中国航天60周年（三）：载人航天铸辉煌

中国航天60周年（三）：载人航天铸辉煌

2016年，我国载人航天活动又进入了高峰期。9月15日，天宫-2空间实验室顺利升空，10月17日又成功发射了神舟-11载人飞船。2017年4月，还将发射我国首艘货运飞船天舟-1，实现与天宫-2对接，验证在轨加注技术，从而完成我国载人航天工程第二步第二阶段任务，为第三步建造空间站奠定更坚实的基础。

载人航天是航天技术向更高阶段的发展，可以完成更复杂的太空开发工作，大大提高航天活动的效率，在地外星球建立基地，意义十分远大。然而，由于该技术特别复杂，投资和风险也很大，因此，至今只有苏联/俄罗斯、美国和中国独立掌握了载人航天技术。经过几十年的努力，我国载人航天事业取得了辉煌的成就，在全球产生了巨大的影响。

1　总体概述

载人航天是当今高技术中最具挑战性的领域，能体现一个国家的综合国力和整体科技水平，通过航天员的直接操作，可以更好地开发太空资源。

20世纪70年代初，我国曾拟研制曙光号两舱式载人飞船，包括研制航天食品等。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，所以中途下马了。

我国早期研制的航天食品

随着我国国民经济和科学技术的不断发展，1992年9月21日，党中央批准实施载人飞船工程。自此，我国的载人航天工程正式启动。

途径选择

我国载人航天工程最终的目标是研制体积大、寿命长和功能强的空间站，它是开发太空的理想平台，但本身不能天地往返。所以在此之前，必须先研制航天飞机或载人飞船作为空间站的天地往返运输器。我国专家通过深入论证表明，虽然航天飞机技术十分先进，但是该技术过于复杂，投资和风险太大，因此，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”高技术研究发展的指导思想，专家们最后一致同意从宇宙飞船起步，这样还能最大限度地利用我国返回式卫星的成熟技术。实践证明，当时的决策非常正确。

考虑到我国在火箭和返回式卫星方面已拥有相当坚实的技术基础和丰富的研制经验，以及可借鉴国外研制载人飞船的经验，我国决定一步到位，越过一舱式飞船、两舱式飞船，从当时最先进的载人飞船起步，直接研制三舱式载人飞船，并起了一个动听的名字—“神舟”。

发展战略

我国载人航天工程采用“三步走”的发展战略。

第一步是研制载人飞船，把航天员送入太空，并在完成预定任务后安全返回地面，实现我国载人航天的历史性突破，掌握载人航天的最基本技术。这一步已通过2003年和2005年先后发射的神舟-5、6载人飞船圆满完成。

第二步是突破和掌握航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术，然后发射空间实验室和货运飞船。这些是建造空间站的前提。这一步通过2008年神舟-7航天员翟志刚完成太空行走拉开了序幕，并分2个阶段实施。

第一阶段除突破了太空行走技术外，还在2011年通过发射天宫-1目标飞行器和神舟-8无人飞船实现了自控交会对接；在2012年、2013年又通过分别发射神舟-9、10载人飞船与天宫-1实现了自控和手控对接，并先后送2名女航天员上天。这4次航天发射使我国独立掌握了空间交会对接技术，还验证了组合体飞行技术，并使“神舟”载人飞船定型。至此，第二步第一阶段结束。

神舟-5载人飞船在轨飞行示意图

此后，我国载人航天进入第二步第二阶段，将在2016年、2017年分别发射天宫-2空间实验室、神舟-11载人飞船和天舟-1货运飞船，这2艘飞船先后与天宫-2对接，主要任务是验证航天员中期在轨驻留技术、在轨加注技术和未来空间站的部分新技术，并进行较大规模的科学实验。

第三步是在2020年左右建成长期载人的大型空间站，开展大规模、长期有人照料的空间应用。我国空间站采用积木式构型，由从2018年起先后发射的3个20吨级舱段对接组成T字形，“天和”核心舱居中，“问天”实验舱-1、“梦天”实验舱-2分别对接于两侧。

我国空间站按长期载3人状态设计，每半年由载人飞船实施人员轮换，由货运飞船进行推进剂和物资补给。为此，要突破四大关键技术∶推进剂补加技术、物化式再生生保技术、电源技术和空间机械臂技术。

它将在轨运营10年以上，成为我国空间科学和新技术研究试验的重要基地，并开展科普教育和国际合作，获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果。

目前，我国载人航天工程由航天员系统、应用系统、飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统、空间实验室系统等组成。今后，还将有货运飞船系统、空间站系统等。这里主要介绍由中国空间技术研究院抓总研制的“神舟”载人飞船和“天宫”飞行器。

2　“神舟”飞船

总体概述

“神舟”飞船由轨道舱、返回舱、推进舱3个舱和1个附加段或对接口组成（前2个为压力密封舱），总长近9m，总质量约8t，乘员人数3人。飞船有效载荷的质量∶入轨时不小于300kg，返回时约100kg。飞船的可靠性为0.97，航天员的安全性为0.997。飞船的飞行时间∶自主飞行7天，停靠飞行180天。

“神舟”载人飞船系统由飞船系统总体和13个分系统组成，它们是∶结构与机构、环境控制与生命保障、热控、电源、推进、制导导航与控制、数据管理、测控与通信、回收着陆、仪表与照明、应急救生、乘员、有效载荷。在以上13个分系统中，乘员分系统和有效载荷分系统分别属于航天员系统和空间应用系统的装船部分。这些分系统涉及物理、医学和环境等数十种学科领域，所以，飞船具有技术多样性和研制复杂性。

技术状态

为适应不同阶段的任务变化，“神舟”系列载人飞船先后有三种技术状态。

一是初期试验技术状态。其特点是把飞船轨道舱留轨利用进行空间应用，所以轨道舱上安装有1对太阳电池翼和独立的姿态控制系统。为了增加空间应用试验的有效载荷，有的在轨道舱前面增加1个附加段。神舟-5、6飞船就采用这种技术状态。

安装、检测神舟-7的舱载复压气瓶

二是出舱活动试验技术状态。其特点是为了完成航天员空间出舱活动任务，轨道舱不再留轨利用，因而取消太阳电池翼和姿态控制系统。但是轨道舱除具备生活舱功能外，还兼有出舱活动用的气闸舱功能，用于突破太空行走技术。航天员从轨道舱的侧舱门出舱。轨道舱贮运了舱外航天服，配置轨道舱泄复压系统、出舱支持设备和舱外行走扶手。神舟-7采用这种技术状态。

三是天地往返运输器技术状态。其特点是在轨道舱的前端装有一套交会用的轨道测量、运动控制设施和对接用的对接机构，用于完成与其他飞行器的交会对接。由于轨道舱不留轨利用，所以没有太阳电池翼和独立的姿态控制系统。神舟-8以后的所有“神舟”飞船都采用这种技术状态，用于与天宫-1、2进行交会对接试验，以及作为神舟-9、10、11航天员的天地往返运输器，今后还为我国空间站运送往来的人员。

技术特点

首先，飞船起点很高。作为我国第一代载人飞船，“神舟”采用了当时最先进，目前仍比较先进的三舱式构型，一次可乘3名航天员。

其次，可“一船多用”。国外的载人飞船在返回后，其轨道舱一般废弃在轨道上，而“神舟”飞船的轨道舱具有“留轨利用”的功能，舱内的仪器设备能在无人值守的情况下，像科技卫星一样自主地工作半年左右，因此能发挥“余热”。

第三，性能比较先进。例如，采用了信息技术的最新成果，从自动化控制、制导与导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示设备，“神舟”的电子技术和智能化水平远远领先。其太阳电池翼能自动对准太阳，保证飞船的充足供电，而国外类似飞船或使用一次性电池，或太阳电池翼供电水平较弱。

第四，防热技术高超。其返回舱表面积是22.4m2，使用的防热材料总质量约500kg。俄罗斯“联盟”飞船返回舱表面积是17m2，但它的防热材料质量达700kg。

第五，降落伞面积大。“神舟”的降落伞是世界上最大的单顶降落伞，1200m2。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，质量仅约90kg。

“神舟”飞船采用了多项新技术，其中10多项关键技术达到国际先进水平。它使我国的载人飞船技术达到或优于国际第3代载人飞船的水平。

定型产品

从神舟-8起，我国第一代载人飞船已基本定型，并有交会对接功能，可小批量生产，因而能提高可靠性、缩短研制周期。其对接机构采用导向板内翻式的“异体同构周边”式构型，对接后形成直径0.8m的航天员转移通道；改进了手控设备，增加了8台平移发动机和4台反推发动机，使飞船可向前、平移（包括上下运动）和后退，对接时运行更自由，同时提供紧急避撞的动力，可及时返回撤离。

神舟-10进行力学试验

为了安全，航天员乘返回舱落地时要提升座椅，以便减少落地时的冲击力。从神舟-9起，飞船返回舱内航天员坐椅下的提升装置由压缩空气取代了燃气。

由于交会对接对飞船的控制能力提出了更高的要求，定型后的“神舟”上配备了运算能力更大的计算机，对控制系统能力进行了升级。

为满足交会对接和返回需求，飞船载有1t推进剂，同时配备应急电池。定型后的飞船舱外摄像机采用了扩频通信方案，大大提高了图像传输质量。

另外，为提高飞船的性能及安全性、可靠性，对定型后飞船的部分系统也进行了改进。比如，飞船在前期可独立飞行5～7天的基础上，具有与空间站对接后停靠180天的能力；推进舱上的太阳电池翼发电能力比此前的试验性飞船增加了50%，由1.2kW增加到1.8kW；改进了降落伞和着陆缓冲系统，增加了牵顶伞，可在预定高度先后打开引导伞、减速伞（副伞）、牵顶伞、主伞，进一步提高了整个回收系统的可靠性。

在神舟-9、10的任务中，为了解决女航天员的适体性问题，对女航天员所使用的舱内航天服、座椅等做了修改，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套供女航天员专用的舱内压力服和大小便收集装置，还有女性专用卫生用品包。考虑到女航天员上天的需要，对大小便收集器的高度和相对位置也进行了局部修改，并为女航天员准备了巧克力、甜食和补血食品等。

发展历程

1999年11月20日，我国用长征-2F火箭发射了神舟-1无人试验飞船，考核了载人航天工程总体设计方案的可行性和关键技术的可靠性。该飞船是初样电性船，采用最小配置，仅有与飞船返回系统紧密相关的9个分系统，轨道舱也没有留轨试验。飞行试验表明，我国已基本掌握了飞船舱段分离、调姿和制动、返回升力控制、防热和着陆回收等关键技术，“神舟”飞船和长征-2F火箭性能优良，新建的载人航天发射场和测控网具有先进水平。

2001年1月10日发射的神舟-2是我国第一艘无人正样飞船。其技术状态与载人飞船基本一致，飞船上的13个分系统均参加了飞行试验。这次飞行重点考核了环境控制与生命保障、应急救生2个分系统的功能；首次进行了轨道舱留轨运行；在轨道舱进行了空间生命科学、空间材料、空间天文、空间物理四大领域的实验；首次装载了太空“模拟人”。

“模拟人”由人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备和形体假人组成，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数，并随时受到地面指挥中心的监控。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，这在世界上是首创。

2002年3月25日发射的神舟-3无人试验飞船的技术状态与载人状态完全一致。它全面完善了逃逸与应急救生功能，首次进行了待发段与上升段的逃逸救生系统试验，而且明确界定了“漏逃”和“误逃”的界线，提高了载人航天的安全性和可靠性。我国载人火箭和飞船的成功率已达97%，另外3%依靠逃逸系统来弥补，足以确保航天员的生命安全。这次飞行还首次进行了天地话音传输试验。

2002年12月30日发射的神舟-4是我国最完善的无人试验飞船，也是考核最为全面、最接近载人技术状态的最后一次演练。备用着陆场、陆地和海上应急救生等系统都参加了此次飞行试验和考核。进一步完善了逃逸和应急救生功能，增加了自主应急返回功能，设计了8种救生模式，以保证在不同阶段出现意外时，都能使航天员安全返回。飞船上安装了自动和手动两套应急救生装置，万一自动装置出现故障，仪表显示故障，船上的手动系统可以“抵挡”。神舟-4飞船还提高了整船偏航机动能力，改善了舱内载人环境。

神舟-5载人飞船在内蒙古主着陆场成功着陆后，杨利伟自主出舱

2003年10月15日发射的神舟-5是我国第一艘载人飞船，运送我国首名航天员杨利伟进行了世界载人航天历史上的第241次飞行，使杨利伟成为世界上第428位进入太空的航天员。该飞船于2003年10月16日返回，标志着我国成为世界上第3个能独立开展载人航天活动的国家。神舟-5与神舟-4基本相似，但对航天员座椅的安全性和舒适性进一步改进，同时设置了多种安全救生模式和百余种故障对策方案，以确保航天员的安全。它证明了我国飞船具备了载人航天飞行的条件。其实，神舟-5原定载2人上天，但出于稳妥起见，最后只载1人上天。其上的座椅缓冲器也由神舟-1～4的拉刀式改为胀环式，为杨利伟安全返回又多加了一道保险。

2005年10月12日，神舟-6送费俊龙和聂海胜进入太空。其主要变化是∶人数从1人增加到2人；天数从1天增加到5天；活动范围扩大到全船，首次打开返回舱舱门进入轨道舱进行工作和生活；首次让2位航天员脱下舱内航天服，换穿了工作服，进行科学实验和技术试验；首次全面启动了环控生保系统，创造了更加舒适的环境，例如，对轨道舱进行了改进，放置了食品柜、热饭用的电加热器、睡袋和太空马桶；航天食品的种类也从神舟-5的二三十种增加到四五十种。神舟-6任务的顺利完成，为后来的航天员出舱活动、航天器的交会对接等打下了基础。根据神舟-5航天员杨利伟的建议，科研人员对神舟-6的座椅缓冲器又进行了改进，使航天员在落地时的反作用力更小了。

2008年9月25日，神舟-7送翟志刚、刘伯明、景海鹏进入太空，翟志刚完成了太空行走任务。此行实现了三大突破∶一是首次实现了空间出舱活动；二是首次满载3名航天员；三是首次从1个航天器上释放另一个航天器。另外，该飞船首次与天链-1中继卫星进行了中继链路试验。对神舟-7轨道舱改进是这次任务的一大亮点，满足了空间出舱活动需要。翟志刚出舱穿的“飞天”牌国产舱外航天服是另一大亮点。神舟-7任务的完成，使我国成为世界上第三个独立掌握空间出舱活动技术的国家。

神舟-7航天员翟志刚出舱时挥动国旗

2011年11月1日，神舟-8无人飞船升空。2天后，它与先发射的天宫-1目标飞行器实现了我国首次空间无人自控交会对接。神舟-8装有自动测量系统和对接机构，并具备在目标飞行器上停靠一定时间的能力。为此，研发了基于无线电和光学的高精度相对测量设备、“异体同构周边”式对接机构、平移发动机组以及自控和手控技术，并对电源等分系统进行了改进，提高了性能、可靠性和工作寿命。从神舟-8起，我国飞船不仅具备了交会对接功能，并基本定型，可提供人员的天地往返运输服务。

2012年6月16日，神舟-9飞船送景海鹏、刘旺和刘洋进入太空。此行验证了自控和手控交会对接技术以及组合体载人环境支持技术等。通过这些项目的验证，“神舟”飞船首次全面真正完成了载人天地往返运输任务，天宫-1也首次应用空间载人飞行的短期驻留支持技术完成了预定任务。它实现了多个第一∶首次实现手控交会对接；首次考核了飞船手控系统；首次飞行了13天；首次向在轨航天器进行了人员和物资的运输与补给；首次打开了天宫-1舱门，使航天员访问在轨航天器；首次考核了天宫-1支持保障航天员的能力；首次安排了我国女航天员执行任务；首次安排了我国航天员二上太空；首次在轨用自行车锻炼身体；首次进行了天地双向视频通话；首次在太空接收了地面邮件，等等。

2013年6月11日，神舟-10送聂海胜、张晓光和王亚平进入太空。它和以前飞船最大的区别是首次进行了应用性飞行和绕飞。所谓应用性飞行就是完成正常的天地往返运输任务。此前，我国发射“神舟”的主要目的是考核和验证飞船，每次发射的飞船都有一些变化。与神舟-9相比，神舟-10没有新的、大的技术变化，只做了一些小调整，其技术状态基本固化。神舟-10的任务已不再是试验飞船本身，而是投入正常运营，完成运输任务，为天宫-1提供人员和物资运输服务。与神舟-9相比，神舟-10略有改进，例如，更加舒适，完善了舱内生活垃圾处理，根据航天员的口味对航天食品进行个性化定制，优化了航天员的工作程序和作息安排（增加了工作时间余量）；在轨维修，进行了一些相关试验；女航天员王亚平为地面青少年进行了我国首次、世界第二次太空授课，产生了巨大影响；飞船首次绕飞天宫-1，为未来与空间站对接做准备。

2016年10月17日，神舟-11送景海鹏和陈冬进入太空。该飞船的任务是∶执行人员和物资天地往返任务； 进一步验证改进型飞船性能；确保航天员安全返回地面。

3　“天宫”飞行器

2011年9月29日，我国长征-2F T1运载火箭成功发射了天宫-1目标飞行器，2016年9月15日用长征-2F T2成功发射了天宫-2空间实验室。

任务不同

天宫-1目标飞行器的任务是∶作为交会对接的目标；实现组合体控制和管理；实现航天员的在轨驻留、生活和工作，开展科学实验；进行空间技术试验。

与天宫-1相比，相当于小型空间站的天宫-2空间实验室外形没变，但“内心”不同，装载量提高、内部环境更好、机械臂可开展舱外维修、可对接货运飞船进行补给， 尤其是有很多为空间站建设研发的新型设备， 在这次任务中都将进行测试。它主要完成三大任务∶①验证航天员在轨中期驻留技术，进行在轨维修技术试验；②与货运飞船对接，验证推进剂在轨补加技术；③开展大规模空间科学和应用实验。它是我国第一个具备太空补加功能的载人航天器，围绕其三大任务开展了很多新的设计工作。

为了满足航天员中期驻留需要，天宫-2对载人宜居环境做了重大改善，具备支持2名航天员在轨工作、生活30天的能力。

天宫-2配备了在轨维修技术验证装置、机械臂操作终端在轨维修试验设备，专门搭建了在轨维修的一套（验证）系统。首次搭载了机械臂操作终端试验器，第一次开展我国人机协同太空在轨维修试验，为以后空间站任务提供技术储备。同天宫-2一起升空的伴随小卫星，将进行分离释放，并对天宫与飞船的对接进行近距离成像观测。值得一提的是，天宫-2的系统设计是模块化的，也就是说它出现问题时可以快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。

我国未来的空间站是长期在轨飞行的，其上的推进剂会不断消耗，所以要进行补加。天宫-2的任务之一就是要掌握这项技术，即通过和货运飞船交会对接，把货运飞船的推进剂补加到天宫-2上，这项技术难度还是比较大。为了满足推进剂补加验证试验需要，对天宫-2推进分系统进行了适应性改造，增加了推进剂补加系统，采用全新的贮箱设计。它与货运飞船将首次应用推进剂在轨补加技术，使我国成为继俄罗斯之后第二个在轨应用补加技术的国家，技术研究成果可直接应用于后续空间站工程。

天宫-1与飞船的对接高度约343km。为了验证空间站技术，天宫-2与飞船的对接高度为393km，这是未来我国空间站运行的轨道高度。天宫-2上搭载了更为先进的设备。

天宫-1进行总装

两舱功能

“天宫”由实验舱和资源舱组成，其中前者是控制舱，也是航天员的工作舱和生活舱，由密封舱和非密封舱组成；后者是非密封舱。

实验舱的密封舱有专用睡眠区、锻炼区、实验区、仪表区，有较多实验设备，可用笔记本上网、听CD和收电子邮件。天宫-1上只有电子邮件上行功能，而天宫-2增加了邮件下行能力。天宫-2提供60人天在轨驻留支持∶如果进驻3个人，可在里生活20天，如果进驻2个人，可在里生活30天。神舟-9的3名航天员在天宫-1里驻留了10天，神舟-10的3名航天员在天宫-1里驻留了12天；神舟-11的2名航天员预计将在天宫-2里驻留30天。实验舱的非密封舱安装了航天应用设备或空间实验设备。

密封舱内有独立的睡眠区，里面有独立的照明系统，中间的折叠小桌板用来摆放书籍和电脑；有一个锻炼用的自行车和横管，它们设在睡眠区的一侧，并被称为健身区，每个区域旁边都设有数量不等的手脚限位器；舱内的10余个软包通过一个大布袋被整齐地固定在实验舱的舱壁上，每个大小不一的软包各司其责地为航天员的“空居”生活保驾护航，比如，负责安全的有防毒面具包、灭火器包等；负责生活的有清洁用品包、食品包、内衣包等；负责实验的有乘员设备包、工具包等。

洞察天宫-1实验舱内部

资源舱为“天宫”提供动力和电能，进行姿态控制、轨道控制。非密封舱安装科学实验设备。

舱段设计

“天宫”实验舱前端安装的通信设备、交会测量设备和对接机构是“天宫”与飞船联通的关键所在，用于支持与载人飞船实现交会对接。对接后，对接机构可以形成直径0.8m的密封转移通道。通信设备采用空空通信机；交会测量设备主要包括全球卫星导航设备、微波雷达、激光雷达、光学成像敏感器、乘员光学瞄准器等；对接机构采用先进的“异体同构周边”式。

“天宫”的实验舱直径3.35m，长6.4m，包括前锥段、圆柱段和后锥段，是飞行器的控制舱，也是航天员的工作舱和生活舱。前锥段、圆柱段是密封舱，可保证航天员的生活和工作条件。后锥段为非密封舱。它的内部四壁是机柜，里面有各种设备、操作台、仪表板和睡眠的舱室，中间有一个2.2m高、1.8m宽、4m长的通道，是航天员运动、工作和生活的场所。

“天宫”的资源舱与“神舟”飞船的推进舱类似，为直筒形非密封舱，直径2.25m，长3.2m。舱外安装了由一对4块太阳电池板组成的太阳电池翼以及直径约1m的中继卫星天线，太阳电池翼展开后总长18.4m，发电效率高达27%～28%，与国际先进水平相差无几，以后可用于空间站。舱内主要装有推进剂贮箱、镍氢蓄电池以及环境控制用气瓶等设备，姿态控制系统的6个控制力矩陀螺也装在资源舱。其上的整个电源分系统质量比飞船减轻了40%。尾部装有2台490N轨控发动机，周围还有4台150N备用发动机和多台姿控发动机等装置。

关键技术

由于“天宫”的设计寿命为2年，是长期在低轨道运行的载人航天器，所以如何能保障它在恶劣的太空环境中长寿命工作是一项技术难关。天宫-1现已超期服役约3年，它表明，天宫-1舱体的密封性很好，所带资源足以供应航天员的需要。

要使天宫-神舟对接组合体平稳运行，“天宫”的姿态控制系统十分重要。飞船是靠发动机进行姿态控制，卫星是靠动量轮进行姿态控制，“天宫”采用力矩陀螺作为姿态控制执行机构，即利用动量交换原理，通过改变角动量方向来产生控制力矩。其优点是精度和可靠性很高，寿命8年，此技术可用于未来的空间站。

“天宫”实验舱侧壁加有特殊的防护板，具有吸收和弹射的功能，能遮挡微小碎片对飞行器的撞击，而其自身2～3mm厚的金属外衣，也能起到很好的防护作用。万一出现5mm的漏孔，“天宫”可维持舱压不小于70kPa约80min，为航天员赢得充足的逃生时间。如果遇到较大的空间碎片，地面将向“天宫”发出指令，改变其飞行轨道及速度，避开危险物后再回到预定的轨道继续飞行。

“天宫”寿命末期，将在地面控制下主动离轨，陨落在南太平洋无人区，这样既能不成为空间垃圾而影响其他航天器，也不会对地面造成危害。

4　其他系统

航天员系统

航天员系统由航天员选拔训练、航天服和航天饮食等组成。在发射“天宫”时，航天员在太空工作、生活和实验所需产品，部分随“天宫”上天，待航天员进入“天宫”后启用，它包括锻炼器材、各类服装鞋袜、睡袋、食品、诊疗箱、医学实验设备等。在航天员乘飞船与“天宫”对接时，还会携带一部分产品上天。“天宫”没有一次带上所有产品是因为火箭运力有限，另外也有产品寿命的考虑，比如做实验用的细胞，在长期无人条件下难以存活，所以要跟人一起带上天。

神舟-9航天员景海鹏、刘旺、刘洋进行手控交会对接训练

由于航天员在“天宫”中的驻留时间比以往的“神舟”任务明显延长。长时间在失重环境下生活会造成肌肉萎缩、骨丢失等症状，所以，“天宫”带上了太空锻炼器材，例如，用于锻炼下肢肌肉的功率自行车和跑台；用于锻炼肩部和背部肌肉的拉力器等。

“天宫”上还有一些医学实验装置，其中骨丢失对抗仪能以不同频率、不同力度敲打航天员腿部的骨头，对航天员施加外力刺激；神经肌肉刺激仪可对航天员进行电脉冲刺激，以防止长期飞行造成的肌肉萎缩；质量测量仪能在失重条件下“称量”人体质量，反映航天员飞行期间体重的变化。

“天宫”还携带了废物回收利用设备，对再生式生命保障技术进行了验证。其上的电解制氧装置可将纯水制成氧气，动态水气分离装置可把航天员的尿液进行水气分离。它装有心电记录装置、医监生化检测装置等医监设备，可对航天员身体状况进行实时监控。航天员随身携带的心电记录装置能24h连续记录心电数据，而且不受测控弧段的限制。航天员会24h穿着生理信号测试背心，它可采集心电、呼吸、体温、血压四大生理信号。

随“天宫”进入太空的航天食品包括蔬菜、水果、肉类和复水汤等成品菜肴，也有蛋白、脂肪、淀粉等单体成分，但这些都不能吃，是实验品。真正能吃的航天食品要等航天员随载人飞船带上天。实验用的航天食品要跟随对接的“神舟”载人飞船返回地面，研究人员要观察它们在太空长期运行后会发生哪些变化。我国专家已在地面存储了同批次的航天食品，用于对比研究。

航天员在“天宫”里睡觉、锻炼、工作，在飞船里吃饭、方便（天宫-2-神舟-11组合体飞行时，改为在天宫-2里吃饭）。食品加热器、大小便收集装置等航天员生活必备装置被隐藏于舱体内。

我国航天食品约有50余种，食谱每4天一轮换。以往用应急电源热饭，现在用太阳电池翼电源热饭。一日三餐，每餐均配有主食、副食、复水蔬菜、点心、调味品、水果、饮料等几大类。

航天医学专家为航天员准备了航天药箱、航天小药包和个人急救小药包三类药物。

应用系统

应用系统是利用“神舟”或“天宫”的空间实验支持能力，开展对地观测、环境监测等活动，进行材料科学、生命科学、空间天文和流体科学等研究。

我国太空食品加热装置

其中在天宫-1上，航天员开展了多项空间医学科学实验，还进行了对地观测、空间材料科学和空间环境探测三个方面的应用。

天宫-2上的科学实验数量、种类等更多，其中包括地球科学研究、生命科学研究和基础物理实验等一些新的实验，共有14项应用载荷，是载人航天历次任务中应用项目最多的一次，包括5个方面。

1）基础物理∶空间冷原子钟实验、空地量子密钥分配与激光通信试验；

2）空间天文∶伽玛暴偏振探测；

3）微重力流体物理和空间材料科学∶液桥热毛细对流研究、综合材料空间生长研究、两相流体实验及关键技术验证；

4）空间生命科学研究∶高等植物生长研究、微重力对细胞增殖和分化影响研究；

5）与全球变化相关的对地观测与空间地球科学∶利用多角度和宽波段成像仪、三维成像微波高度计、多波段紫外临边成像光谱仪开展相关研究。

火箭系统

运载火箭的可靠性是影响航天员安全最主要的因素。发射我国“神舟”飞船的长征-2F是在长征-2E基础上增加了故障检测系统和逃逸救生系统（逃逸救生塔），火箭飞行的可靠性达97%，航天员的安全性达99.7%。

为了实现交会对接，需使飞船精确入轨，因此，对发射“神舟”的长征-2F又进行了更改，例如，采用了迭代制导，它比以前的摄动制导更为先进，只要为火箭指定目标即可，火箭沿着轨道飞向预定目标的时候，通过实时迭代计算的方式来不断修正轨道，不断逼近目标，从而确保实现最高的轨道精度。

实施交会对接任务要求飞船在零窗口发射。零窗口是根据发射前“天宫”的轨道参数来确定的，目的是将飞船发射到与“天宫”共面的轨道上。“神舟”必须在“天宫”轨道面经过发射点后的某一时刻准时点火起飞，误差小于1s， 否则就需要消耗很多的推进剂来修正两者之间的轨道面偏差。另外，发射必须采用自动点火，如果采用手动点火，会有1～3s的反应时间。

装有逃逸塔的长征-2F载人运载火箭腾空

以往交会对接任务时采取定点瞄准发射方式，让飞船和目标飞行器相互靠近。发射神舟-11时转为动态瞄准，调整飞船发射窗口。这是因为未来空间站体量大，不可能为对接而调整自己的姿态或轨道高度，这样太耗费燃料。

测控通信系统

目前，我国的载人航天测控网包括北京航天飞行控制中心、西安卫星测控中心、3颗天链-1数据中继卫星、16个国内外陆基测控站、3艘海上测控船以及连接它们的通信网。3颗天链-1卫星可提供约100%的轨道覆盖率，以及百兆以上的高数据传输速率。

“天宫”与“神舟”围绕地球飞行时，1个地面测控站捕获它们的时间为约6min，而1颗中继卫星可连续跟踪它们约50min，实现约40%的连续测控通信覆盖，2颗中继卫星可实现约70%的连续测控通信覆盖，3颗中继卫星使我国航天测控覆盖率可以达到近100%。

天宫-2空间实验室的测控任务将由远望-5测量船承担，神舟-11飞船将由3艘测量船同时出海，分别在三大海域对飞船入轨阶段通信、飞船太阳电池翼展开、中继天线展开等关键环节进行测控。

中国远望号航天测控船

发射场系统

“神舟”飞船和“天宫”都是在酒泉卫星发射中心发射。这主要是更多地考虑了人的安全问题，如雷电天气较少，有较好的空中和地面电磁环境；火箭发射方向上近百千米内没有高山密林和较集中的居民点等。

着陆场系统

目前，“神舟”飞船返回方式基本相同，搜救模式为“空中搜救航天员，地面处置返回舱”，实现“快速定位、快速到达、安全出舱”的目标。为此，着陆场搜救分为空中和地面两支力量，重点是要求快∶一是尽快掌握航天员的健康状况；二是飞船着陆后，航天员重力适应需要时间长，期间既要确保航天员医疗救援稳妥可靠，又要确保现场处置正规有序；三是航天员后送转运衔接紧密。

空中有多种直升机（指挥机、通信机、搜救机、医监医保机、医疗救护机），它们均安装了导航卫星接收系统，动态信息可实时传回北京航天飞行控制中心，主要担负搜索发现返回舱，第一时间把航天员送到安全的地方。在直升机搜救航天员的任务完成后，返回舱的处理和运送任务就交给了由多辆特种车辆组成的地面车队。飞船返回主着陆场并完成航天员医监医保工作后，航天员乘直升机至附近的军用机场，然后转乘专机前往北京。

神舟-10航天员张晓光、聂海胜、王亚平（从左至右）乘返回舱着陆自主出舱后挥手致意

5　未来展望

2017年4月，我国将用长征-7火箭发射我国第一艘货运飞船天舟-1与天宫-2空间实验室对接，验证推进剂在轨补加技术。货运飞船要求可靠、高效、经济、多功能，这样能大幅度提高货物的运力，以满足今后空间站较大的物资需求。

我国将于2018-2022年间陆续发射1个核心舱和2个实验舱，每个舱质量都是20吨级，它们在太空对接呈T字构型空间站组合体。核心舱有5个对接口，可以对接1艘货运飞船、2艘载人飞船和2个实验舱，另有一个供航天员出舱活动的出舱口。

人类在漫长的社会进步中不断扩展自身的生存空间，人类活动范围的每一次扩展都会实现伟大的飞跃。随着我国载人空间站工程启动实施，我国将为和平利用和开发空间资源，担负起更多的责任，做出新的更大贡献。

东方/文

Development of China’s Human Spaceflight