舱活动如图2所示。

图1 神舟七号气闸舱内状态Fig.1 Gas brake cabin of Shenzhou-7

图2 神舟七号航天员出舱活动Fig.2 Spacewalk of Shezhou-7 astronaut

2.2 第二步第二阶段

神舟八号、神舟九号、神舟十号和神舟十一号4艘飞船突破了交会对接技术。神舟八号～神舟十一号先后与天宫一号和天宫二号实施交会对接和组合体停靠，覆盖了自动和手动、前向和后向、阳照区和阴影区多种交会对接模式，验证了飞船紧急撤离、应急交会对接和组合体快速撤离等应急模式，标志着我国已突破并掌握了远距离导引段轨道控制、交会测量、自主控制以及手动交会等交会对接关键技术。

1)远距离导引轨道优化控制技术

采用多变量迭代动态规划方法，将特征点变轨与组合修正相结合，通过5次变轨控制飞船精确逼近目标，解决了入轨偏差、测定轨误差、发动机推力偏差等多约束条件下，以最少推进剂消耗实现6.4 km迹向偏差的远导轨控难题。飞行试验远距离导引终端精度均满足指标要求，达到百米量级，普遍优于指标一个数量级。

2)多模式、多冗余、高精度交会测量技术

创建了多模式、多冗余的光电结合交会测量系统，配置了卫星导航定位系统、激光雷达、微波雷达、CCD光学敏感器等交会测量敏感器，解决了交会过程从100 km到0 m的高动态、大范围、高精度测量难题，实现了自主导引全过程船器相对位置和姿态的多冗余测量。由CCD拍摄的天宫一号图像如图3所示，CCD交会对接敏感器如图4所示。

图3 CCD敏感器天宫一号图像Fig.3 Tiangong-1 picture from CCD sensor

图4 CCD交会对接敏感器Fig.4 CCD rendezvous and docking sensors

3)高精度、抗干扰自主控制技术

提出了地面备保与船上自主计算相结合的寻的段第一脉冲执行策略，确保飞船在预定位置、预定时间转入自主控制，最大限度地使用不同交会测量敏感器的各自优势完成寻的任务。

采用多约束综合优化设计方法，提出了接近段CW制导和视线制导的切换策略，解决了控制精度、推进剂消耗和制导稳定性等多约束条件下，接近段相对位置、速度精确控制的难题。

将基于特征模型的智能自适应控制方法应用于最后平移靠拢段的六自由度控制，解决了帆板挠性振动大、系统延迟大、姿态和轨道控制耦合、羽流干扰严重情况下实现高精度六自由度控制的难题，确保满足对接初始条件。

4)人性化、高精度手动交会技术

采用多学科优化方法，融合工效学、自动控制、信息传输等设计要素，设计了基于电视摄像机和十字靶标的手动交会测量与控制系统；
提出了人性化手动交会操作方法，提高了可操作性，实现精准手动交会对接。

神舟九号和神舟十号任务2次手动交会对接均一次成功。航天员操作时间分别为6 min22 s和6 min32 s，满足4 min20 s～10 min指标要求，对接初始条件满足手动交会对接控制指标要求，相对位置精度达到厘米级，与自主控制精度相当。手控交会对接图像如图5所示。

图5 手控交会对接图像Fig.5 Manned rendezvous and docking image

自神舟十二号开始，神舟飞船进入空间站阶段。在空间站阶段，神舟飞船面临空间站组合体构型复杂、质量特性变化大(8～180 t级)、飞行模式多变(惯性定向、正向飞行、三轴对地)、停靠时间长(180天)、运行轨道高度范围广(340～420 km)等特点，给飞船的载人环境控制、交会对接、返回控制、应急救生等方面提出了新的要求。此外，每年2船出厂、2船发射、2船回收、2船待命的高密度任务也为型号的研制带来了新的挑战。为此，神舟飞船采取了返回舱绝热设计、自主快速交会对接模式、双环制导返回控制方案、远程自动化测试等新技术，同时设计了快速应急救援的救生方案。

3.1 返回舱热控方案优化

针对空间站任务停靠时间长、外热流变化大、低温和高温工况更加极端的特点，为减小返回舱壁的漏热，避免阳照区舱温过高、遮挡情况下舱内结露，研制了新的热控涂层，吸收/发射率由0.70/0.56降低至0.20/0.19，吸发比由1.25±0.08调整为1±0.2，以降低外热流的影响，同时舱壁加热回路由集中控制改为分路控制，实现区域精准控温。

3.2 采用了自主快速交会对接模式

飞船控制系统利用卫星定位导航数据进行自主定轨和轨道外推，根据地面注入的空间站轨道，自主生成变轨调相策略。通过3圈6次变轨，约4 h35 min后将飞船导引至空间站后下方。数管分系统根据GNC给出的轨控参数和“交会对接自主设置”，自主生成飞行程序。

自主控制段方案可实现与空间站前向、径向、后向对接口的对接，且不需要空间站进行配合调姿。自主控制段采用直接交会的新方案，前向、径向接近时只设置M0中瞄点，不设被动停泊点；
后向接近过程中设置M0中瞄点和B2停泊点。相比停泊点交会方案缩短时间(最快缩短43 min)。不同对接口对接飞行轨迹如图6所示。

图6 不同对接口对接飞行轨迹示意图Fig.6 Flight trajectory of different docking ports

自主快速交会对接模式从飞船发射入轨到对接用时大约6.5 h，比交会对接任务阶段地面导引控制模式2天的飞行时间大大缩短。飞行时间的缩短，不仅降低了飞控工作强度、提高了航天员的任务舒适性，同时也提高了飞船对故障的容忍能力、提高了任务的可靠性。比如针对太阳翼单翼未展开的故障，地面导引模式则需要飞船第二圈紧急返回，而采用自主交会对接方案则整船供电可支持与空间站对接。

3.3 实施了双环制导返回控制方案

空间站轨道高度变化范围大，每次任务返回圈的升交点位置将不是固定值，以往的基准弹道返回控制算法不能满足开伞点精度指标要求。为此将制导算法改为预测校正双环制导算法。内环制导主要用于对构建弹道进行高频率跟踪；
外环用于生成后续合理的弹道，在外环以全数字预测—校正方法根据返回舱实际飞行状态对后续飞行弹道进行计算，同时修正倾侧角剖面。神舟十二号开伞点精度航向偏差为1.198 8 km，横向偏差-0.966 6 km，神舟十三号开伞点精度航向偏差为1.652 8 km，横向偏差-0.527 4 km。开伞点精度满足指标要求且比前期任务实施结果大大提高，返回舱的精准落地也为搜救回收队伍实现“船落人到”目标奠定了基础。

3.4 实施了5圈快速返回

标称情况下，神舟飞船与空间站分离后至落地需飞行11圈，进行测定轨和轨道维持、陀螺标定、制动参数计算与注入。在确保产品状态和任务可靠性的前提下，神舟十三号开始实施了5圈返回的飞行方案。缩短返回的准备时间、提高航天员飞行的舒适度。

3.5 设计了具备远程功能的自动化测试系统

开发了基于开放式构架的全周期自动化测试系统，包括测试过程智能管理技术、测试数据自动化判读技术、测试效果自动化评估技术、系统开放式构建技术、远程测试技术五项关键技术，从测试准备、测试实施、测试评价流程上完成人工到自动实施的转化，以数据流的方式推动测试全过程的执行。

建立了具有远程功能的测试平台，可实现后方远程发送测试指令、遥控地面设备、控制测试状态，独立完成测试。自动化远程测试系统的应用，实现了空间站阶段飞船北京、酒泉、天津三地的“云测试”、“云判读”，测试效率提高了30%，人力资源占用率降低了50%。

3.6 设计了快速应急救援方案

为确保随时具备对在轨航天员实施救援的能力，以后一艘飞船作为应急救援飞船，在前一艘飞船发射时，在发射场完成推进剂加注前所有工作后待命，后续根据需要执行正常或应急救援飞行任务。在接到应急救援任务后，通过快速测试、状态改装、加注和扣罩等后续流程优化，能够满足最快8.5天的应急发射要求。处于待命状态的应急救援飞船如图7所示。

图7 应急救援飞船待命状态Fig.7 Armed state of emergency rescue spacecraft

神舟载人飞船是我国所有载人航天器的基础，30年来神舟人以最小代价建成天地往返系统，取得了巨大的成就，持续创新是提升神舟飞船可靠性、安全性、综合能力的动力。经过30年的沉淀，神舟飞船在技术、管理、人才培养等方面都进入了成熟阶段，创新依然是神舟飞船继续发展的保障。

展望将来，空间站即将进入运营阶段，载人飞船是空间站运营的基础，神舟人将在独创、独有上下功夫，围绕能力提升做好中国空间站的高质量、高效率、高效益运营。

参考文献(References)

[1] 朱增泉.飞天梦圆：来自中国载人航天工程的内部报告[M].北京：华艺出版社，2003:121-132

Zhu Zengquan. Dream of fly in space become a reality: a publication about manned astronautical engineering of China[M].Beijing: Huayi Press,2003:121-132 (in Chinese)

[2] 于潇，马晓兵，苟仲秋.神舟飞船出舱活动故障模式和对策的设计与实践[J].航天器工程，2010(6)：56-60

Yu Xiao, Ma Xiaobing, Gou Zhongqiou. Design and practice of breakdown model and countermeasure of outside the module activity for Shenzhou spaceship[J]. Spacecraft Engineering,2010(6): 56-60 (in Chinese)

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