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发信人: dxmxqe (在等待), 信区: Aero
标  题: 神舟号飞船发展概况
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年02月14日09:40:07 星期六), 站内信件

    古老的中华大地很早就有嫦娥奔月和万户飞天等神话和传说。2003年10月15日，炎黄
子孙终于盼到了这一天的到来。这一天，我们期待已久的第一艘载人飞船神舟5号顺利升空
，并于次日安全返回，实现了中华民族千百年来的飞天梦想，也打破了美国和前苏联/俄罗
斯在这一领域的多年垄断格局，使中国成为世界上第三个独立自主研制并发射载人航天器
的国家。这对世界载人航天事业的发展和振兴中华会起到巨大的推动作用。

    1.载人航天为哪般

    俗话说，天高任鸟飞，海阔凭鱼跃。人类在漫长的社会进步中不断扩展自身的生存空
间。现在，人类的活动范围已经历了从陆地到海洋，从海洋到大气层空间，再从大气层空
间到太空的逐步发展过程。人类活动范围的每一次扩展都是一次伟大的飞跃。

    历史上，远洋航海技术的兴起，导致了世界贸易的发展、世界市场的开辟和近代科学
的一系列成就，开始了一个"全球文明"的时代。当代载人航天技术的问世，则使人类走出
了地球这一摇篮而到达太空，开始了一个"空间文明"的新时代。

    1957年人类在发射第一颗人造卫星时，谁也不曾想到，40多年后的今天卫星会有如此
广泛的用途，成了当代社会中必不可少的基础设施。

    载人航天是航天技术向更高阶段的发展和延伸。不过，由于载人航天技术与无人航天
技术有很大差别（主要反映在安全性、复杂性和成本高三个方面），所以从1961年第一名
航天员上天到现在，它还没有表现出特别明显的用途。但从可以预见的未来来看，人类现
在面临的资源枯竭、人口急增等急待解决的几大问题，只有通过走出地球、扩大人类生存
空间来解决。即使在当代，发展载人航天也可以起到以下作用：

    首先，它能体现一个国家的综合国力和提升国际威望。航天技术的水平与成就是一个
国家经济、科学和技术实力的综合反映。载人航天的突破--用本国载人航天器将航天员送
入太空并安全返回，更是一个国家综合国力强大的标志。发展载人航天需要依靠先进的技
术水平、发达的工业基础和雄厚的经济实力。迄今为止，只有前苏联/俄罗斯和美国实现了
载人航天。其他拥有一定航天技术基础或较强经济实力的国家，虽欲染指载人航天，但因
力不从心，所以只能求助于与俄美合作，出钱出资，用俄美的载人航天器将本国航天员送
上太空，以图逐步加入世界"载人航天俱乐部"。邓小平同志曾经说过：没有两弹一星就没
有中国的大国地位。我国航天员进入太空，也能像上世纪六七十年代我国拥有"两弹一星"
那样，引起全世界注视，提高我国的国际地位，振奋民族精神，增强全民的凝聚力。

    其次，它能体现现代科技多个领域的成就，同时又给现代科技各个领域提出新的发展
需求，从而可大大促进整个科技的发展，并将为培养和造就航天科技人才做出贡献。例如
，就载人航天器本身的研制和运行而言，它对通信、遥感、推进、测量、材料、计算机、
系统工程、自动控制、环境控制和生命保障等技术提出了很高的要求，因而大大推动了这
些技术的进步。

    20世纪60年代美国阿波罗载人登月计划的实施，使美国产生了液体火箭、合成材料和
计算机等一大批高度发达的工业群体。后来，其人工智能、机器人和遥控作业等技术又转
移到其他领域，带动了整个科技的发展与工业繁荣。这些技术的应用效益远远超过了阿波
罗计划本身所带来的直接经济与社会效益。

    在太阳照射的一面，月球表面的温度可高达110摄氏度。实施阿波罗载人登月工程时，
为了降温和确保登月航天员的生命安全，科学家研制了一种液冷服，其原理是靠泵输送冷
水循环制冷。后来，这项技术直接应用于陆海空三军，改善了坦克兵、潜艇兵和飞行员的
工作条件，提高了战斗力。它还为一些特殊病人减少了痛苦。例如，有个小男孩得了外皮
鳞化症，不能通过皮肤散热，大部分时间只能关在空调冷却环境中，许多日常活动都参加
不了。有了液冷服后，便使他可以外出，从病痛和孤独中解救出来。

    再有，载人航天的发展能促进太空资源的开发，为地球上的人类造福。载人航天器所
处的高远位置和微重力等特殊环境，可为科研提供一个理想的实验场所，在推动生命科学
、生物技术及微重力科学与应用等许多方面正发挥着重要作用，并有望使一些前沿学科取
得突破性进展，为人类带来巨大的效益。一些国家已经在太空制药、太空育种和太空材料
加工等领域取得显著成果，并准备建造太空工厂，其效率和效益不可限量。

    再次，地球能容纳的人口是有限的，大约80～110亿，因此有些人已经开始研究向外空
移民的方案了。地球上的能源也日益紧张。是否可以到别的星球上开发矿藏呢？这是科学
家所关心的一个问题，而且已不再是天方夜潭。类似载人登月等许多原来可望不可及的神
话和幻想，如今已有不少都变成了现实。

    最后，载人航天还具有巨大的军事潜力。载人航天器可用于很好地完成侦察和监视任
务，灵活部署、修理和组装大型军用卫星，安全而连续地指挥和控制地面军事力量，并可
作为特殊武器的试验场。例如，早在1965年12月，美国双子星座7号飞船上的航天员就曾用
红外遥感器监视和跟踪了一枚潜射导弹的发射，所获信息比潜艇上的观察人员报告的还要
快。第一、第二次海湾战争期间，和平号空间站与国际空间站上的航天员也曾对战区进行
了大量观测活动，取得了许多有用的信息。


    2.不平凡的发展历程

    正是由于载人航天前景十分广阔，所以现在正日益走红。越来越多的国家正意欲加入
载人航天俱乐部。我国发展神舟号载人飞船和16国联合建造的国际空间站就是很好的说明
。

    中国是世界上第五个能独立发射人造卫星的国家，很早就拥有了大推力的运载火箭。2
0世纪60 年代中期，在俄、美实现载人航天四五年后，我国航天界的年轻人就曾经酝酿研
制载人飞船。20世纪70年代初，我国曾做出过一个名叫曙光号的全尺寸飞船模型。它为双
舱式结构，构型模仿美国的双子星座号飞船。科学家们为此做了许多防热材料和大型试验
，甚至连飞船运输车和航天员吃的食品都做了出来。但由于当时的政治环境、经济能力和
工业基础等条件不成熟，方案无人问津，最终被束之高阁，不了了之。正可谓"十年一觉飞
天梦，青史未留'曙光'名"。

    20世纪80年代，改革开放带来了航天技术的春天。1986年，中共中央、国务院批准了
《高技术研究发展计划("863"计划)纲要》，把航天技术列为我国高技术研究发展的重点之
一。"863"高技术航天领域的专家们对我国航天技术未来的发展进行了深入细致的论证，描
绘了我国航天技术发展前景的蓝图，一致认为载人航天是我国继人造卫星工程之后合乎逻
辑的下一步发展目标。

    随着我国国民经济和科学技术的不断发展，1992年1月，党中央批准研制载人飞船工程
。自此，我国的载人航天工程正式启动。

    1999年11月20日，我国成功发射了自行研制的第一艘飞船神舟1号，成为世界上第三个
发射宇宙飞船的国家。此后，又分别把神舟2、3和4号送上九重天。那么，至今人类已研制
出宇宙飞船、航天飞机和空间站3种航天器，我国为什么要从载人飞船起步呢？

    按飞行轨道，载人航天器可分为两类，宇宙飞船和航天飞机属于一类，主要用于接送
航天员和货物，且在太空飞行时间一般不超过20天，又可称天地往返运输器；空间站属于
另一类，在太空长期运行，不返回地面，主要用于观天看地、空间科学研究、太空生产和
在轨服务等。所以，研制空间站之前，必须先研制天地往返运输器才行。

    在1992年开始研制载人飞船之前，我国"863"高技术航天领域的专家们曾为研制哪种运
输器这个问题进行了几年的研究，即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，甚至还激烈地争论过。

    载人飞船是一种乘载人员较少（3人以下），在太空作短期（几天至十几天）运行，然
后返回地面的一次性使用航天器。

    航天飞机是一种兼有航天与运载双重功能的载人航天器。它能自行起飞和升空，进入
轨道运行，任务结束后返回地面，在机场上水平着陆，经过整修可再次发射上天。航天飞
机是当前惟一可以部分重复使用的航天器/运载器。

    这两种载人航天器的用途各有侧重，在技术难度上也有较大差别。航天飞机结构复杂
，功能齐全，代表着当代航天技术的领先水平。载人飞船相对说来复杂程度低一些。所以
，从载人航天发展的历史看，前苏联和美国都是从载人飞船起步的，成功后才分道扬镳。

    对此，一部分专家认为，中国可以借鉴国外的技术和经验，采取跨跃式发展，越过载
人飞船，直接发展航天飞机。

    另一部分专家则认为，载人航天对安全性和可靠性要求极高，航天飞机技术虽先进但
难度很大。例如，航天飞机因外形和结构都比较复杂，为了保证它在大气层飞行时的稳定
性及研究再入大气层时受到的严重的空气动力加热问题，需要在高速风洞中完成数万小时
的空气动力试验。为建造航天飞机还需要专门研制能多次点火工作的火箭发动机等。这些
方面我们的基础还很差。此外，研制航天飞机所需投资也太大。相比之下，载人飞船再入
时产生的气动力和气动加热问题，可以在成功的返回式卫星的基础上加以解决。飞船中的
许多功能分系统及设备可以较多地继承卫星的成熟技术和研制经验。为稳妥起见，应循序
渐进，从飞船起步。

    最后，根据我国的国情和国力，遵照"有所为、有所不为"和"有限目标、突出重点"的"
863" 高技术研究发展指导思想，专家们一致同意从飞船起步。同时考虑到我国在运载火箭
和应用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，最终决定一步到位，越过单舱式飞船和双舱式飞船，从当今最先进的飞
船起步，直接研制三舱式载人飞船。他们还为飞船起了一个有中国特色而且非常动听的名
字--神舟号。


    3.性能优异有特点

    神舟号飞船由轨道舱（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）和一个附加段组成。其中载人的轨道舱和返回舱可谓"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。

    轨道舱是航天员在轨飞行期间生活、试验和装货的地方，外形为两端带锥角的圆柱形
。它位于返回舱前面，可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。该舱的后端底部与返回舱相连，并设有一个舱门，与返回舱相通，供航
天员进出用。轨道舱外面装有可收放的大型太阳能电池翼、太阳敏感器、各种天线和对接
机构。

    返回舱外形为大钝头倒锥体的钟形，位于飞船中部，是载人飞船发射和返回过程中航
天员乘坐的舱段，也是飞船的控制中心，因而必不可少。它不仅和其他舱段一样要承受起
飞、上升和轨道运行段的各种应力和飞行环境，而且还要经受返回时再入阶段的减速过载
和气动加热。舱内设置了可供3名航天员斜躺的座椅，设有仪表盘、控制手柄和光学瞄准镜
，还装有照明灯和通信设备等最必需的设备。它为密闭结构，内部有环境控制系统，以保
证舱内充满一个大气压力的氧氮混合气体，并将温度和湿度调节到适宜人体的范围。它的
前端有舱门，供航天员进出轨道舱使用。神舟号的返回舱容积是世界上已有的近地轨道飞
船中最大的一个。

    推进舱也是圆柱体。它紧接在轨道舱后面，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。推进舱安装有4台大推力的主发动机和平移发动机，两侧还装有20多平方米
的主太阳能电池翼。

    附加段在飞船顶部，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（0～110千米）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。

    飞船3个舱段哪个在前、哪个在后是有讲究的。神舟号飞船按在轨道上的飞行状态由前
到后（在发射台上时由上到下）的次序是轨道舱、返回舱和推进舱。飞船的最前端（也就
是轨道舱的前端）还需装有交会对接机构，供在太空与其他航天器（特别是同未来的空间
实验室）交会对接之用。

    那么，神舟号有什么特点呢？

    首先，作为第一代载人飞船，我国的起点很高，越过了单舱式和双舱式飞船，直接研
制三舱式飞船，可乘坐2～3名航天员。前苏联第一代飞船东方号是单人双舱式飞船，美国
的水星号是单人单舱式飞船，航天员只能半躺在座椅上，执行手按电钮或拉手柄等简单操
作。在神舟号飞船中，我国的航天员可以离开座椅进入轨道舱，并在那里开展科学实验活
动。

    其次，神舟号飞船返回时，返回舱落到地面，推进舱被抛弃，而轨道舱则留轨工作半
年左右，这是我国飞船与众不同之处。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。留在轨道上的轨道舱由太阳能电池翼继续供电，舱内仪器设备能在无人值
守的情况下，像卫星一样自主地工作，因此能充分发挥飞船的"余热"。

    再有，为了对飞船提供的航天员生活工作环境进行更加逼真的考核，我国率先在神舟3
号和4号试验飞船上配置了"模拟人"。它们能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。以"模拟人"取代动物
，在船内检验飞船的载人功能，是神舟号飞船研制的又一项中国特色。

    为什么我国不在神舟号飞船上进行动物试验呢？这是因为在早期载人航天时，由于人
类还没有上天，存在许多不确定因素，需要通过搭载动物来进行实验研究。现在这个问题
已经有了明确答案，如俄罗斯航天员波利亚可夫在太空飞行了438天，回来后仍很健康。所
以，我国载人航天试验就不需要再用动物来验证这个问题了。另外，飞船舱内的人工环境
，是靠飞船的环境控制和生命保障系统来创造的。证明舱内的这些系统是否能够满足载人
的需要，不能靠动物试验，因为动物的体形较小，代谢率较低，与人差别很大。再者，动
物到了一个新的环境，可能生病，甚至可能因病导致死亡，这到底是飞船环境的问题，还
是动物本身的问题，难以验证。所以，我国神舟号飞船没有进行搭载动物试验，而是进行
拟人装置试验。这种选择更科学、更合理。

　　另外，神舟号飞船的降落伞是世界上最大的降落伞之一，足有1200平方米。降落伞系
统由引导伞、减速伞、主伞和伞包组成。引导伞用于将减速伞拉出拉直；减速伞将返回舱
的速度从200米/秒降至约80米/秒后与主伞分离；主伞打开后，能把返回舱速度减至6米/秒
。从伞顶拎起，伞衣有30多米长，加上伞绳，一副降落伞几乎有80米长。整个伞铺在地上
有小半个足球场大小，可叠起来却只有一个小提包大，重量仅90多千克。如果用普通航空
降落伞的材料来做这么大的伞的话，体积和重量都会增加3倍以上。简言之，它是神舟号飞
船软着陆的"保护伞"。

    由此可见，神舟号飞船别具一格，技术先进。它实现了中国载人航天的历史性突破。
然而这只是第一步。今后，它将主要承担空间实验室和空间站的运输任务，是天地往返的
运输大动脉。

    其实，细说起来，飞船由结构与机构、环境控制与生命保障、热控制、制导导航与控
制、推进、测控与通信、数据管理、电源、返回着陆、逃逸救生、仪表与照明、有效载荷
和乘员共13个分系统组成。这些分系统是飞船上为完成某一特定功能的仪器、设备或部件
的组合。它们涉及物理（机、电、光、热）、化学、生物、天文、医学和环境等数十个学
科领域。由此也可看出载人飞船所包含技术的多样性和研制的复杂性。

    电源是一切航天器的"心脏"。航天器的绝大多数系统及其设备都需要耗电。飞船所需
的电功率一般比卫星大，但工作时间短，所需的总瓦时数小，所以不仅可以用太阳电池， 
也可以使用化学电池供电。

    飞船在轨道上运行时要保持姿态稳定或将姿态调整到某一方位。它要采用较为复杂的
三轴稳定控制技术。由于飞船质量大，所以产生控制力和力矩的执行机构的能力相应要大
一些。飞船有保持轨道不变或改变轨道的要求，特别是在与另一航天器交会对接时，需要
进行多次变轨机动。飞船返回前要制动减速，脱离运行轨道。这都需要有较强的轨道控制
能力，因而要装备可靠的推进系统和足够的推进剂。

    数据管理系统好比飞船的"大脑"，负责监测和管理船上各系统的工作。

    飞船在轨运行期间，飞船的跟踪信标机要不断发出无线电信号，以便地面测控站或测
控船能通过接收其信号，测量确定飞船的轨道，预报其飞行路线。飞船上的遥测系统负责
把航天员的生理状况和飞船上各系统主要设备的主要参数用无线电传送给地面，使地面人
员及时掌握船上的状况。遥控系统则负责接收和解译地面发来的无线电指令，并传递给有
关系统和设备执行。



    4.复杂的特设系统

    我国曾发射过不少人造地球卫星，但这些都是无人航天器。神舟号载人飞船与它们的
主要区别是增装了环境控制与生命保障系统、供航天员使用的报话系统、仪表与照明系统
、航天服和应急逃生装置等特设系统，以便为航天员提供服务。另外，载人飞船要有较大
的活动空间，结构密封性能一定要好，还要有返回地面所需的装备，即返回着陆系统。所
以，神舟号载人飞船比卫星大，而且复杂得多。

    卫星没有这些设计要求。例如，其舱体不一定要密封，也不需要有大的自由空间，因
而结构较简单，任务较单一，除因特殊用途需要返回地球外，一般是不回收的。

    与卫星相比，飞船有以下特点：

    首先，航天员居留的返回舱和轨道舱必须可靠地密封，使舱内维持在规定的大气压范
围内。当然，绝对密封是不可能的，还需要不断补充气源。但是必须杜绝意外的泄漏，以
免造成灾难性事故。1971年6月30日，3名苏联航天员在返回地面之前全部死于联盟号飞船
里。事故的原因是座舱漏气，而航天员又没有穿上航天服，从而使他们因急性缺氧和体液
沸腾而死亡。

    二是载人飞船必须有环境控制与生命保障系统。它是一个集机、电、热技术及医学与
环境工程于一体的复杂系统，除要维持舱内规定的大气压力外，还负责调节大气中氧和氮
的比例，排除人体呼出的二氧化碳和其他有害气体，保持舱内对人体最适宜的温度和湿度
范围内（温度一般保持在18～25摄氏度）。在失重状态下，飞船舱内的空气不会自然对流
，因此温度和湿度很不均匀，舱内热量也很难排除，故必须配置通风设备，进行强迫对流
通风。它还要为航天员提供饮水、洗涤水、食物、睡袋和大小便收集器等最基本的生活条
件。由于飞船内地方狭小，像卧室、厨房、餐桌、厕所、淋浴和运动器械等豪华设施就只
能割爱了。

    三是高可靠性。人命关天，这是载人航天中最为重要的一点。为了保证万无一失，载
人飞船中一些关键部件要采用双备份甚至三备份，而且在上天前要进行大量的地面测试和
模拟飞行试验，以排除隐患。

    四是必须有应急逃生装置。宇宙飞船上的应急救生装置有弹射座椅、逃逸救生塔和载
人机动装置等。它们在飞行的不同阶段各有各的用途。

    从航天员进入飞船的一刻起，经过发射台准备，运载火箭点火、起飞、上升，飞船入
轨和在轨运行，任务结束后脱离轨道、再入大气层、打开降落伞和软着陆，直到航天员被
地面人员发现并接走为止，整个过程都要配备应急救生系统和预设应急救生方案，以保证
航天员的安全。

    航天飞行中，最容易出现险情的阶段是运载火箭点火、起飞和上升段。飞船在发射台
上与运载火箭对接后，飞船顶端就必须装上由若干支小型火箭构成的逃逸救生塔。从这时
起，直到运载火箭载着飞船飞行到离地面110千米高度为止，一旦火箭出现重大险情，可能
危及飞船和航天员的安全时，逃逸救生塔的火箭就立即点火，拉着轨道舱和返回舱迅速脱
离火箭。飞至安全区域后，逃逸塔和轨道舱被抛掉，返回舱自行返回，并安全着陆。

    如果在轨运行期间飞船出现重大故障，不能继续运行时，就需要提前执行返回程序。
根据当时轨道相对于地面的位置，可选择在主着陆场或应急着陆场着陆；情况危急，刻不
容缓，必须立即返回时，航天员就要立即进入返回舱，乘返回舱脱离运行轨道返回地面。
在这种情况下，返回舱紧急迫降多半会落在公海或境外。返回舱内备有应急生活用品(如食
物、饮水、GPS接收机和通信机等)。航天员将发挥在孤独无援的绝境下的自救生存能力，
等待救援人员的到来。

    安全返回是载人航天的最后一个环节，也不容易。美国哥伦比亚号航天飞机就是在返
回时失事的。对于飞船来讲，返回时要闯过四道"关"：

    一是调姿关，即使飞船从运行姿态调整到返回姿态，包括让轨道舱与返回舱-推进舱分
离。

    二是过载关。飞船高速再入大气层时会产生很大的冲击过载。这一过载必须被限制在
人的耐受范围内。

    三是火焰关。飞船返回时与大气层的剧烈摩擦会产生几千度的高温，因此必须有先进
的防热措施，否则钢筋铁骨也会化成灰烬。返回舱在再入时，要使其用特制防热材料做的
舱底保持向前，以保证在与空气剧烈摩擦所产生的高温、高压下舱内温度的正常。

    四是着陆关，返回舱降入稠密大气层后，回收控制系统开始工作，打开降落伞进一步
减速；着地前，着陆缓冲装置开始工作，使返回舱以很低的速度(2～3米/秒以下)实现软着
陆，保证航天员安全无恙。这最后一关极为重要，否则会功亏一篑，前功尽弃。前苏联一
艘联盟号飞船就曾因在过最后一关时，降落伞伞绳被缠绕住，伞打不开，返回舱以极高的
速度冲向地面，致使船毁人亡。另外还要保证落点精度，以便及时发现营救。前苏联另一
艘飞船曾因落点精度差，结果营救人员一时找不到，使被困在冰天雪地的森林中的航天员
差点被冻死。

    中国是世界上第三个拥有返回式卫星的国家，已成功发射17颗这种卫星，成功返回16
颗。我国熟练地掌握了卫星返回技术，拥有研制高可靠回收系统的丰富经验，从而为神舟
号载人飞船的安全返回着陆奠定了坚实的基础。

    综上所言，载人飞船比卫星复杂得多，成本也极高，而且具有很高的风险性。但正是
由于载人航天器可以由航天员直接操作，大大扩展了航天器的功能和用途，对人类文明和
进步具有不可估量的巨大推动作用。


    5 七大系统一个都不能少

    进行载人航天光有载人飞船是远远不够的。载人飞船的发射、运行和返回，离不开运
载火箭、航天员选拔与训练、载人航天发射场、航天测控网和返回着陆场等系统的支持与
保障。所以，我国载人飞船工程是由载人飞船系统、运载火箭系统、航天员系统、应用系
统、发射场系统、测控通信系统和着陆场系统等7个系统组成。

    运载火箭的可靠性是影响航天员安全最主要的因素。载人航天用的运载火箭除了要有
足够大的推力外，还必须保证高可靠性。发射我国神舟号飞船的长征2号F火箭能把飞船送
入200～450千米高的轨道。该型火箭上增加了故障检测系统和逃逸救生系统（逃逸救生塔
），飞行可靠性达97%，航天员的安全性达99.7%。

    航天员系统具有较大的特殊性。这是一个以航天员为中心的医学和工程相结合的复杂
系统，涉及到航天生命科学和航天医学工程等许多重要领域。航天员系统一般包括航天员
选拔与训练、航天员医学监督与保障、航天环境医学、航天工效学、航天员个人装备、航
天员营养与食品和航天员选训中心等。我国较早建立了航天医学工程试验基地，开展了相
应的研究试验，并从歼击机飞行员中选拔出一批预备航天员进行集训。选出的航天员要经
过包括基础理论和专业理论学习、体质训练和心理训练、专业技术操作训练以及救生与生
存训练等内容的严格基础训练和专业考核，才能承担载人航天飞行任务。

    应用系统的主要任务是利用载人飞船的空间实验支持能力，开展对地观测和环境监测
，并进行材料科学、生命科学、空间天文学和流体科学等实验。

    载人飞船的发射场在选址时，除应具有发射其他航天器的条件之外，还必须更多地考
虑人的安全问题，如雷电天气较少，有较好的空中和地面电磁环境；火箭射向上近百千米
内最好没有高山密林和较集中的居民点等。发射神舟号飞船的酒泉发射场拥有先进、完善
的发射设施，采用了"三垂"模式，即在厂房对船箭联合体进行垂直总装和测试，然后将其
整体垂直运至发射场，最后进行垂直测试与发射。 



    航天员乘坐飞船在太空飞行时，还需要强大的地面支持，靠测控通信系统保持天地之
间的经常性联系。我国载人航天测控网包括北京航天指挥控制中心、西安卫星测控中心、
陆地测控站、海上测控船和连接它们的通信网，其技术达到了世界先进水平。西安测控中
心、各地的测控台站和测控船在北京航天指挥控制中心的指挥调度下，可保证神舟号上升
段的测控通信覆盖率达到100%，并能完成在轨运行和返回阶段重点弧段的测控通信。

    载人飞行必需建设可供返回用的着陆场。由于飞船使用降落伞回收，所以着陆场的要
求不像机场那样高。着陆场的主要任务是完成飞船着陆前后的测量通信、飞船着陆后的搜
索回收、营救航天员和对舱内有效载荷进行处置。着陆场要有足够大的面积，以适应较大
落点偏差的情况。我国根据国情和飞船运行轨道的特点，在内蒙古草原上建造了主着陆场
，并拥有回收1号和回收2号搜索雷达，组建了直升机分队和地面搜索分队，配备了跟踪、
通信、运输和救护等设施。我国还备有酒泉副着陆场，并设立了若干陆上应急救生区和海
上应急救生区，以防备出现各种特殊情况，从而保证每次神舟号飞船的安全着陆和顺利回
收。


    6 试验飞船步步高

    神舟号飞船是以中国空间技术研究院为主研制的。在发射神舟5号载人飞船之前，我国
先成功发射了4艘无人试验飞船。那么为什么要先发射无人飞船呢？

    如上所述，发射载人飞船是一项十分复杂的系统工程，涉及七大系统的协同工作。就
飞船本身而言，它是一个由13个分系统组成的复杂系统，在发射期间要经受火箭发动机工
作期间的冲击、振动和噪声等力学环境，在轨运行期间要经受真空、冷热交变和辐射等空
间环境，最后还要经历再入返回和着陆的过程。飞船的返回舱和轨道舱是航天员在发射和
飞行期间工作和生活的场所，必须为航天员提供合适的大气压力、气体成分、温度和湿度
环境以及安全的冲击、过载、噪声和辐射等环境。在发射期间，一旦运载火箭或飞船出现
严重故障，还要为航天员提供救生手段，确保航天员的生命安全。

    虽然在研制过程中已经做了大量的分析、计算和试验，对设计的正确性进行了验证，
但地面试验毕竟有些条件是模拟的，与真实的发射和飞行条件有差别。因此，必须在发射
载人飞船之前发射几艘无人飞船，对各系统设计的正确性和协调性进行考核；对各系统的
工作性能、可靠性和安全性进行考核；对系统间的匹配性和协调性进行考核；对飞船载人
环境进行考核，获取航天员船上生活环境和与航天员安全有关的数据。通过试验可发现不
足，经过改进再行试验，直到飞船的各项功能和性能完全符合要求。

    4艘神舟号无人试验飞船的发射和飞行试验取得了数据，验证了设计，锻炼了队伍，演
练了程序，从而为神舟5号载人飞船的顺利升空奠定了基础。

    这4艘无人试验飞船每次都有新的改进和提高：

    神舟1号的发射创多项第一。它首次采用了"三垂"新模式。中国在原有航天测控网的基
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
。

    与神舟1号相比，神舟2号的系统结构有了新的扩展，技术性能有了新的提高，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、空间物理及微重力环境下
的空间生命科学和空间材料加工等领域的实验，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以及植物、动物
、水生生物、微生物和离体细胞与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号飞船和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
装置和拟人生理信号设备，即"模拟人"。它能定量模拟航天员在太空生活时的多种重要生
理参数，如脉搏、心跳、呼吸和饮食等，并随时受到地面指挥中心的监控。

    与第二次飞行试验相比，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号是我国发射的最完善的无人试验飞船。它进行了无人状态下考核最全面的一次
飞行试验，其中涉及飞船和火箭系统、测控系统、航天员系统、陆海应急救生系统、主着
陆场和备用着陆场等。这艘飞船在充分继承前3艘无人试验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号又有了一些改进和提高，特别是提高了安全性。为确保航天员的安全，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，使其符合人的生活和工作习惯。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4艘无人飞船中惟一一艘经过"装修"的飞船。科研人员按照载人的要求，对
飞船内的电缆和管路等进行了保护，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，保证再入大气层后舷窗透光性能良好，使航天员能可靠地判断
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这次试验，以进一步验证飞
船内载人环境参数和环境控制与生保分系统的飞行状态。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。

    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和出
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
。

    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，并为"
他们"布置了一个安全、舒适的"家"。

    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，以进一步验证船内载人的安全性和可靠性，为真正实施载人
飞行奠定基础。以"模拟人"这种无生命载荷取代动物，在飞船内模拟和检验飞船载人状态
，这是中国科学家在世界上的首创。中国科学家自上世纪90年代初开始从事这项工作，至
今已有10多年的历史。

    这艘飞船载有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。在这52位
特殊"乘客"当中，除了大气成分探测器等19件设备已经参加过此前的飞行试验外，其他的
空间细胞电融合仪等33件科研设备都是首次"上天"。 例如，首次搭载的数字遥感测定仪，
可用于对地面和海洋的物理状况进行数据采集和分析。

    神舟4号与前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。

    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。轨道舱运行期间，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、有效波高和大洋
环流，利用散射模态探测了海面风速和风向等有关信息。目前，科技人员仍在对这些数据
进行分析和处理。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1000
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。


    7 神舟5号保平安

    神舟5号与神舟4号基本相似，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，而神舟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；二次故障，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
性和可靠性确保了万无一失。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，这项技术在神舟5号上又得到升华。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了完善。

    神舟5号飞船是自动化程度非常高的载人飞船。为保证航天员的生命安全，做到"平安
上去，安全下来"，飞船上配备有多种安全飞行模式。在正常情况下，飞船是完全自动飞行
的；当出现故障时，一般都可以自动切换到备份设备上工作，也能由地面通过遥控进行这
种切换，或由航天员使用自动驾驶仪表上的手动控制功能做这些事。

    8 飞行全过程

    飞船出厂后，先转运到发射场，在发射场进行一系列的系统检查；在确认一切正常后
，固定安装在运载火箭前端。飞船外有整流罩保护其在发射时不受气动热的损害。此时，
飞船处于正装待发状态。临发射前，航天员进入飞船座舱，等待发射。在地面指挥人员发
出倒计时口令"…5、4、3、 2、1，发射"后，随着一声巨响，运载火箭点火升空，飞船随
即开始其神奇的航天之旅。具体发射、飞行和返回步骤简述如下：

（1）火箭起飞；
（2）助推器分离；
（3）一子级火箭分离，抛整流罩；
（4）二子级关机，船箭分离，飞船入轨；
（5）展开太阳电池阵；
（6）轨道飞行，进行科学实验等工作；
（7）飞船第一次调姿；
（8）返回舱与轨道舱分离；
（9）返回舱第二次调姿；
（10）返回舱与推进舱分离；
（11）返回舱再入大气层，进行升力控制；
（12）返回舱拉出减速伞；
（13）主伞工作；
（14）缓冲发动机点火，返回舱软着陆。

    载人飞船的发射、上升过程与人造卫星基本相同。载人飞船置于运载火箭的前端，而
飞船的最前端装着逃逸救生塔。运载火箭点火后，带着飞船徐徐上升，然后按程序转弯，
火箭逐级点火、熄火、分离，其间抛掉逃逸塔和整流罩。达到预定的速度和高叶度，火箭
末级发动机熄火。运载火箭将飞船运送到入轨点时即实施飞船与火箭的分离。至此，运载
火箭就完成了其历史使命，飞船将携带航天员独自在太空遨游。

    在发射过程中，火箭上的控制系统根据火箭所在位置和速度，不断调整火箭发动机推
力的方向，使得火箭按照预定的轨迹飞行。在整个飞行过程中，火箭的速度逐渐增大。火
箭的加速度在每一级火箭发动机点火时最小，熄火时最大。加速度对人体的作用，相当于
使人的体重增加，叫"超重"，对人体有不利的影响。载人航天的运载火箭在飞行程序设计
中应保证最大加速度不大于4～5g( g为重力加速度)，也就是使航天员感受到的体重不超过
正常体重的3～4倍。运载火箭末级发动机熄火瞬间，航天员会由超重突然变为失重，并感
受到从未有过的轻松。此后，飞船、航天员及飞船内一切物体都处于失重状态。

    飞船与末级火箭分离后进入轨道运行。航天员通过舱门进入轨道舱执行预先安排的空
间应用和科学实验任务，或完成交会对接和航天员出舱等技术试验任务。如果飞船是为空
间站运送人员或物资的，则需要与空间站对接，与已在空间站上工作的航天员会合，以便
将他们带回地面，或者停靠在空间站对接口上，等待本批航天员在站上完成任务后返回。
同时，飞船也作为空间站的应急救生船。

    入轨后飞船上的控制分系统将对飞船进行姿态控制，使飞船保持预定的飞行姿态，确
保飞船上的天线能与地面正常通信，相机能对地面照相以及航天员能通过窗口观察地球。
飞船在大气层外，依据天体力学运动规律飞行，在地球引力的作用下作圆周运动。由于地
球本身的自转，使得飞船在地面的投影--星下点轨迹并非是一个圆圈，而是类似一条不断
移动的正弦形曲线。在轨飞行过程中，为了消除发射误差以及扰动力的影响，飞船具有变
轨及轨道维持能力。

    在环绕地球的轨道上运行的载人航天器，包括飞船、空间站或航天飞机，轨道高度一
般200～500千米。如果再高，飞船将进入或接近地球辐射带。那里的高能粒子辐射能力很
强，可能穿透航天器，对航天员造成伤害。轨道高度若低于200千米，则残留大气的阻力明
显增加，保持轨道需消耗的推进剂太多。

    飞船在轨运行如果一切正常，将按原计划正常返回，如果出现异常，则可实施应急返
回。正常返回与应急返回过程的主要区别在于飞船返回的时间及返回着陆区域不同，而返
回的过程基本相同。

    飞船的返回就是使飞船脱离原来的飞行轨道，沿一条下降轨道进入地球大气层，通过
与空气摩擦减速，并安全降落到地面上的过程。它可分为制动减速阶段、自由滑行阶段、
再入大气层阶段和回收着陆阶段。

    飞船返回前飞行在距地面数百千米高的圆形轨道上，速度约为8千米/秒。要使飞船返
回地面，必须改变飞船飞行速度的大小和方向，使其脱离原来的飞行轨道，进入下降飞行
的轨道。因此返回前首先要调整姿态，将在轨飞行姿态（轨道舱在前、返回舱居中、推进
舱在后）调整到制动减速姿态（推进舱在前、轨道舱在后），并使返回舱-推进舱与轨道舱
分离。随后飞船（返回舱与推进舱组合体）上的制动发动机按照预定的时间工作，使飞船
减速脱离原来的轨道。

    制动发动机关机后，飞船进入自由滑行阶段。在进入稠密大气层前，将把推进舱分离
掉，并把返回舱调整到再入姿态。推进舱分离后在大气层中烧毁。返回舱继续下降到约100
千米高度时，进入稠密大气层，转入再入飞行段。

    再入飞行是返回飞行过程中环境最复杂、也最恶劣的一段，因为飞船（返回舱）以很
高的速度（约8千米/秒）进入大气层时，会与大气产生剧烈摩擦，使返回舱变成闪光的火
球。进入黑障区后，周围产生的等离子气体层会屏蔽电磁波，使飞船暂时与地面失去联系
。随着速度和高度的进一步下降，到40千米高度时，飞船与地面的联系将会恢复。在再入
过程中，航天员要承受很大的过载。飞船与大气摩擦还会使飞船表面的温度升高到几千度
，需要利用烧蚀材料防热。从再入开始到20千米高度，返回舱采用升力控制方式飞行，以
降低最大过载和再入热流，并提高着陆精度。

    返回的最后一关是着陆。当返回舱降低到约10千米高度时，回收着陆系统开始工作。
它的主要任务是利用降落伞系统稳定返回舱的运动姿态，降低下降速度，并通过着陆缓冲
手段来保证软着陆。它还将为返回舱提供闪光和海水染色两种标位手段，并设有防止海水
浸入主伞舱的装置。

    具体工作程序是：10千米高度时先弹出伞舱盖，把引导伞从伞舱拉出并打开。引导伞
的牵引力又将减速伞拉出，使返回舱的高度和速度进一步下降。之后，减速伞与返回舱分
离，同时拉出主降落伞。主降落伞打开后，返回舱乘主伞缓缓下降。降落伞系统可以使返
回舱的飞行速度从开伞前的约200米/秒降到约8米/秒。在距地面约1米时，着陆缓冲发动机
点火，使飞船以不大于3.5米/秒的速度实现软着陆。


    9 未来前景

    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
，已将首位航天员送入太空，实现了载人航天的历史性突破。然而这只是第一步。第二步
除继续用载人飞船进行对地观测和空间试验外，重点包括出舱活动、空间交会对接试验和
发射长期自主飞行、短期有人照料的空间实验室，以尽早建成完整配套的空间工程大系统
，解决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。

    "863"高技术航天领域专家中曾一度流行一句口头禅："造船为建站，建站为应用。"这
话道出了载人飞船的真正用途。

    载人飞船在飞行试验过程中可以搭载各种仪器设备，进行对地观测、空间探测、天文
观测、空间生命科学、空间材料和微重力等空间应用和科学实验。但是，飞船上地方狭窄
，飞行时间短，因此尚不是执行空间应用和科学实验等任务的理想工具。未来，中国将突
破以太空行走、飞船交会对接、空间实验室和空间站等为代表的一批航天关键技术，为大
规模开发太空资源做准备。□ 

中国航天2003年第10期
http://www.space.cetin.net.cn/docs/ht97-b.htm
--

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