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发信人: ersy (Green Mouse), 信区: Aero
标  题: 千年梦圆:“神舟”系列飞船发展历程揭秘(8) 
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri Oct 31 08:13:54 2003), 站内信件

　　(3) 载人前的最后一次发射 

　　2002年12月30日至2003年1月5日，神舟4号再次经历了类似前2艘无人飞船的空间飞行
试验。它是载人飞行前的最后一次飞行试验，也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
。 

　　安全是载人航天工程考虑的首要问题。神舟4号飞船进一步完善了飞船应急救生系统，
从飞船起飞到着陆都精心设计了救生方案。 

　　在飞船起飞时，航天员可以启动飞船发动机工作，拉开与运载火箭末级的距离。飞船
入轨后发生故障时，飞船上备有应急返回装置，可由航天员启动，不需要地面支持，能在
短时间内返回到应急着陆区。 

　　为了能让航天员在特殊情况下进行手动操作，飞船增加了手动控制系统，使航天员能
够自主控制飞船的姿态和轨道，并可以与自动系统交叉备份；为防止误操作，关键指令的
发出都必须经过多步完成，并能迅速显示飞船执行命令的情况。飞船上使用了液晶显示面
板，容易操作和记忆。在飞船返回时，如果遇到气候异常等原因不能返回到主场时，可返
回到副着陆场。在着陆前，航天员将关闭返回舱舱门，飞船新增加的舱门快速检漏仪器将
检查舱内的密封性，保证不将空气泄漏到太空。 

　　从神舟1号到神舟4号，长征2号F火箭解决了一系列技术难点，并首次在国内火箭上采
用多项新技术，其中10项关键技术达到了国际先进水平。 

　　发射载人飞船的运载火箭，不仅要具有大的运载能力，而且因为要“载人”，所以一
般要比发射卫星的运载火箭具有更高的可靠性和安全性。长征2号F火箭的独特之处就在于
中国自己制造的火箭首次按照安全性进行设计，可靠性指标由不载人火箭的0.91提高到0.
97，即发射100次火箭可能只有3次出现问题；航天员安全性指标为0.997，即发生1000次危
险，只有3次救助失败。标有“中国制造”的火箭的可靠性和安全性指标都已达到国际载人
火箭的先进水平。 

　　为实现可靠和安全的目标，在这次长征2号F火箭飞行中，火箭的故障检测系统和逃逸
系统的表现格外令人关注。国外航天技术发展的历史可以证明，威胁航天员的故障大多发
生在火箭飞行段。因此，解决火箭故障检测技术和逃逸技术，是一项世界性的难题，也是
载人火箭独有的技术。比如，联盟号飞船逃逸系统两次成功救出航天员的宝贵生命，而挑
战者号航天飞机由于缺乏逃逸系统，酿成了世界航天史上最惨痛的悲剧。 

　　此次神舟4号飞行试验，再次对故障检测处理系统和逃逸系统进行了改进。例如，为提
高故障检测系统接收信号的可靠性，把有些信号由一路“传递”，增加到三路“传递”；
故障检测系统的关键部位或重要信号采用“双岗制”，只有两个或两个以上信号都“举手
表决”，才能正常工作。逃逸系统则在设计时充分考虑航天员的安全要求。这一系统上的
栅格翼，犹如风筝的尾巴，让风筝不会在天上“折个儿”。通过这个栅格翼，可保证救助
时飞行器的稳定性，满足航天员的安全要求。火箭整流罩里的灭火装置，则能够保证逃逸
时飞船的安全。 

　　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，这次神舟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也全面参加了试验，以进一步验证飞船
内载人环境参数和环境控制与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两个穿航天服的模拟人，科技
人员为他们布置了一个安全、舒适的“家”。“家”里用淡黄色阻燃布做壁纸，照明灯经
受超过连续2000多个小时的考验，观测窗口是用特殊的双层光学玻璃做成的，表面还镀有
增加透光率的薄膜。为了让航天员在失重条件下活动自如，在太空舱内还新装了多个扶手
及航天员物品柜等设施。在108圈的空间飞行中，每一圈航天员都可以同地面保持几分钟到
十几分钟的可视通话。考虑到航天员的隐私，舱内的摄像头还可以调节方向。 

　　为了检验“家”的舒适度，科技人员模仿航天员穿起航天服，反复演练如何进家门、
出家门，如何在密闭、狭小的环境下生活，如何操作各类仪器，如何处理各种紧急情况等
等。 

　　神舟4号飞船搭载模拟人，旨在对船内环境控制与生命保障系统进行全面考核，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号飞船应用系统开展了8项在轨应用任务的科学和技术研究，包括多模态微波遥
感器对地观测、综合精密定轨实验、综合性空间环境预报和监测、空间细胞电融合实验研
究、生物大分子和细胞的空间分离纯化实验研究、微重力流体物理实验研究、有效载荷在
轨技术支持系统实验等。共有52件有效载荷设备随神舟4号飞船升入太空，除了公用设备、
大气探测器、微重力测量仪等19件设备已经参加过此前的飞行试验外，多模态微波遥感器
、空间细胞电融合仪、高能粒子探测器等33件科研设备是首次上天。例如，首次搭载的数
字遥感测定仪，用于对地面和海洋的物理状况进行数据采集和分析。 

　　在神舟4号飞船上举行两场筹备了10年的同性细胞的“太空婚礼”。一对动物细胞“新
人”是B淋巴细胞和骨髓瘤细胞，另一对是植物细胞“新人”——黄花烟草原生质体和革新
一号烟草原生质体。专家介绍说，在微重力条件下，细胞在融合液中的重力沉降现象将消
失，更有利于细胞间的配对与融合。此项研究还为空间制药探索了新方法。 

　　被用作“新郎”和“新娘”的细胞都是同性的体细胞，而非生殖细胞。细胞在空间进
行融合实验后，“新郎”和“新娘”将被完全融合成一种新的细胞；返回地面后，这些新
细胞是含有“新郎”与“新娘”所有基因的新品种。作为“新房”的电融合仪，是中国科
学院上海技术物理研究所研究人员研制成的。它是一个不大的黑色小盒子，植物细胞和动
物细胞的两项融合实验都同时在里面进行。 

　　作为国际生物技术领域的前沿课题，神舟4号电融合实验已成为社会各界关注的焦点。
迄今为止，还未检索到在空间成功进行动物细胞融合实验的报道。该实验在空间微重力条
件下进行细胞融合，可以提高细胞融合率，为未来空间生物制药等产业的发展做一些探索
。 

　　发射前夕，科技人员在基地的空间细胞电融合实验室里，按不同的时间段精心培育了
8批次植物苗。神舟4号飞船上用于植物融合的细胞就是从它们之中提取的。 

　　由于细胞的密度是不同的，因此在地面上受重力影响细胞的融合是一个难题，细胞配
对融合非常困难。在微重力条件下，重力的沉降现象消失了，从理论上讲细胞更容易组合
。细胞融合对于植物的研究既是一个分析手段，又可以成为一个有力的合成手段。融合后
的细胞为细胞遗传物质的修饰提供了各种各样的可能性，尤其在生物制药上有更深远的意
义。比如说，可以设想，细胞融合技术发展后，可以把人参和虫草的细胞融合，产生新的
品种，具备它们各自特有的药效，这是非常有意义的事。 

　　此次飞行中的动物细胞融合实验研究采用的是小白鼠淋巴细胞和骨髓瘤细胞。淋巴细
胞可以产生抗体，但不能繁殖，而骨髓瘤在体外可以无限繁殖。利用它们的各自优势进行
细胞融合，将可以得到能够在体外产生单克隆抗体的杂交体，用以产生单克隆抗体。在地
面，这两种细胞的融合率大约为10～4到10～5左右。这些空间细胞融合实验利用神舟4号飞
船在轨飞行时处于微重力的条件，进行细胞的融合，来验证几年来进行的地面研究的结果
，力争在实验方法和技术上有所突破，为未来的空间制药进行有益的探索。 

　　神舟4号把国内现有的各种用于空间环境探测的仪器都纳入到空间环境监测系统中，装
上了飞船，在飞船发射、运行、返回及留轨运行期间，进行实时空间环境监测，及时将“
空间天气”情况通报给飞船控制管理人员，为未来载人打下基础。这项任务首次对空间环
境进行了系统、全面的探测。 

　　在神舟4号飞船上，空间环境的探测仪器包括安装在附加段的高能质子重离子探测器、
高能电子探测器、低能粒子探测器及安装在返回舱的固体径迹探测器。这些探测器对轨道
空间的各种带电粒子进行监测。而单粒子事件探测器和两台表面电位探测器将监测这些带
电粒子引起的单粒子效应和飞船表面充静电电位。曾在神舟2号和神舟3号上发挥过重要作
用的大气密度探测器和大气成分探测器，在神舟4号上继续密切关注轨道大气的密度和成分
变化。 

　　与国外同类仪器相比，这些探测仪器具有质量、体积和功耗小的优势，在综合性能上
具有一定的先进性，更重要的是它们将首次获得飞船轨道空间的第一手综合性资料。这对
实时保证神舟4号飞船的在轨安全，研究飞船轨道空间的“空间天气”状况，保障正式载人
飞行的安全均具有十分重要的意义。 

　　飞船返回舱返回后，留在轨道舱的探测仪器继续在轨工作半年。它们的实时监测结果
对研究“空间天气”的变化规律及对飞船的影响，开展“空间天气”预报十分重要。 

　　多模态微波遥感器是我国第1台实验性的微波遥感系统，也是神舟4号飞船有效载荷应
用任务中的重头戏。与可见光和红外遥感相比，微波遥感器有其独特的优越性，它不受云
、雷、雨的限制，可以全天时、全天侯工作，而且对土壤和植被具有一定的穿透能力。这
一任务由3种微波遥感器担任“主角”，即微波辐射计、雷达高度计和雷达散射计。它们主
要用于海洋观测，同时兼顾陆地和大气遥感观测。 

　　微波辐射计主要用于探测土壤温度、降水、大气水汽含量、积雪、土壤成分和海面温
度，另外还可以得到植被生长情况，对农作物进行估产。 

　　神舟4号上安装的高度计测量精度优于10厘米，根据高度计的测量可获得海浪的有效波
高和海洋环流等海洋动力学参数。这种测量方法是目前能对全球范围的海水、海冰表面进
行全天候、连续、实时高精度测量的惟一手段，对全球军事和自然灾害研究有十分重大的
意义。由于高度计测量的是飞船到海面的相对距离，如要得到海平面高度还要依赖精密定
轨获得的数据。 

　　雷达散射计在测量机理上采用了国际上先进的圆锥扫描方法。这种方法只有美国在卫
星探测中使用过。它可以测量海面风速与风向，从而测到海面风场，可应用于海洋动力研
究、海况预测及灾害监测等许多方面。 

　　这“哥仨”在太空中组成复合观测模式，可获得更全面、丰富的信息。这项技术在我
国是首创的技术，它减小了载荷质量，缩小了体积，降低了功耗，可以获得对同一观测区
域的不同遥感数据。通过对这些数据的融合处理，不仅可以得到目标全面的观测信息，而
且也能对三种遥感器各自体制进行技术验证。 

　　为了配合多模态微波遥感器对地观测系统的实验，了解天上飞行的飞船到底离我们有
多远，我国首次在神舟4号上进行了综合精密定轨实验，以便使在预定的定轨区域内的径向
测量精度提高到2到3米，力争1米，从而对国内低轨卫星轨道的精确测量工作起到促进作用
。 

　　这次的精密定轨实验主要采用3种方法进行，再结合动力学和几何学的方法，对观测资
料进行处理，以精确确定飞船的运行轨道。 

　　第1种方法是利用GPS，测量仪器装在飞船内，它可以实时获得飞船全球定位的观测数
据，再经过进一步的计算，得出最终数据。 

　　第2种方法是统一S波段测速测距系统，这是国际常规测轨手段之一，也是飞船上已有
的手段。这种方法不受天气条件的影响，测速精度较高。 

　　第3种方法是激光测距系统。科研人员在飞船的腹部装上激光反射镜，在飞船到达测控
区时，从地面发射出激光束，打到飞船的反射镜后反射回地面的接收设备，来测量飞船的
在轨高度。这种方法在观测条件好的时候，可以获得厘米量级的测量精度，可作为精密定
轨的校验手段来判断定轨结果的准确程度。 

　　神舟4号有效载荷实验中，包括首次在长时间稳定的微重力环境下进行的空间微重力流
体物理科学实验，这一实验如同在太空开一场别开生面的“舞会”。神舟4号飞船的空间飞
行提供了长时间的微重力环境，人们期待着这场精彩的太空“舞会”能在流体力学的基础
理论研究上取得新的突破。 

　　与细胞融合实验正好相反，在神舟4号上还第一次进行的生物大分子和细胞的空间分离
纯化实验，是将生物样品利用电泳的方法分离提纯。 

　　神舟4号飞船发射前一周，“生物大分子和细胞的空间分离提纯实验”进行了最后一次
地面电泳实验研究。实验用生物样品与太空飞行使用的是同一批样品。经过电泳实验分离
提纯后，在电场的作用下，细胞色素C分子与牛血红蛋白分子分离开，在透明的玻璃试管中
分别呈现出淡黄色和淡粉色。这次太空实验样品的太空连续分离时间设计为1小时，实验中
，样品被分级收集并在太空中进行光电检测，检测仪器与陆地完全一致。 

　　我国首次在太空进行的电泳实验重在掌握空间电泳的基本技术和方法，主要目的是研
究微重力环境下电泳迁移率及各种影响因素而导致的动态过程稳定控制、分辨率控制以及
空间制药分离纯化设备的设计技术等问题。 

　　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，这次试验飞行也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。 

　　神舟4号飞船按预定计划在太空飞行了6天零 18小时，环绕地球108圈。飞船在轨运行
期间，北京航天指挥控制中心统一调度分布在三大洋上的4艘远望号航天测量船及各有关地
面测控站，按照预定的测控方案，对飞船进行了持续跟踪、测量与控制，向飞船发出了一
系列遥控指令和控制数据，从而确保飞船在太空成功地实施了太阳能帆板展开、轨道机动
、姿态确定等数百个动作，并进行了两次轨道维持。 

　　飞船在轨飞行期间，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
试验数据和科学资料，圆满完成了预定试验任务。 

　　神舟4号飞船的返回舱运回北京后由科研人员对飞船及试验项目进行技术分析和科学研
究。飞船轨道舱继续在轨运行并进行有关的空间科学和应用试验。 

　　截至2003年4月15日，该轨道舱已在太空正常运行了100天，环绕地球飞行1700余圈，
顺利开展了空间环境监测、对地遥感观测和红外探测等一系列空间科学实验，获取了一大
批有价值的科学数据。其中首次进入太空的多模态微波遥感器，已利用辐射模态探测了降
水、水汽含量、积雪、土壤水分和海面温度，利用高度模态探测了海面高度、有效波高与
大洋环流，利用散射模态探测了海面风速与风向等有关信息。目前，科技人员正在对这些
数据进行分析处理。北京航天指挥控制中心在对神舟4号飞船轨道舱的长期管理中，先后进
行了多次轨道维持和飞行模式转换，累计对飞船轨道舱注入数据300余个，发出遥控指令1
000余条，圆满完成了在不同飞行控制模式下预定的各项载荷实验，掌握了飞船轨道舱长期
管理的一系列关键技术。 

　　总之，在这次飞行中，载人航天应用系统、航天员系统、飞船环境控制与生命保障分
系统全面参加了试验，先后在太空进行了对地观测、材料科学、生命科学试验及空间天文
和空间环境探测等研究项目；预备航天员在发射前也进入飞船进行了实际体验。飞船在轨
飞行期间，船上各种仪器设备性能稳定，工作正常，取得了大量宝贵的飞行试验数据和科
学资料。 

　　神舟4号有效载荷中的公用设备与神舟2号、3号相比几乎完全一致，只是根据神舟4号
飞船上不同有效载荷和不同需求作了局部的适应性修改。在公用设备的系统设计中，对于
主要数据通路和主要设备都采取了双冗余备份，主设备万一出现故障，将进行系统重构，
切换为备份设备工作，避免了单点失效，确保飞船上各项科学实验顺利进行。但从神舟2号
、3号在轨运行情况来看，公用设备具有很高的可靠性，主设备工作正常，到目前为止还从
未使用备份设备工作。 

　　这次空间试验是我国首次对飞船运行轨道的空间环境进行了大规模、全方位的监测，
初步探明了神舟飞船运行轨道的空间环境状况，并为神舟5号飞船的安全出行做好了“路况
示意图”。 

　　神舟4号飞船安装了高层大气、高能辐射、低能辐射等11台设备，将飞船轨道经过的空
间环境综合情况全部记录下来，为准确进行空间环境预报提供了第一手资料。据介绍，20
00年至2001年是太阳活动期，神舟4号飞船发射到今后几年内是空间环境的宁静期，这样的
空间天气，非常有利于神舟5号飞船的安全出行。 

　　专家已绘制了一张空间带电粒子示意图，以红色表示一些特殊区域，这是我国首次获
得的空间带电粒子示意图，这个红色区域被称为“南大西洋高危区”，飞船在经过这里时
每秒钟会遭遇几十万个带电粒子。但这些粒子不会进入飞船内部，神舟5号飞船穿过这个区
域时，建议航天员不要在这时出舱。 

　　神舟号无人试验飞船的每一次发射都是在前一次发射的基础上向上提高了一步。通过
这4次无人飞船的飞行试验，为即将升空的神舟5号载人飞船的上天奠定了坚实的技术基础
，积累了有关的经验。 

未完待续…… 
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  老鼠怕猫？
    那是谣传！^-^ 




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