神舟飞船步步高--回顾神舟1-4号进步历程

飞向太空是中国人几千年的梦想。从万户时代到公元2003年，中国人没有停下飞向太空的脚步。随着神舟5号载人飞船升空时间进入了倒计时，中华民族实现梦想的日子已越来越近。在神舟5号载人飞船发射之前，让我们一起回顾一下神舟1号到神舟4号飞船的发展历程，感受其中的酸甜苦辣。

　　中国载人航天为何从飞船起步？

　　至今，人类已研制出了3种载人航天器，即宇宙飞船、航天飞机和空间站。它们各有所长，功能互补。前2种主要用于天地往返运输器，后者不返回地面，而是在空间轨道上长期运行。中国为什么要从载人飞船起步呢？

　　在1992年开始研制载人飞船之前，中国“863”高技术航天领域的专家们曾为这个问题进行了几年的研究，对从研制飞船起步和越过载人飞船直接发展航天飞机的多种技术方案进行了充分的论证、比较和分析，甚至有过激烈的争论。最后，根据中国的国情和国力等因素，专家们一致同意从飞船起步。

　　不过，考虑到中国在运载火箭和返回式卫星方面已拥有相当坚实的技术基础和丰富的研制经验，以及有可能借鉴国外研制载人飞船的经验，所以，中国飞船的起点非常高，一开始就瞄准了当代最先进的第3代飞船——三舱式载人飞船。

　　走进神舟飞船

　　神舟飞船由轨道舱(也叫工作舱)、返回舱(又称座舱)、推进舱(或叫服务舱、设备舱、仪器舱)和一个过渡段组成。其中载人的轨道舱、返回舱可谓“一室一厅”。作为“一室”的返回舱是航天员在发射、返回和驾驶飞船时呆的地方；作为“一厅”的轨道舱则是航天员工作和休息的场所。

　　轨道舱位于返回舱前面，这是为了增加航天员的活动空间。它里面装有多种试验设备和实验仪器，可进行对地观测。其两侧装有可收放的大型太阳能电池翼、太阳敏感器和各种天线以及对接机构。如何处理轨道舱，神舟飞船采取了不同于其他飞船的做法。国外的做法是：航天员返回后，飞船的轨道舱就废弃在轨道上了。中国的神舟飞船却具有“留轨利用”的功能。留在轨道上的轨道舱由太阳能电池翼继续供电，舱内的仪器设备能在无人值守的情况下，像卫星一样自主地工作半年左右，因此能充分发挥飞船的“余热”。

　　返回舱位于飞船中部，是飞船的控制中心，因而必不可少。通常采用无翼的大钝头旋转体，这种外形具有结构简单、工程上易于实现等特点。其为密闭结构，前端有舱门，供航天员进出轨道舱使用。舱内设置了可供3名航天员斜躺的座椅，座椅前下方设有仪表盘和控制手柄、光学瞄准镜，还装有通信设备等最必需的设备。

　　另外，在太空飞行时，光线的明暗对比度极大，交替变化也很快，一般很难适应，并有可能造成视觉幻象，因此返回舱均有特殊的照明系统，甚至有亮度达500流明以上的摄影灯，以便对接、拍摄等。舱内柔和的光线和明亮的亮度，可使航天员清楚地分辨仪表的读数。这些仪表通常只显示飞船的飞行高度等运动参数和氧气量等工程参数，而不显示航天员的生理参数。

　　为保持航天员高效率工作，返回舱内的大气压力和成分、供氧、二氧化碳和水汽的清除、水和食物、航天服等都要做细致研究。在这方面有多种方法可供选择。例如，返回舱既可保持海平面的大气压力，并维持普通空气成分，使航天员如履平地，也能采用低压纯氧的方法。后者可使座舱壁做得薄些，减轻飞船质量，但易着火。供氧也有高压气氧、低温液氧和固体化学供氧等多种方法。它们有的简单、可靠，但体积和质量大；有的虽小巧，但技术复杂。

　　飞船再入大气层时，返回舱在距地面40公里左右的高空就能急剧减速，造成的峰值减加速度(也叫最大过载)为8克左右(采用半弹道式路径返回方式可达3～4克)。这样的减加速度，经过选拔和训练的航天员是可以承受的。

　　推进舱紧接在返回舱后面，通常安装推进系统、电源、气瓶和水箱等设备，起保障和服务作用，即为飞船提供动力，进行姿态控制、变轨和制动，并为航天员提供氧气和水。推进舱的两侧还装有20多平方米的主太阳能电池翼。

　　过渡段在飞船顶部，用于与其他航天器对接或空间探测。飞船顶部还有一个高8米的逃逸救生塔，它装有10台发动机。在发射飞船的火箭起飞前900秒到起飞后160秒期间(0～110公里)，如发生故障，它能拽着返回舱和轨道舱与火箭分离，并落到安全地带，使船上的航天员转危为安。

　　目前，载人飞船还是一次性的，要想重复使用它，需解决两大关键问题：一是座舱热防护层能经受1000oC以上高温；二是返回着陆系统可保证准确着陆和很小的着陆速度。国外正从这两方面入手研制可重复使用的载人飞船。

　　四艘飞船步步高

　　至今，中国已成功发射了4艘“神舟号”试验飞船，它们均是以中国空间技术研究院为主研制的。

　　神舟1号的发射创多项第一。它首次采用了“三垂”新模式，即在厂房完成对飞船、火箭联合体进行的垂直总装和测试，然后将其整体垂直运至发射场，最后进行垂直测试与发射。中国在原有的航天测控网基础上新建的符合国际标准体制的陆海基航天测控网，也在这次发射试验中首次投入使用。飞船在轨运行期间，地面测控系统和分布于公海的4艘“远望号”测量船对其进行了跟踪与测控，成功地进行了一系列科学试验。

　　与神舟1号试验飞船相比，神舟2号飞船的系统结构有了新的扩展，技术性能有了新的提高，飞船技术状态与载人飞船基本一致。神舟2号首次在飞船上进行了空间天文和空间物理及微重力环境下的空间生命科学、空间材料等领域的实验，其中包括：半导体光电子材料、氧化物晶体和合金等多种材料的晶体生长实验；蛋白质和其他生物大分子的晶体生长实验；植物、动物、水生生物、微生物及细胞和细胞组织的空间环境效应实验等。飞船在轨运行期间，各种试验仪器设备性能稳定，工作正常，取得了大量宝贵的飞行试验数据。

　　神舟3号的飞船技术状态与载人状态完全一致。通过这次发射试验，运载火箭、飞船和测控发射系统进一步完善，提高了载人航天的安全性和可靠性。飞船上装有人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备以及形体假人，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数。它可以模拟航天员在太空生活时的多种重要生理参数：脉搏、心跳、呼吸和饮食等，并随时受到地面指挥中心的监控。

　　与第2次飞行试验相比，神舟3号飞船还增加了逃逸与应急救生功能。逃逸功能是在飞船的待发和上升段，一旦出现危及航天员生命的情况，可以发出一条指令，把装载航天员的舱体与火箭分离开来，让航天员得以逃生。逃逸功能的实现，可以通过地面发出指令控制，也能由飞船自行实施。

　　神舟4号是目前中国发射的最完善的飞船。其飞行试验是无人状态下考核最全面的一次飞行试验，其中包括飞船和火箭系统、测控系统、航天员系统、陆海应急救生系统、主着陆和备用着陆场等。

　　这艘飞船在充分继承前3艘无人飞船成熟技术的基础上，增加了人工控制和在轨自主应急返回等多项功能，以便进一步考核飞船系统的工作性能、可靠性和安全性，获取航天员在船上的生活环境和与航天员安全相关的数据。

　　其实，此前成功发射的神舟2号和3号飞船已具备了载人条件。在那两次飞行试验中，与载人有关的功能和性能都经受了真正的发射、太空环境和回收的考验，并证明是达标的。而神舟4号又作了一些改进和提高，特别是提高了安全性。为了确保航天员的安全，共设计了8种救生模式，以确保飞船发射后的不同阶段若出现意外都能保证航天员安全返回地面。

　　此外，还对所有材料进行了化验检查，在满足医学指标的基础上，进一步从工效学的角度，对飞船内部设施进行了优化，使其符合人的生活、工作习惯。例如，调整了仪表的颜色、大小，并考虑到各种仪器、开关在失重状态下的操作特点，增加了关键事件的语音提示和重要操作事件的时间提示。

　　神舟4号是目前惟一一艘经过“装修”的飞船。科研人员按照载人要求，对飞船内的电缆、管路等进行了保护，并在选择颜色时煞费苦心。此外，神舟4号的所有舷窗玻璃都换成了一种新材料，保证完成航程返回再入大气层后，舷窗透光性能良好，可使航天员着陆后能可靠地判断着陆地形，决定是否脱掉主伞。

　　航天员系统和飞船环境控制与生命保障分系统全面参加了试验，以进一步验证飞船内载人环境参数和环境控制及生命保障分系统飞行状态。神舟4号上天之前，训练中心的预备航天员进入飞船进行了实际体验。

　　另外，与以往飞船发射不同的是，这次在飞船里安置了2个穿航天服的模拟人。而神舟3号曾经配置了1个“模拟人”。它们能够定量模拟人在太空中的重要生理参数，如脉搏、血压、呼吸和饮食等，通过地面监控对船内各系统进行全面考核，便于对获得的大量数据进行分析，进一步验证船内载人的安全性、可靠性，为中国今后真正实施载人飞行奠定基础。以“模拟人”这种无生命载荷取代动物，在飞船内模拟、检验飞船载人状态，这是中国科学家在世界上的首创。中国科学家自上个世纪90年代初开始从事这项工作，至今已有10多年的历史。

　　神舟4号飞船载有52件科研设备，在太空自主飞行和留轨飞行期间进行了微波遥感对地探测、空间环境综合监测、微重力流体物理实验和生物技术研究实验4项科学研究。

　　与前3艘飞船不一样的地方还有：为了应对由于气象等原因飞船不能返回到内蒙古中部主着陆场的情况发生，提高返回的成功率，神舟4号飞船具有返回酒泉副着陆场的能力。如果飞船应急返回的话，利用船上的世界地图，可选择着陆区，当时各着陆区的返回启动时间和程序都已具备。按照正式载人飞行的要求，这次试验飞行还设立了若干陆上应急救生区和海上应急救生区，部署了海上应急救生船和几十架飞机，救护人员到位并进行了有关演练。

　　万众瞩目的神舟5号

　　中国已经发射成功的4艘神舟飞船，基本上都是在相对较为寒冷的季节发射升空的。那么，这种情况究竟是偶然的巧合，还是因为其他原因呢？

　　航天发射是一项庞大的系统工程，飞船上天后，要由中国的航天测控网对飞船实施测控管理和回收。这个测控网由多个国内测控站、国外测控站和中国的4艘“远望号”远洋航天测量船组成。在对飞船实施测控的过程中，远望1、2、3和4号远洋航天测量船同时分布在太平洋、印度洋和大西洋的指定海域，除了远望1号外，其他3艘测量船的任务海域都在纬度相对较高的南半球。那里的海况在南半球的春夏季节要好一些，秋冬季节则极为恶劣，尤其是在冬季，不要说在海上执行航天测控任务，就是正常航行都难保安全。为此，神舟飞船的发射要尽量避免安排在南半球的冬季。

　　据悉，神舟5号将定于白天发射。而以往神舟飞船的发射时间一般在凌晨和子夜，这是出于什么原因呢？最重要的原因是便于飞船发射升空时，地面的光学跟踪测量仪易于捕捉到目标。而神舟5号选择白天发射，主要是考虑到白天温度将有利于发射人员工作，也易于在意外情况发生时，充分保障航天员的人身安全。

　　据悉，神舟5号与神舟4号基本相似，所不同的是神舟5号的头部是圆柱体，而神舟4号的头部是半球体；神舟5号舱内比较空，为的是尽可能给航天员留出空间，神舟4号里面则装满了实验仪器和物品。

　　实现载人飞行，确保航天员安全是关键。针对航天员的安全问题，神舟5号总设计师戚发轫院士说，中国有信心保证航天员的安全。他说：“我们在设计飞船时有一个原则，就是飞船的每一个系统要做到‘一次故障，正常飞行；两次故障，安全返回’。换句话说，当一个系统第一次出现故障时，要做到飞船能正常运行，出现第二次故障时，能保证航天员安全返回。”

　　神舟5号飞船认真汲取前4艘飞船的研制经验，在诸多关键技术方面又进了一步，安全性、可靠性万无一失。比如，轨道舱和返回舱连接处需要多个螺栓来加固，但当两个舱在太空分离时，螺栓需要立即“松绑”，也就是“连要连得可靠，断要断得干脆”。这就是舱段之间的连锁技术。通过前几次上天测试，这项技术将在神舟5号得到升华。此外，像飞船如何进行空中姿态调整，穿过稠密大气层时如何不被烧蚀，如何利用空气作用安全着陆等技术环节，在总结以往经验的基础上都一一得到完善。

　　中国载人航天的“三步走”战略

　　中国载人航天将实施“三步走”的发展战略。中国在成功发射4艘无人试验飞船的基础上，即将实现载人飞船的历史性突破，然而这只是第一步。第二步是除继续用载人飞船进行对地观测和空间试验外，重点要完成出舱活动、空间交会对接试验和发射长期自主飞行、长期有人照料的空间实验室，尽早建成中国完整配套的空间工程大系统，解决中国一定规模的空间应用问题。第三步是建造更大的长期有人照料的空间站。换句话说，中国载人航天工程“三步走”战略就是实现载人航天、解决空间交会对接技术并向太空发射短期有人照料的空间实验室、建造长期有人照料的空间站。

　　因此，未来几年，中国将突破以飞船交会对接、空间实验室、卫星组网和月球探测等为代表的一批航天关键技术。这批关键技术的突破，不仅为实现载人航天，还将为中国今后进行深空探测、和平利用外层空间做准备。

来源：《Newton-科学世界》杂志