神舟－9载人飞船成功入轨执行与天宫－1的首次手控交会对接任务

编者按：今年6月24日，我国神舟－9载人飞船实现了与天宫－1目标飞行器的第一次手控交会对接。更令人惊喜的是，在神舟－9搭载的3名航天员中有了我国首位女航天员刘洋的身影，这对我国载人航天发展具有重要意义。男女航天员在太空的作用各有所长，女航天员已创造了一系列辉煌的成就，并将在未来长期载人航天活动中发挥更大的作用。为此，在我国首位女航天员登天之际本刊隆重出版“女航天员专题”，向世人展示全球女航天员的风采。

□□2012年6月16日18：37，中国长征－2F遥九运载火箭在酒泉卫星发射中心载人航天发射场准时点火起飞，将搭乘神舟－9飞船的中国首位女航天员刘洋和另两位男航天员景海鹏、刘旺成功送入太空。01号航天员景海鹏是指令长，全面负责乘组和任务完成；02号航天员刘旺的工作重点是完成神舟－9与天宫－1的手控交会对接；03号刘洋主要负责航天医学实验和空间试验管理。神舟－9还搭载了约300kg的物品，其中以食品为主，此外还包括一些实验物品。

1 总体概述

神舟－9航天员乘组指挥长景海鹏（中）、航天员刘旺（左）、航天员刘洋（右）（秦宪安/摄）

本次任务主要包括三个方面：一是进一步验证自动控制交会对接技术，并首次验证手动控制交会对接技术；二是全面验证组合体的环境保障情况；三是验证在神舟－8基础上进行过改进的神舟－9性能。

本次任务具备三大特点：首先，这是我国第一次进行的手动控制对接，航天员由“乘客”变成了“司机”。飞船手动控制系统是自动控制系统的备份，但自神舟－5以来，在我国历次载人航天任务中飞船的自控系统运行良好，手控系统从未启用过，而这次任务要对其进行全面验证。其次，航天员第一次进入天宫－1内，天宫－1自2011年9月发射至今，已在轨运行了8个多月，虽然目前工作状态良好，但舱内环境保持得怎样，还需经过实地检测方能知晓。另外，在这次任务中有我国首位女航天员进入太空，科研人员为此开展了大量工作。为了保障女航天员在太空的生活条件，科技人员对飞船进行了改进，对她所使用的航天服、座椅等也做了修改。

神舟－9入轨后，先与在轨运行的天宫－1完成一次自动控制交会对接，组合体飞行6天后分离，再进行一次手动控制交会对接。神舟－9与天宫－1对接形成组合体后，航天员将通过对接通道进入天宫－1实验舱内工作和生活。完成第2次组合体飞行4天后，航天员手动控制神舟－9撤离天宫－1，飞船返回着陆场，天宫－1转至自主飞行轨道。

通过实施神舟－9任务，中国载人航天将实现多个首次：首次实施航天员手控交会对接，首次考核飞船手动控制系统；首次实现航天员访问在轨飞行器，在轨飞行10余天，首次完成地面向在轨飞行器进行人员和物资的运输与补给，首次考核天宫－1支持保障航天员工作和生活的能力；首次安排女航天员执行任务，填补了中国在女航天员选拔训练、医学监督和保障以及女航天员乘员设备等方面的空白。

神舟－9、长征－2F遥九火箭与神舟－8及长征－2F遥八火箭技术状态基本一致，但为适应载人航天需要并进一步提高安全性与可靠性，进行了部分技术状态改进。神舟－9新增了女性航天员装备，改进完善了自控交会测量设备，首次启用手控交会对接系统；长征－2F遥九火箭相比遥八火箭，也进行了30余项技术更改，进一步提高了火箭的安全性、可靠性。

此次神舟－9载人飞船的发射，既是中国载人航天第1次在夏季窗口发射，又是中国载人航天工程第4次载人飞行；既是被誉为“神箭”的长征－2F运载火箭第10次发射，也是中国“长征”系列运载火箭第165次航天飞行。

神舟－9与长征－2F遥九火箭组合体垂直转运至发射区（宿东/摄）

神舟－9进行三舱对接

2 飞船任务

在天宫－1与神舟－9空间交会对接任务中，神舟－9肩负着完成交会对接飞行等7项任务，并进行航天员人工手动控制交会对接等4个项目验证。

神舟－9太空之行的七大任务包括：①作为追踪飞行器，在天宫－1的配合下，完成交会对接飞行任务；②进一步验证改进型“神舟”飞船的性能；③在飞行期间，为航天员提供生活和工作条件；④为有效载荷提供上行、下行传输条件；⑤与天宫－1对接后，支持航天员和物品的舱间转移；⑥确保航天员在完成飞行任务后，安全返回地面；⑦飞行过程中一旦发生重大故障，在其他系统的支持或航天员的参与下，能自主或人工控制返回地面，并保证航天员的生命安全。

神舟－9在中国首次载人交会对接任务中验证的4个项目分别是：①全面验证自动交会对接技术；②验证航天员人工手动控制交会对接技术；③验证飞船与目标飞行器组合体载人环境支持技术；④进行组合体驻留能力和在轨试验验证。通过这4个项目的验证，“神舟”飞船可第一次全面真正完成载人天地往返运输任务，天宫－1也能第一次应用空间载人飞行的中期驻留支持技术执行任务。

按照中国载人航天工程的总体要求，神舟－9搭载的3名航天员共在轨飞行13天。

女航天员刘洋在天宫－1模拟舱内检查实验设备（秦宪安/摄）

航天员景海鹏、刘旺在训练模拟器舱进行手控交会对接训（秦宪安/摄）

手控交会对接是航天员通过神舟－9舱外的电视摄像机、舱内的综合电子显示屏和2个控制手柄以及天宫－1对接机构附近的十字靶标等设备来进行。在手控交会对接期间，坐在神舟－9返回舱中间的航天员刘旺是手控对接的第一责任人，他的两侧有2个控制手柄：其右边是“姿态控制手柄”，能够实现对飞船的三轴转动姿态控制，在飞船姿态出现较大偏差时，航天员可通过操纵“姿态控制手柄”来调整飞船姿态；其左边是“平移控制手柄”，能够对飞船的前行状态、速度进行微调，避免出现较大程度的偏差。刘旺的右边是指令长景海鹏，他在手控交会对接过程中主要负责相关仪表参数的监视。刘旺的左边是女航天员刘洋，她也接受过同样的训练。他们3人都具备进行手控交会对接的能力。

神舟－9先撤离至天宫－1约400m处，然后以自控方式逐步向天宫－1拉近，在距天宫－1约140m停泊点时，飞船由自控切换到手控。在神舟－9向天宫－1的平移靠拢阶段，装在神舟－9外的电视摄像机把装在天宫－1对接机构附近的十字靶标的图像传到神舟－9的综合电子显示屏上，航天员通过眼前的显示屏来判断神舟－9与天宫－1之间的相对姿态、位置和速度，然后不时通过座椅旁的2个手柄来调节飞船的姿态、位置和前进速度，最终以既定的0.2m/s的速度逐渐靠近天宫－1，并最终实现完美对接的目的。在手控对接期间，显示屏上标注有X、Y、Z的3个参数。X代表远近距离；Y代表左右距离，Z代表上下距离，在飞船前进的过程中，X值越来越小，这意味着神舟－9距离天宫－1越来越近。在显示屏上，最终要实现十字靶标与摄像机十字中线的重合，当屏幕上的“对接环接触”、“对接环捕获”的原点由灰色变成绿色时，意味着对接成功。

手控对接对航天员眼手的协调性、操作的精细性和心理的稳定性是个考验。由于2个高速飞行的航天器质量很大，所以让它们对接在一起是非常困难和复杂的一个过程，要准确判断2个航天器的相对速度和相对姿态；另外，要通过航天员操纵手柄，用手柄不断修正航天器的速度和姿态，因此要求操作十分精细，空间位置判断准确，有很高的多信息并行处理能力。此外，航天员还要面临燃料消耗和时间限制，必须在一定时间里完成对接，所以对航天员的心理素质也是考验。还有，失重环境会给航天员带来不适生理反应，这些都会影响手控交会对接的操作质量。为此，负责手控对接的航天员刘旺在地面对接模拟器上训练了1500多次，操作技术十分熟练，且心理素质极佳，即使在显示系统出现异常，甚至无参数显示的条件下，他也能精确操控对接。

神舟－9飞行时间简表

6月16日18：37，神舟－9发射。

6月16日18：47，神舟－9进入初始轨道。

6月16日22：30，航天员吃第一顿饭。

6月17日凌晨，北京飞控中心对神舟－9实施5次变轨控制，飞船到达距离天宫－1后下方约52km处。

6月18日11∶00许，神舟－9转入自主控制飞行，14：15与天宫－1实施自动控制对接，17：06，航天员开始进入天宫－1。

6月24日，神舟－9与天宫－1组合体飞行6天后分开，然后由航天员驾驶神舟－9与天宫－1进行手动控制对接。

6月29日，神舟－9与天宫－1分离，3名航天员乘神舟－9安全返回地面。

天宫－1（左）与神舟－9（右）交会示意图（神舟传媒/制）

3 十大不同

从总体上来说，神舟－9与神舟－8在技术状态上是一致的。但是由于神舟－9要执行载人手动控制对接任务，因此，科技人员对神舟－9进行了适当的修改。神舟－9飞行任务与神舟－8飞行任务有十大不同。

（1）从无人变成有人的不同

神舟－9与神舟－8最大的不同是载了3名航天员上天。由于神舟－8不载人，因此，舱内装了一些与载人无关的设备。而神舟－9是载人的，所以，取消了飞船舱内与载人无关的设备。

由于乘神舟－9上天的3名航天员中有1名女航天员，为此增加了女航天员专用的舱内服装备件包，包内专门配备了1套供女航天员专用舱内压力服和大小便收集装置，还有女性专用卫生用品包。飞船舱内配备了一个食品包，包内装载了可供3名航天员吃15天的航天食品和喝15天的饮用水，还有航天员内衣备件包和废物收集袋，这些都是神舟－8上所没有的。

神舟－9准备进行热真空试验

（2）组合体飞行的时间不同

神舟－9的独立飞行时间与神舟－8相同，在正常情况下能独立飞行3天，在应急情况下可以独立飞行5天。不过，神舟－9停靠在天宫－1的时间比神舟－8停靠在天宫－1的时间短，由14天变为10天，目的是验证组合体飞行支持能力（3人10天）。

（3）交会对接进入方向不同

神舟－8与天宫－1的2次对接全部采用从后向进入对接走廊的方式进行，即神舟－8在后，向前追赶天宫－1，在逐渐接近的过程中与天宫－1对接。在神舟－9与天宫－1的2次对接中，第1次对接仍采用从后向进入对接走廊的方式进行，但第2次改用从前向进入对接走廊的方式进行，即神舟－9在前，由天宫－1向前追赶神舟－9，在逐渐接近的过程中与神舟－9对接。

（4）空间交会对接方法不同

神舟－8与天宫－1的2次交会对接采用的都是自动控制交会对接，而在神舟－9与天宫－1的2次交会对接中，第1次对接采用自动控制方式，第2次对接采用人工手动控制方式，以验证航天员人工手动控制交会对接技术，使航天员由“乘”飞船变成“开”飞船，第1次充分体会驾驶飞船的感觉。

神舟－9与天宫－1组合体飞行示意图（神舟传媒/制）

（5）空间交会对接环境不同

由于神舟－8与天宫－1进行的2次交会对接是我国第1次实施的空间交会对接任务，为了减小空间各种光波对交会对接设备造成的干扰，根据技术上的考虑和设计上的安排，神舟－8与天宫－1的第1次交会对接是在阴影区，第2次交会对接是在阳照区开始自动交会对接，待对接完成的时候，已经处在阴影区。而神舟－9载人交会对接则在全阳照区间进行。由于太空各种光波对交会对接测量设备会造成干扰，在这样的环境下完成交会对接，其难度要远比神舟－8大得多，使交会对接设备接受一次严峻异常的考验。

（6）由自成一体到联成一体

神舟－8与天宫－1的交会对接只是完成了2个航天器的刚性连接，但2个航天器的舱门没有打开，因此，在舱内环境上来讲，并没有成为真正意义上的一个整体。

由于神舟－9的航天员要进入天宫－1里进行工作、生活和全面验证组合体载人环境，因此，神舟－9航天员打开了2个航天器的舱门，使神舟－9首次实现与天宫－1的空间连通，航天员穿过神舟－9舱门进入天宫－1，进行相关物品转移、工作和生活。此前，天宫－1内的微量有害气体净化装置、微生物净化装置等环境控制和生命保障设备已提前开机，为航天员建立了一个与地面一样的载人环境。

（7）飞船内所搭载的设备不同

在神舟－8飞行任务中已完成了在轨力学环境参数的测量，因此在神舟－9上取消了相应传感器和设备；还取消了神舟－8专用于图像记录和下传的辅助CCD光学成像敏感器相机存储单元；返回舱配备了乘坐3人的座椅。

（8）紧急故障处置预案不同

为了应对发射、对接和返回等过程中出现预想不到的突发事件，针对神舟－8交会对接任务，研制团队设计了交会对接过程的对接机构、交会对接敏感器等252项故障预案。比如，设计了大气层内外逃逸救生、第二圈应急返回、弹道式返回、自主应急返回、返回调姿不正常、发动机返回制动、远距离导引和自主控制段应急程序、组合体故障情况下快速撤离和紧急撤离等11类应急飞行程序。这些预案覆盖了交会对接飞行任务的全过程、全阶段。同时，技术人员还设置了一旦在运载火箭故障情况下，导致飞船/目标飞行器入轨高度过高、过低情况下的故障预案。

针对神舟－9交会对接任务，研制团队设计了328种故障模式与对策，进一步完善了其中与航天员操作相关的103种故障模式，主要包括：结构机构舱门检漏/开关故障处置、环控供气调压故障处置、仪表显示故障处置、手控交会对接故障处置、对接机构对接/解锁超时手控指令处置、应急飞行程序故障、舱内发生火灾、舱内失去压力等。特别是为了确保航天员的安全，增加了17种手控交会对接故障模式与对策、手动控制禁止指令无法正常发出等故障预案等；完善了在自动控制失效情况下切换乘手控对接的处置对策；调整了能源及环境热控制故障下，确保航天员安全的策略。

（9）控制方案在各别处不同

根据神舟－8交会对接的经验，针对神舟－9的任务，神舟－9载人飞船的制导导航控制分系统对自动交会对接与撤离、人工手动控制交会对接与撤离、返回控制等进行了局部改进和优化，并进行了大量的试验验证。

（10）在返回方案上有所不同

与神舟－8相比，在神舟－9返回的控制方案中，对打开回收主开关关键指令相应增加了手动控制指令作为备份，返回的可靠性和安全性大为提高。

航天员教员在舱内对执行神舟－9飞行任务的航天员乘组进行实验操作训练（秦宪安/摄）

4 三大突破

在这次载人航天飞行任务中，航天员系统取得了诸多创新和突破。

首先是突破了手控交会对接技术。在开展前期的科学研究，验证交会对接控制的模式、控制的机构和界面是否符合人的心理、生理认知特点的基础上，开展了大量地面试验，设计了非常多的方案进行验证，再根据验证结果为工程研制适合航天员的交会对接工程系统提出了要求。

为了让航天员顺利完成手控交会对接，航天员科研训练中心研制了手控交会对接的模拟设备，包括对现有的全任务综合训练模拟器的增补、改进，把手控交会对接在现有的全任务综合训练模拟器里体现。还专门研制单项的训练模拟器，同时，对现有的全任务训练模拟器进行了增补和改进。这些模拟的训练设施，就是要逼真地反映手控交会对接的程序、方式和方法。

航天员在神舟－9与天宫－1组合内工作示意图（神舟传媒/制）

神舟－9航天员上天吃的航天食品（秦宪安/摄）

开展了航天员交会对接训练的方法研究，研究了怎么训、训哪些科目、按什么标准训，才能使航天员熟练掌握手控交会对接的技术，具备相关的水平。

另一突破是建立了面向中长期飞行的航天员健康维护和保障系统。这次航天员计划在太空飞行13天，是历次飞行时间最长的，是短期飞行向中长期飞行的过渡，因而较长时间的航天员飞行保障就是一个重要问题。航天员系统增加了心肺功能检查等生理监测指标，判定航天员在轨的生理状态，同时还设定了20多种医学预案，一旦出现问题，能够进行天地协同的医学支持，保障航天员飞行期间身体状态。

航天员系统总设计师陈善广说：“合理的营养供给，适当的娱乐生活，良好的心理支持，这些也是保障航天员在较长时间飞行中保持良好的生理和精神状态的重要因素。”

航天员系统的第三大突破是建立了初具规模的航天医学空间实验体系以及相关技术平台。陈善广总师说，人进入太空后要面临很多挑战，要实现长期在轨飞行，还要解决很多航天医学的问题。在这次飞行中，将开展心脑功能的研究、供给系统的研究、认知功能的研究，也开发了具有自主产权的相关实验设备。

对航天员来说，这次任务主要面临三大难点。一是航天员要进行手控交会对接，难度很大。二是在轨飞行时间较长，对航天员身体、心理、操作技能要求更高。驻留时间的延长，对航天员适应太空生活的要求更高，对相应产品也提出了更高要求。三是中国女航天员首次飞天，这带来了一系列产品以及相关保障的改变。此外，空间实验内容新、操作多、操作难度很高，这些也是一大挑战。

在神舟－9与天宫－1交会对接任务中，3位航天员还将承担15项与航天医学相关的空间实验，其中最主要的有5项。

6月18日，北京航天飞控中心大屏幕显示的航天员景海鹏在天宫—1实验舱内的画面

航天食品加热装置 （秦宪安/摄）

一是航天飞行对前庭眼动、心血管及脑高级功能影响的研究。在神舟－9任务飞行前、中、后，同步检测动脉脉搏波、静脉脉搏、脑电和眼动。这是我国在微重力环境下首次进行的系统(人体)生理学研究实验。这项试验将促进对失重生理效应机理的系统认识，其研究结果将为后续载人航天任务失重生理效应防护措施的制定提供理论依据。

二是失重生理效应防护的细胞学机制研究。成骨细胞功能下降是空间骨丢失的重要原因，而成骨细胞功能受到包括细胞因子在内的各种因素调控。实验的目的在于探讨失重条件下整合素与细胞因子对成骨细胞的调节作用。这次研究将解决细胞培养回路中多种试剂时序加注难题，聚焦成骨细胞对成骨因子的响应性变化，为针对关键细胞信号分子开发相关的靶标药物以及制定预防措施奠定基础。

三是空间骨丢失防护技术研究。在组合体飞行阶段，航天员采用了对人体无损、高效、耗能低，质量轻，体积小、使用方便的力刺激仪进行力刺激防护，增加骨间隙液流增强骨细胞活性，从而达到对抗空间骨丢失的效果。在交会对接任务中开展空间骨丢失防护技术研究，不仅可积累我国航天员中期空间飞行的骨代谢数据，而且可验证基于力刺激原理的骨丢失对抗仪的空间适用性，为中长期空间飞行导致的骨丢失防护研究提供技术支持。

四是在轨有害气体采集与分析。利用我国自主研制的有害气体采集设备，实时采集在轨飞行中舱内的微量挥发性气体，返回地面进行分析，用于分析目标飞行器舱内的空气质量，可以对天宫－1内的微量有害气体进行评估，了解飞行器内污染水平。

五是航天员在轨质量测量。3名航天员将使用我国自主研制的质量测量仪对人体质量进行测量，其基本原理是基于牛顿第二定律的线性加速度方法，结合光学、力学、电子、工效、机械和材料学等先进的技术应用，精度可达到被测物体质量的±1%。质量测量仪的成功运用，填补了我国在轨质量测量技术的空白。

除了上述5项实验之外，还将首次开展在轨微生物检测、失重条件下扑热息痛的药代动力学研究、航天员睡眠－清醒生物周期节律监测等10项航天医学空间实验。■