巅峰高地讲堂|十七年间5次飞跃，迅猛发展的载人航天有多重要？不办奥运也要干
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2008年第29届夏季奥林匹克运动会的成功举办让世界认识了中国 ， 这是我们开始进入世界舞台中心的新名片 ， 这场盛会的战略意义不言而喻 ， 然而还有比它更重要的事情 ， 那就是载人航天工程 。
第29届夏季奥林匹克运动会开幕式
1992年9月21日在事关载人航天工程立项上马的一次重要会议上 ， 第一个发言的一位领导掷地有声地说道 ， 如果钱不够 ， 奥运会不申办了也要办这个事 。
2016年10月17日 ， 酒泉卫星发射中心使用长征2号F型运载火箭成功发射了神舟十一号载人飞船 ， 自此之后至今我们已有四年多时间没有再发射新的神舟飞船 ， 有些人不禁发问 ， 为什么载人航天工程推进的这么慢？
神舟十一号载人飞船
事实上这是一个假象 ， 载人航天工程不仅丝毫不慢 ， 而且创造了人类载人航天史的多个速度奇迹 。
载人航天工程推进节奏与我国海军进入新世纪以来的“小步快跑”发展步调非常相似 ， 在海军追求万吨级目标舰的过程中 ， 军工部门先后推出052型、052B型、052C型、052D型共四型驱逐舰 ， 连续攻克舰艇信息化指挥系统、新型舰载相控阵雷达、低可探测性舰体设计、冷热共架垂直发射系统、远程舰空导弹等多项核心技术装备 ， 每一型舰艇的建造数量都非常少 ， 技术目的非常明确 。
海军小步快跑：052C首批两艘舰
052C/D两型驱逐舰也是在经过小批量建造验证技术之后 ， 结合实际作战需求才开始了后续批次的量产计划 ， 小步快跑战略的成果之一：055万吨大驱首次投产就是8艘订单的大批量建造 。
055万吨大驱101南昌舰
载人航天工程同样有小步快跑发展逻辑 ， 我们用最少的资金实现了载人航天技术的集群式突破 ， 以神舟五号发射为起点计算 ， 在这十七年时间里载人航天工程至少实现了5次飞跃 。
第一次飞跃：三舱布局高起点 ， 夯实国际航天地位
载人航天工程立项前有过一次针对发展航天飞机还是载人飞船的大范围技术路线讨论 ， 最终在钱学森投出载人飞船的关键一票之后 ， 中国航天确定了载人飞船技术路线 。 与此同时载人航天工程经过详细论证后确立了三步走发展规划 ， 神舟五号就是第一步发展规划的成果 。
神舟五号任务徽章
我国载人航天工程虽然对比两个先发国家启动时间滞后了三十余年 ， 但我们选择了高起点高标准技术路线 。 以神舟五号为例 ， 该飞船全长8.86米 ， 发射质量7.79吨 ， 采用了当时最先进的三舱布局方案 ， 由轨道舱、返回舱、服务舱组成 。
神舟五号结构示意图
对比东方号、水星号、双子座号三型近地轨道两舱式载人飞船体现出了诸多技术优越性 ， 神舟飞船航天员搭载数量更多 ， 最多可以容纳3人 ， 而上述三款仅能容纳1至2人 ， 活动空间也更大 ， 轨道舱在承担相关科研试验任务的同时 ， 还能用做航天员的生活舱 。
双子座载人飞船
【巅峰高地讲堂|十七年间5次飞跃，迅猛发展的载人航天有多重要？不办奥运也要干】不必讳言神舟号事实上就是在借鉴学习联盟系列飞船基础上进行研制 ， 但前者的技术超越在第一艘实现载人技术突破的神舟五号身上就已经有集中体现 。
首先是两大结构创新 ， 轨道舱在联盟系列飞船中的定位是执行交会对接任务 ， 同时具备一定规模的货物上行运输能力 ， 除此之外不具备独立运行能力 。 神舟五号轨道舱则具备留轨运行能力 ， 拥有独立动力、测控、发供电能力 ， 配置有一对太阳能帆板 ， 可以在轨运行6个月 ， 这一留轨时间也为此后神舟载人飞船长期停靠空间站进行了技术验证 。
具备留轨独立运行能力的轨道舱
轨道舱留轨只是特定时期的技术创新 ， 而事关飞船性能的另一个结构创新就是更大的返回舱尺寸 ， 联盟TM飞船返回舱直径是2.2米 ， 而我们的是2.5米 ， 返回舱尺寸大小直接关系到航天员的舒适性 ， 以及附带货物的下行能力 。
神舟飞船返回舱舱体敷设的防热烧蚀涂层更是独领风骚 ， 其材料密度是联盟飞船的二分之一以下 ， 却实现了更强的防热性能 ， 更低的材料密度也意味着可以降低返回舱质量 ， 为扩大返回舱尺寸创造了条件 ， 同时采用了具有国际领先水平的真空大面积灌注成型工艺 ， 效率是阿波罗飞船返回舱的5倍 。
神舟飞船返回舱
三年前欧空局德国籍宇航员马提亚斯·毛瑞尔在华参加海上训练时感慨道 ， 神舟飞船返回舱空间这么大 ， 我们甚至有充气橡皮艇 ， 这是在联盟号上没有的 ， 在俄罗斯的海上生存训练中 ， 你必须跳进水里 ， 那里没有船 ， 天气非常寒冷 ， 所以要困难得多 。
马提亚斯·毛瑞尔在华参加航天员海上训练
除了飞船结构的创新超越 ， 神舟五号在环境控制和生命保障、制导/导航/控制GNC分系统、能源、测控 ， 以及信息化技术上全面达到或超越了联盟系列飞船 ， 为神舟飞船的后续发展奠定了坚实基础 。
神舟六号
通过四艘神舟无人飞船与神舟五号、六号两艘载人飞船的研制发射 ， 载人航天工程顺利实现了第一步发展规划 ， 掌握了载人天地往返能力 ， 我国成为世界载人航天俱乐部三大成员之一 ， 进一步巩固夯实了自两弹一星以来的国际航天地位 。
第二次飞跃：太空行走 ， 舍生忘死护荣誉
在神舟六号成功发射三年后神舟七号也整装出发 ， 该飞船是载人航天工程第二步规划第一阶段的首发飞船 ， 旨在突破太空出舱技术 。
伴星一号拍摄太空中的神舟七号
神舟七号对比神舟五号、六号在结构上有重大变化 ， 轨道舱太阳能电池帆板取消 ， 被改装成供航天员出舱行走的气闸舱 。
神七气闸舱研制难点在于要确保舱体的泄压与复压 ， 首先要将舱内9立方米的空气泄出 ， 使舱体内外压力一致 ， 这样才能保证舱门可以打开 。 完成出舱行走后 ， 置于轨道舱顶部的5个气瓶释放氧氮混合气体 ， 使轨道舱恢复1个大气压水平 。
神舟七号气闸舱热平衡与泄复压试验
再就是密封难题 ， 轨道舱是供航天员活动的密封舱体 ， 更改为气闸舱后供人员进出的舱门直径扩大 ， 加上与返回舱连接处也有舱门 ， 两个活动舱门对密封舱体内的气压保持制造了难题 ， 在太空中密封舱体犹如一个充满气体的气球 。
我们都知道无论气球扎得多么紧 ， 随着时间的推移气体还是会逐渐泄漏 ， 气闸舱也是如此 ， 这就对舱门密封圈的质量提出了高标准严要求 。
神七乘组：景海鹏、翟志刚、刘伯明
神舟七号航天员乘组共三人 ， 分别是翟志刚、刘伯明、景海鹏 ， 其中翟志刚是指令长同时也是执行出舱任务的第一人 ， 刘伯明则是支持翟志刚执行出舱任务的协助员 ， 实施出舱任务的同时景海鹏坐镇返回舱 ， 这也是神舟飞船首次达到满载状态 。
与很多航天任务的第一次一样都会遇到这样那样的意外情况 ， 神舟七号出舱活动就遇到了三个显性问题 。
首先是舱外航天服的组装原计划13小时 ， 结果两名航天员用了整整20个小时才组装完毕 ， 主要原因是地面与太空重力环境的差异导致 ， 很多事情做起来并不是很顺手 。
飞天舱外航天服
第二个问题是翟志刚在开舱门的时候 ， 数次用力都难以打开 ， 这暴露出两个问题 ， 一个是泄压装置设计问题 ， 导致内外压差不一致 ， 再一个是航天员开舱门的受力支撑点设计不尽完善 ， 翟志刚最终是在刘伯明身体的辅助下用撬棍奋力打开了出舱舱门 。
神舟七号轨道气闸舱舱门打开
就在翟志刚准备出舱的时候耳机里突然响起了火警警报 ， 当时地面人员也很诧异 ， 为什么真空环境下还能有火情 ， 最终他们将是否出舱的决策权交给了天上的航天员 ， 翟志刚说 ， 当时我们已经做好了心理准备 ， 即使自己回不来 ， 也要让国旗在太空高高飘扬 。
最终我们在轨道舱舱外镜头中看到了翟志刚身穿国产飞天舱外航天服说出那句感人肺腑的话语：神舟七号报告 ， 我已出舱 ， 感觉良好 ， 神舟七号向全国人民全世界人民问好 ， 请祖国放心 ， 我们坚决完成任务 。
执行出舱任务的航天员翟志刚
之后翟志刚操作将舱外的暴露试验物取回轨道舱 ， 尔后刘伯明将特制的五星红旗交到翟志刚手中 ， 由翟志刚在太空中挥舞 。
经过神舟七号出舱任务的实际检验 ， 接下来天宫空间站气闸舱的设计研发更能有的放矢 。
翟志刚在舱外挥舞五星红旗
第三次飞跃：三船连飞显实力 ， 太空对接融贯东西
以往神舟飞船发射通常是一年甚至是两三年一次 ， 而神舟八号、九号、十号三艘飞船在一年半时间里连续高密度发射却是第一次 ， 原因主要有两点 ， 首先自神舟八号开始神舟载人飞船就正式定型了 ， 轨道舱不再兼职留轨、气闸舱等任务 ， 而是专职空间交会对接 。
神舟五号
神舟飞船迄今为止共有三种技术状态 ， 神舟一号至神舟六号是“初期试验技术状态” ， 神舟七号是自成一体的“出舱活动技术状态” ， 而自神舟八号开始就进入到了“天地往返运输期技术状态” 。
神舟八号轨道舱异体同构周边式对接口
作为执行空间交会对接任务的首发飞船 ， 神舟八号没有选择联盟系列飞船大批量应用的“杆锥式对接技术” ， 而是直接应用国际最先进的异体同构周边式对接技术 ， 该技术最早在联盟-19与阿波罗-18对接任务中应用 。
联盟号飞船杆锥式对接装置
杆锥式对接装置除联盟系列飞船之外 ， 阿波罗系列载人登月飞船也有应用 ， 应用杆锥式对接装置的追踪航天器与目标航天器双方对接机构不同 ， 一个是主动方 ， 一个是被动方 ， 不利于太空救援任务 。 更严重的缺陷是其定向和对接机构都位于中心位置 ， 导致对接通道非常狭小 ， 不利于人员与货物的输送 。
异体同构周边式对接装置则完美地克服了上述两大缺陷 ， 首先统一了对接机构 ， 便于开展太空救援任务 ， 同时定向与对接机构都位于四周 ， 对接通道无阻碍 ， 便于人员与货物的输送 。
对接机构地面模拟
早在上世纪九十年代中期航天科技八院就开始研究航天器空间交会对接原理技术 ， 上世纪末第一台原理样机制备成功 ， 2000年开始部件级关键技术攻关 ， 2005年空间交会对接机构正式立项 ， 2010年完成正样产品交付 ， 次年完成试验 ， 整个研制时间前后长达16年 。
在项目研制过程中 ， 我们建成了具有世界领先水平的一系列地面试验装置 ， 比如世界首创气浮装置的对接缓冲试验台 ， 以及全程模拟太空对接的热真空试验台等等 ， 一整套地面试验装置可以完美复现高低温、真空、失重等空间环境下的捕获、缓冲、分离过程 。
天宫空间站机械臂辅助对接地面试验
工欲善其事必先利其器 ， 正是因为有了充分完备的地面试验系统 ， 我国空间交会对接任务才交出了100%成功的满分答卷 ， 继神舟八号与天宫一号实现无人自动交会对接之后 ， 神舟九号、神舟十号又相继与天宫一号进行了多次自动、手动交会对接任务 。
神舟十号与天宫一号交会对接
俄罗斯专家来华参观试验设施后曾感叹 ， 这是当今世界上水平最高的对接机构地面试验设备 。
为什么我们的起点要这么高？因为使命在肩 ， 天宫空间站还将攻克更大吨位的异体同构周边对接技术 ， 本月即将发射的嫦娥五号也应用了具有全球领先水平的深空航天器对接装置 ， 既然干的就是惊天动地事 ， 那么配套的装置也必然是世界顶尖 。
第四次飞跃：天宫二号以小博大开创历史
天宫系列空间实验室最初计划有天宫一号、二号、三号共三次任务 ， 那么为什么现如今没有天宫三号了呢？
核心原因是由于技术的进步大大加速了工程整体进度 ， 神舟二号至神舟六号共5艘飞船轨道舱为了具备独立留轨运行能力 ， 全部配置有独立的动力系统 ， 这样一来的确可以承担部分太空科研任务 ， 但这显然与神舟飞船最终天地往返载人运输的技术状态并不一致 。
具备独立运行能力的神舟飞船轨道舱
让轨道舱拥有独立运行能力的核心原因在于早期我们计划的天宫一号并不是现在看到的8吨级目标飞行器 ， 而是将神舟飞船轨道舱作为目标飞行器 ， 如果按部就班地发展我们会看到一款发射质量仅有1.5吨左右的天宫一号 ， 其承担的任务就是单纯的验证空间交会对接技术 。
基于技术的进步 ， 摒弃1.5吨方案的天宫一号目标飞行器应运而生 ， 它除了承担自动/手动空间交会对接任务外 ， 还能兼做空间实验室 ， 同时能满足中长期太空驻留任务需求 ， 神舟九号、十号两艘载人飞船驻留天宫一号的时长分别是13天与14天 。
天宫一号
事实上新规划中的天宫一号融合了旧计划中的天宫一号、二号两次任务 ， 基于天宫一号的出色表现 ， 天宫二号直接使用天宫一号备份航天器加以改装 ， 由于备份航天器早在2011年时就已经完成建造 ， 再度启用时已是5年后 ， 这也是为什么天宫二号在轨寿命不到3年 ， 而天宫一号可以工作超过4年的重要原因 。
天宫二号改装是在正样备份产品基础上进行 ， 同时改装幅度也非常大 ， 比如要加装在轨燃料补加系统 ， 同时还要对所有单机系统及元器件进行测试 ， 以确保产品性能始终处于优良状态 ， 这种伤筋动骨式的改造升级就如同螺蛳壳里做道场 ， 既要改装测试 ， 也要确保航天器不受损坏 。
在轨燃料补加是天宫二号核心改装项目
为解决这一问题项目团队创造性地提出用天宫一号初样产品进行改装演练 ， 经过技术摸底后天宫二号才开始进行改装测试 ， 在此期间总计对300多台设备进行了寿命影响因素测试分析 ， 资源舱也见缝插针地加装了多台设备 ， 我国第一艘真正意义的空间实验室就是这样诞生的 。
看到“实验”二字很多人以为它真的就只是一个实验品 ， 而这又是严重的误读 ， 因为天宫二号的职能定位是太空“实验室” ， 符合这一定位的还有接下来天宫空间站中的问天号实验舱与梦天号实验舱 ， 它们都是货真价实的正式任务舱段 ， 并不是所谓的“实验品” 。
天宫二号
天宫二号别看身板只有8吨 ， 它却能以小博大 ， 做到了很多前辈做不到的事 ， 首先它具备了在轨燃料补加能力 ， 仅此一点昔日大洋彼岸重达77吨的天空实验室终其一生也没能完成 。
再就是能够支持航天员进行中期驻留任务 ， 神舟十一号就完成了驻留天宫二号长达一个月的任务 ， 苏联也是到礼炮四号空间站才最终突破航天员中期驻留技术 ， 以此为据判断天宫二号就是事实上的空间站 。
景海鹏、陈冬在天宫二号中期驻留
除了攻克在轨燃料补加与航天员30天中期在轨驻留技术 ， 还与天舟一号货运飞船一道实施并验证了6.5小时快速对接技术 。
天宫二号也是名副其实的空间实验室 ， 比如 ， 承担了人类首次量子密钥天地传输试验任务 ， 以及空间冷原子钟、伽马暴偏振探测、液桥热毛细对流实验、综合材料制备实验等一系列任务 。
天宫二号搭载的多角度宽波段成像光谱仪、三维成像微波高度计、紫外临边成像光谱仪等遥感设备也进行了成功的应用 ， 除此之外它还释放了一颗绕飞小卫星“伴星二号” 。
天宫二号微波高度计成像
在天宫二号30天载人任务时间里 ， 这是太空空间少有的有两座载人空间站比翼齐飞的时刻 ， 随着天宫二号再入大气层 ， 我国载人航天工程将在明年正式进入全新的天宫空间站时代 。
从明年开始神舟飞船与天舟货运飞船将保持每年三艘的高频率发射 ， 航天员将以半年为周期进行常态化轮换驻留 ， 天和号核心舱、问天号实验舱、梦天号实验舱将在两年时间内先后发射 ， 从此中国人的生活中将与太空更加紧密 。
明年我们将发射天宫空间站天和号核心舱
第五次飞跃：新一代载人飞船航向月球
星空浩瀚无比 ， 探索永无止境 。 站在天宫空间站胜利在望的新基点上的中国航天人又开始了新一轮长征 ， 今年5月5日新一代载人飞船试验船搭乘长征五号B型遥一运载火箭顺利升空 ， 用总师张柏楠的话说这艘飞船的定位就像当年的神舟一号一样 。
长征五号B遥一运载火箭
不一样的是 ， 它的目标不再是近地轨道 ， 而是更加遥远的月球 。 新一代载人飞船跳出了神舟三舱方案进而采用两舱布局 ， 由服务舱与返回舱组成 ， 航天员搭载数量由神舟飞船的三人升级为6至7人 ， 发射质量21.6吨 ， 是神舟飞船的将近3倍 。
新一代载人飞船试验船
新飞船进入轨道后在自主轨道控制系统支持下实施了7次自主轨道提升 ， 最终爬升至七千多公里的高轨轨道 ， 刷新了上世纪八十年代以来服务载人用途的航天器轨道高度纪录 ， 此前大洋彼岸的猎户座飞船试验返回舱也曾进入高轨轨道 ， 但轨道高度不及我国新飞船 。
更高的轨道高度能更充分地验证月地返回轨道再入地球大气层的热流烧蚀情况 ， 最终在自适应预测制导系统助力下新飞船返回舱实现了10.8环的超高落点精度 ， 飞行任务圆满成功 。
经受近第二宇宙速度热流烧蚀的新飞船返回舱
在世界新一代载人登月飞船中 ， 我国新飞船率先实现了完整版构型的首飞任务 ， 实现了多年前总师张柏楠“争取与国际同步推出新飞船”的目标 ， 如今我们不仅实现了同步 ， 更在局部领域实现了反超 。
一年多前嫦娥探月总师吴伟仁曾在正式会议场合宣布 ， “未来十年左右 ， 月球南极将出现中国主导、多国参与的月球科研站 ， 月球上将留下中国人的足迹 ， 我国将迈入世界航天强国前列 。 ” ， 这意味着到2029年左右我国将实施载人登月任务 。
航天科技五院公开的登月概念图
神舟五号航天员杨利伟首飞太空、神舟七号航天员翟志刚出舱行走、神舟十一号航天员景海鹏三战太空……
历经时间磨洗这些曾经的感动也许会被遗忘 ， 而中国载人航天工程短短十七年的五次飞跃却实实在在地刷新了世界航天史 ， 也打破了世界航天发展的普遍规律 ， 这背后是日益强大的综合国力 ， 是不断创造的中国速度 ， 而我们必将开创属于中国人的太空历史 ， 因为占世界人口五分之一的中国应当对人类发展有较大的贡献 ， 这一点毫无异议 。
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