“神九”飞天背后的故事

刁吉海 鹏程 申实

写在前面的话：2012年６月16日18时56 分，执行我国首次载人交会对接任务的神舟九号载人飞船，在酒泉卫星发射中心发射升空后准确进入预定轨道，顺利将３名航天员送上太空。连日来，从“神九”上天到航天员安全返回，中国各大媒体采访报道“神九”飞天的各种新闻铺天盖地，早已家喻户晓，耳熟能详。然而，安全放心的“天梯”是如何搭建的，背后新闻人们就不见得知道那么多了。记者从“神九”飞天背后道不完说不尽的故事中，采撷几朵美丽的奇葩奉献给广大读者朋友……

确保火箭软件研制万无一失

作为控制系统总体研究所，中国航天科技集团公司一院12所承担了改进型长征二号F火箭控制系统和利用系统共34个软件配置项目的研制工作，其中包括了两大系统中所有关键等级为A、B级的软件。发射神舟九号飞船的改进型长征二号F火箭相对于成功发射神舟八号飞船的改进型长征二号F火箭，共有7个软件发生了变化。如何在短期内确保软件研制的万无一失，是这支团队面临的严峻考验。

控制与利用系统软件研制队伍把这次软件研制任务按照首飞的标准来要求，软件修改从影响分析开始，一项不漏地完成了安全性可靠性设计、代码走查、举一反三、软件开发方测试、第三方测试，再到试验验证、复核复算，每个环节都紧紧相扣。

从控制系统副总师、指挥、软件总师到软件室领导、型号软件主任设计师、软件测试主任设计师，再到每个设计、测试人员，每个人都一丝不苟，确保了软件研制工作的顺利进行。如此超常规的工作，为高质量、高安全、高可靠软件的诞生铺平了道路。

2011年12月24日晚上9点，软件测试间。“早上刚来的惯组数据，今晚必须生成模飞诸元，要多测几次模飞弹道，这毕竟是更改后的第一次验证。”软件设计人员崔宇一边为验证飞行控制软件修改着测试平台环境，一边说着。此刻，坐在旁边的软件测试人员岳海和杨扬还在为测试设计得是否齐全、能否验证到更改软件的所有功能而绞尽脑汁……

这是这几名软件研制人员为飞行控制软件研制连续超14个小时工作的第8个夜晚。一切都是那么平淡、安静，突然传来的手机铃声惊动了正在埋头工作的几个人，是主任设计师刘俊阳打来的。晚上8点多，他接到儿子生病发烧的消息匆匆赶回了家，带儿子输完液就急切地打来电话询问进展：“双门限设计验证了吗？后效时间更改设置对飞行有影响吗？”原坤回答说：“不用担心，你不用过来了，你爱人又不在家，得注意观察，不能离了人。”知道刘俊阳是个急脾气，为了让他能安心地在家照顾小孩，崔宇不忘补充一句：“放心吧，明天你来看结果，保证不会耽误研制进度。”

作为工作成果，测试软件进行了一些可靠性完善设计，更改后的验证试验尤为重要。试验作为软件与硬件匹配的一道重要验证环节，是暴露软件问题、提高设计质量的最后时机，因此，软件研制团队制定了“不漏掉一个环节，不放过一个细节”的试验要求，将团队作战能力展现在每个问题定位、每次集智攻关中。

2012年1月6日下午，系统综合试验室。测试发控软件的主管设计邹茜薇在布置当天的工作：“我的现场故障恢复的软件功能已经改好了，今天我们大家不仅要完成常规测试项目，还要进行故障模拟，考核软件在故障模式下的适应性，又辛苦大家了。”

所有人员应声而动，认真按照检查表来确认试验状态，熟练地配置好测试环境。1小时后，所有常规项目顺利做完了。轮到模拟故障状态的环节，此时，大家都在静下心来小心翼翼工作，毕竟是“新”状态。时间一分一秒过去，邹茜薇始终在认真地记录着操作现象和测试数据，等到所有项目做完了，她才松了一口气，此时天已经完全黑了下来。“邹姐，你今天孩子不接了，其实刚才我们帮你盯着就行。”这时突然有人提醒邹茜薇。再看邹茜薇一边忙着收东西，一边笑着说：“眼见为实，细节决定成败嘛。”

是呀，细节决定成败，只有每名设计和测试人员都关注了细节，才有可能创造出精品级的产品。

“深入分析，究其缘由”是火箭控制和利用系统软件团队对研制过程中每个细节的要求。在整个软件研制过程中，为避免发生重复性问题和低层次问题，软件研制队伍完成了质量问题举一反三14项，型号内复核复算4项，以及所里组织的专家队伍进行的独立专项复核复算两项。

2012年3月4日上午，软件518会议室。刘俊阳、崔宇、邹茜薇、原坤一大早就在会议桌前扭着脖子看着投影仪投射的墙面，他们正全神贯注地复核着飞行控制软件容错能力分析与验证情况。

“CPU运行不同步，软件如何处理……”

“惯组故障，软件如何处理……”

不时有人走到投影屏幕面前，指出对某一问题的看法。这些太多的“如何”都是在关注飞行控制软件在飞行中遇到某种失效模式时能否从容应对。组长安占新逐一详细记录着，软件设计人员崔宇在一旁快速查阅着源程序、设计说明和软件任务书，不时地回忆软件设计时的思路，生怕漏掉任何一个细节。“这个问题在《协调会议纪要》上应该有记录，我记得2月份的时候在一次项目协调会上提出过，当时任务书提出方也给出了解释。我查一下……”承担了6个重要软件的设计工作，崔宇的头脑还是很清醒。

为了不耽误试验进度，同时也为了不受到其他任务的打扰，复核复算工作大部分都选在了休息日进行。在连续超负荷工作的日子里，能休一个周末是大家期盼已久的，但考虑到此次复核复算任务的关键性和急迫性，大家没有丝毫怨言，悉数来到会议室。主任设计师刘俊阳在会议开始前半开玩笑地说：“带儿子去博物馆看展览又泡汤了，老婆说晚上不给儿子带个车模就别回家了。”引发大家一阵感慨。

“神舟”的经脉是如何打造的

随着改进型长二F火箭在酒泉卫星发射中心点火起飞，将神舟九号飞船顺利发射升空，2012年6月24日，在3名航天员的手控状态下完成与“天宫一号”的完美对接，再次进入“天宫一号”进行各项科学试验。

如果说“神九”与“天宫一号”的对接，是“肌体”连接的话，那么作为导通“神九”和“天宫一号”之间电路的Y88电连接器，毫无疑问承担着导通“肌体”“经脉”的角色，而这个电连接器，就是由中国航天科技集团公司九院693厂自主研制生产的。

据该厂负责电连接器研发的负责人介绍，因应用场合十分特殊，在误差范围的控制上，必须实现在太空环境中插合和分离两个相反功能的准确性，只有做到“万无一失”的接触可靠、插拔自如，才能确保动力信号、控制信号和通信信号准确传输到位，使“神九”与“天宫一号”两个航天器合二为一，进入“天宫一号”开展相关空间科学实验，在完成预定任务后返回地面。所以，实现对接的电连接器，误差控制在一毫米以内。

新品研发，“如鱼儿吞水，冷暖自知”。从接受“神九”与“天宫一号”任务之初，该厂就明确要求：各生产单位和部门，但凡是新品任务，各环节各部门一律要开通“绿色通道”。从产品的设计到定型，课题组查阅了大量的参考资料，摘抄的有效资料用完了5个记录本。

Y88电连接器主管设计师李成宾，这个29岁有着几分英气的小伙子，更是把设计的岗位驻扎在一线的机床旁和试验室，即使周六、周日也常常推了饭碗就来到工厂。有天晚上，妻子发来的一条短信令李成宾心酸不已：“爸不在，少堵墙，女儿光掉床。”

团队的凝聚力发挥出了无比强大的战斗力。整个研发期间，研发处开会的次数最多，加班的时间最多，他们中间的很多同志，一连两个月一次也没回过在郑州的家。

据该厂有关技术人员介绍，该厂承担着航天专用电连接器研制生产任务。从“神一”到“神九”，所用60.4%的电连接器都出自该厂 。以往的发射经验证明，他们的产品做到了万无一失，打破了中国航天史上的“三三故障率”的“魔咒”。对于“神九”来说，遍布它周身的电缆以及电连接器，就好比它的“经脉”，每一根电缆、每一个插头、每一个焊点都关系到航天器发射的成败。该厂除了像以往一样提供电连接器外，还负责部分电缆网的制作，可以说构建了“神九”的“经脉”。

小产品控制“大环境”

天宫一号目标飞行器与神舟九号飞船成功实现我国首次载人交会对接，使中国航天向着载人空间站的目标又迈进了一步。作为载人航天工程的参与者，中国航天科技集团公司六院北京11所研制的泵阀系列产品在神舟飞船热控和环控生保系统中发挥了关键作用，为载人飞船提供了良好的温度环境，为中国航天员营造了一个温暖如春的天上居住环境。

飞船在太空中飞行，最关键的就是航天员的安危和整个飞行过程的成败，这要靠热控分系统和环控生保系统来提供。

热控分系统和环控生保系统分别位于载人飞船的推进舱和轨道舱的舱壁内。热控分系统的作用是使飞船内保持一定的温度湿度，环控生保系统是为航天员创造合适的舱内生存环境条件，保障在空间飞行的特殊环境下安全生活和正常工作。

据介绍，热控分系统主要采用流体换热技术进行温度控制，通过流体流动将船上产生的热量传递给外部辐射器，再将热量辐射到太空中。为了保证系统正常运行，需要泵和阀类产品驱动和控制流体介质。

在热控分系统中，该所承担了8种核心产品的研制任务，包括外回路循环泵、温控阀、自控阀、自锁阀、加排阀、补偿器、快速断接器和过滤器等共计20台产品，并为环控生保系统提供内回路循环泵和储能器两种产品。

飞船上的能源非常宝贵，产品不但要满足性能要求，还要重量轻、外形小巧。北京11所的产品尺寸都比较小，最大的补偿器体积不超过9.5升，最小的自控阀体积只有0.5升。

别看“身材小”，身上却凝练着大智慧。除了具备结构新颖简洁、可靠性高等优点外，它们还能够承受发射和在轨的复杂工作条件，为航天员营造一个温暖如春的居住环境。

外回路循环泵是热控分系统的“心脏”，只有通过它才能驱动热控流体介质在管路内循环流动，源源不断地带走热量，从而保证飞船舱内和设备的工作温度。在热控系统的产品中，外回路循环泵技术难度大、要求精度高，是研发过程中最难啃的“骨头”。

该型号泵不同于航天常用的火箭涡轮泵，具有小流量（100多克/秒）、长寿命（连续运行1 000小时）、高真空的特点。小流量、低扬程决定了泵的效率不高，必须想方设法提高效率，长寿命的关键在于提高轴承的性能，高真空要求泵的泄漏量小，因此需要考虑动密封装置，这些都是技术人员面临的高难度问题。

在没有任何资料和样机的情况下，北京11所科研人员运用丰富的航天发动机涡轮泵和民用磁力传动泵的研制经验，对循环泵的叶轮和扩压器作了四种设计方案。经过对比分析，将泵的型式由分流式改为全流式，同时改变了内部结构尺寸，经水试后总功耗降低了20%以上，完全满足产品的能耗要求。

为了满足氦检漏的性能指标，研制人员考虑在泵的动密封环节上加以改进。由于泵的结构尺寸非常小，安排动密封有困难，研制人员尝试采用屏蔽式电机结构，将泵与电机连为一体直接安装在驱动器上，这样不但可以减小体积，而且还能避免外泄露问题。为此，研制人员进行了将近4年的探索与技术攻关。

循环泵的机电一体化屏蔽结构、高转速以及陶瓷球轴承，不仅满足热控方面的需要，而且还能够满足空间应用要求，使飞船能够承受发射过程中的冲击、振动和过载情况。在“神舟七号”舱外服循环泵的研制中正是由于该技术的应用，才使得航天员出舱行走时能够适应轨道上的真空、失重和高低温环境。

当“天宫一号”和“神舟九号”顺利完成对接任务，你可能不会关注到，它们身上配备的高精度泵阀产品起到了重要作用，对此，研制人员也进行了不同程度的改进与创新。

天宫一号目标飞行器工作寿命要求是神舟九号飞船的10多倍，如何突破长寿命、高性能的指标是摆在研制队伍面前的最大难题。循环泵和补偿器是热控分系统的关键部件，直接决定了热控分系统性能指标的实现，研制人员决定从思路上和技术上进行突破性创新。

在现有循环泵结构上设计了多种改进方案，通过理论计算、仿真模拟等方法，从材料、工艺、强度等方面提高了轴承的耐磨承压能力，同时优化了离心轮的结构设计，减小了轴承负载。

为了保证万无一失，研制人员按照改进方案专门加工投产了一台泵，进行轴向力的试验研究，测试各种因素对轴向力的影响，从而指导设计工作，有力促进了技术改进方案的顺利实施。

研制人员还重新设计了补偿器，对波纹管的模片结构进行了改进，采用更加先进的焊接工艺，提高了焊缝熔深和强度，运用精准的数控加工技术确保生产装配精度，从结构尺寸、关键工艺和补偿能力上进一步提升了产品性能。对阀类产品从寿命和可靠性上采取了改进措施，遇到了不同程度的技术瓶颈，科研人员本着求实创新的精神解决了各种不同的问题。

按照新的任务要求，环境试验要在真实介质条件下进行。真实介质具有很强的挥发性，如何存储这些真实介质，并输送给循环泵呢？研制人员冥思苦想，借鉴环境模拟试验舱的模式，专门设计了两台冷源控制机组，约6立方米左右，能够实现对介质0至28℃范围内的精确控温，模拟产品实际工作状态。

每次试验前筹备工作都相当繁琐，冷源设备运输、试验工艺系统准备，以及处理各种问题，研制人员专人负责、全程跟踪，确保试验万无一失。

载人航天产品对可靠性要求高、风险大。北京11所的产品既有舱内又有舱外，既有船上又有地面上，要全面掌握这么多产品的技术状态和生产过程，研制队伍付出了超常的努力。

载人飞行器对产品可靠性要求极高，转动部件产品要连续工作10 000~20 000小时无故障，开关部件产品要10万次到几十万次动作无故障。神舟九号飞船产品寿命要求是6 600小时，天宫一号目标飞行器产品寿命要求为两年。

为此，研制人员对每项产品严格设计标准，从做模型开始多次校对、反复讨论，对产品加工工艺、装配工艺、流水线及检测手段一丝不苟。每一件产品在地面都要经过强度、气密性以及冲击、振动、热环境等各种检测，直到满足所有性能指标为止。

在产品长寿命试验过程中，为了准确掌握每个细节问题，防止意外事故发生，研制人员24小时昼夜值班，获取了大量地面试验数据，保证了产品在发射、飞行和对接过程中性能稳定、工作正常。

同时，为了应对太空中出现的各种突发事件，研制人员还为每一套产品都准备了备件，为任务的成功加上了“多保险”。

从“神舟一号”飞船热控和环控系统的初期规划到设计方案，再到最终实现设想，北京11所科研人员既收获了成功的喜悦，更品味了攻关的艰辛。令他们骄傲的是，在载人航天工程中，这些泵阀小产品发挥了大作用，为我国航天事业作出了自己的贡献。

为了10万次运行无故障

几十个刚做完振动试验的产品，被拆掉了外壳，“五脏六腑”显露无遗。在20倍显微镜下，推动器与簧片接触部位清晰可见，个个光亮如镜，没有一点磨损。整批观察记录完，技术员终于长长地松了一口气。

为了满足神舟九号飞船的需要，继电器要运行10万次无故障。每一次运行，继电器内的推动器和簧片都要产生摩擦，推动器是继电器电磁驱动系统和触簧输出系统连接的桥梁，如果在摩擦中产生磨损，磨损下来的粉末很容易导致继电器通断失效。在航天发射中，只要有一次通断失效，就极有可能造成火箭不能起飞、飞船不能入轨、甚至箭毁人亡的严重后果。

为了解决该型产品推动器的磨损问题，中国航天科技集团公司九院165厂集中了工艺、技术、零件、装配、试验等多个部门的力量连续攻关。他们开展的大小攻关论证分析会议有50次以上，评审会议有10次以上，反复验证试验50批次以上。值吗？航天科技战线上的人，都知道肩负的责任重大，为求万无一失，再辛苦也值！

技术部门分别从产品的抗振一致性、簧片镀层、推动器加工等进行全面的分析和验证试验。为了保证试验的有效性，每套方案至少10只产品，每次均按加严的试验条件进行考核。试验后样品100%拆壳，然后在显微镜下逐一检查簧片的推动器部位的接触痕迹，哪怕只有一只产品的一个部位出现了磨损，整套方案就必须推倒重来。方案讨论——样品装配、试验——结果分析——下一步方案讨论……会议室、装配车间、试验室，到处是技术人员忙碌的身影。不论是技术部门，还是一线操作员工，大家都围绕着一个目标：一定要解决该型电磁继电器的磨损问题！

经过多方查找资料，技术部门大胆采用新材料、新工艺。相比常规用的材料，新材料的耐磨能力提升了百倍以上。经过组织样件加工、装配和试验，大幅提高了该型继电器的可靠性。

在攻关的过程中，生产一线员工的付出令人敬佩：零件实做工时8 000多小时，装配实做工时15 000多小时，试验实做工时5 000多小时，工时合计约3万小时。数字的背后，是操作员工加班加点赶进度的身影，除了磨损攻关，他们同时肩负其他型号继电器的供货生产任务。为了航天事业，他们一直在默默地贡献着自己的汗水。

历经10个月的紧急攻关终于取得成功。在国内属首创使用该型新材料，从根本上解决了电磁继电器的磨损问题，提高了产品的可靠性，确保了神舟九号飞船飞行任务的圆满成功。

2012年6月29日，神舟九号飞船经过近14天的太空旅行，终于顺利回家。所有关心神舟九号飞船的人们悬着的心也终于落了地，而航天人却放下荣誉，重新回到了起跑线，为下一个目标的实现在努力着、奋斗着。

（责任编辑：郝幸田）