“神舟号”载人飞船总体方案设计技术的发展

李颐黎

“神舟号”载人飞船总体方案设计技术的发展

李颐黎

（北京空间机电研究所，北京 100094）

文章介绍了中国“神舟号”载人飞船系统1992年～1995年总体设计技术的发展，该发展包括了四个阶段，即：载人飞船系统技术、经济可行性论证阶段，载人飞船系统技术、经济可行性方案复审阶段，载人飞船系统方案论证阶段和载人飞船系统方案设计阶段。文章论述了“神舟号”载人飞船总体主要方案和技术状态的确定，包括载人飞船舱段组成的论证与设计、载人飞船轨道舱留轨利用方案的论证、载人飞船应急救生方案的论证和设计、载人飞船降落伞方案的论证和设计、返回舱构型和总体布局设计。最后，文章给出了“神舟号”飞船总体方案设计取得的成果。

载人飞船 “神舟号”载人飞船

0 引言

2022年是中国载人航天工程实施30周年。载人飞船工程是中国载人航天工程的第一步，“神舟号”载人飞船见证了中国载人航天事业独立自主、自力更生，从无到有、从小到大的拼搏奋斗历程。“神舟号”载人飞船为中国载人航天事业的发展奠定了坚实的技术基础。

本文主要是介绍载人飞船工程中的“神舟号”载人飞船系统总体方案设计的优化，总体方案设计解决的问题和取得的主要成果。

1 载人飞船总体方案的设计进展

“神舟号”载人飞船的总体方案形成，主要经历了从技术、经济可行性论证到方案设计四个研制阶段。

1.1 载人飞船系统技术、经济可行性论证阶段（1992年1月～9月）

1992年1月8日，中央专门委员会决定开展中国载人飞船工程（代号“921”工程）可行性论证工作。1992年1月20日，航空航天工业部党组确定由中国空间技术研究院承担载人飞船工程中的载人飞船系统（代号“921–3”系统）的研制和可行性论证工作。这个消息给研究院，特别是从事多年载人飞船研究论证人员，以极大的鼓舞和鞭策，为之奋斗多年的载人飞船工程立项终于有了良好的开端。

1992年1月初，国防科工委发出了关于进行载人飞船工程技术、经济可行性论证工作的通知。为完成论证工作，国防科工委成立了以王永志为组长的中国载人飞船工程技术、经济可行性论证组，该论证组下设载人飞船系统论证组，由戚发轫任组长，张国富、范剑峰任副组长[1]。

为了完成国防科工委的论证要求，中国空间技术研究院也成立了载人飞船论证组。院于1992年1月 24日召开了载人飞船论证任务动员大会，会上宣布成立中国空间技术研究院载人飞船论证组（范剑峰任组长、李颐黎、吴开林任副组长），中国空间技术研究院组建研究院载人飞船工程处（刘济生任处长）。由中国空间技术研究院院长戚发轫和副院长张国富组织、领导载人飞船系统技术、经济可行性论工作[2]。

经过研究院载人飞船论证组的努力，按时圆满地完成了载人飞船系统技术、经济可行性论证工作。1992年6月6日由范剑峰、李颐黎、王渊、刘济生作为编写人完成了《“921”工程技术、经济可行性论证报告·载人飞船系统》，并得到戚发轫院长的批准。载人飞船系统的13个分系统也完成了相关的分系统可行性论证报告和多项专题报告，作为主报告的支撑性报告[2]。在1992年6月25～30日召开的“921”工程可行性方案评审会上，报告经过专家评审通过，后经航空航天工业部上报国防科工委。

《“921”工程技术、经济可行性论证报告·载人飞船系统》提出的方案充分利用中国现有技术及现有技术的延伸技术，同时又具有中国特色和技术创新，在整体上达到国际先进水平。

1.2 载人飞船系统技术、经济可行性方案复审阶段（1992年10月～1993年4月）

1992年9月21日，中共中央政治局常委会议批准了中国载人飞船工程实施。

1992年11月，任命了载人飞船系统的两师系统，戚发轫任总设计师，汪国林任行政总指挥（1995年 8月改由戚发轫担任）。1992年10月6日，北京空间飞行器总体设计部成立了载人飞船总体设计室，负责载人飞船系统总体设计工作。总体室成员主要来自为立项做出贡献的载人飞船论证队伍、富有经验的返回式卫星总体研制队伍，以及参加工作不久的年轻人员。

鉴于载人飞船系统总体和某些分系统在承担单位和队伍上存在较大变动，中国空间技术研究院决定在开展方案论证之前，开展飞船总体及分系统可行性方案的复审。复审对象是1992年9月上报的《载人飞船工程技术、经济可行性论证报告·载人飞船系统》及相应的各分系统报告和专题报告。复审的主要内容是方案的总体优化、系统的任务和指标、系统的功能和原理以及系统的组成和接口关系。在上海航天局第八研究院、航天医学工程研究所和中国科学院空间科学和应用研究中心等单位的大力协同下，载人飞船系统完成了载人飞船系统可行性方案复审工作，并在1993年3月29日，由李颐黎执笔完成了《载人飞船可行性方案复审报告》。

通过复审，确认了载人飞船系统可行性论证提出的总体方案可行，对一些分系统的某些技术方案做了优化。例如，上海航天局通过复审认为飞船总体提出的采用两对太阳电池阵、并使得太阳电池阵能绕单轴转动以实现对日定向的方案是可行的。

1.3 载人飞船系统方案论证阶段（1993年4月～12月）

1993年4月，载人飞船系统方案论证工作开始。

在方案论证阶段，为优化总体设计，根据不同阶段的飞行任务，研究确定了载人飞船有“飞船的标准状态”（作为天地往返运输状态）、“飞船的留轨利用作为交会对接目标状态”和“飞船初期试验状态”3种技术状态[3]。对每一种状态都进行了分析和设计，载人飞船系统所属的13个分系统也完成了各自的方案论证。

1993年12月，由吴健生、李颐黎编写的《载人飞船工程载人飞船系统总体方案论证报告》通过评审后上报，1994年4月14日国防科工委就此报告对中国航天工业总公司作了批复。

1.4 载人飞船系统方案设计阶段（1994年1月～1995年6月）

在方案设计阶段，总体及各个分系统完成了“神舟号”载人飞船方案设计，确定了飞船系统的状态和各级技术要求。完成了系统级和分系统级关键技术的攻关，关键技术攻关总结报告通过了上级审查。在此基础上，由吴健生和李颐黎于1995年6月编写了《载人飞船工程载人飞船系统总体方案设计报告》，评审通过后上报，1995年12月8日国防科工委就此报告对中国航天工业总公司作了批复。

2 “神舟号”载人飞船总体主要方案和技术状态的确定

在“神舟号”载人飞船可行性论证、可行性方案复审、方案论证和方案设计阶段，载人飞船系统总体经过多方案综合比较确定了三舱方案，提出了具有中国特色的轨道舱留轨方案，学习国外经验并进行技术创新确定了逃逸救生方案，结合我国实际情况进行创新确定了降落伞方案，综合各方要求和约束确定了返回舱构型和布局。

2.1 “神舟号”载人飞船舱段组成的论证和设计

载人飞船构型的设计至关重要。首先要满足可靠性和安全性要求，其次要满足飞行任务要求，同时要考虑我国当时的实际条件和能力，还要考虑经费和进度的约束。在载人飞船技术、经济可行性论证阶段，经过多方案论证后集中在两种构型，一种方案是由轨道舱、返回舱、推进舱组成的返回舱居中的三舱方案，另一种方案是由返回舱和推进舱组成的两舱方案。对这两种方案论证组进行了相同深度的论证，最后经过综合比较认为返回舱居中的三舱方案完成载人任务后，可以留轨利用，继续开展科学试验，也可以作为飞船的交会对接的目标，进行交会对接试验。虽然，三舱方案要在逃逸时使用栅格翼，但可以通过攻关解决。最终决定采用返回舱居中的三舱方案，如图1及图2所示[2]，在图1及图2中的飞船皆为1992年确定的载人飞船初期试验状态；应当指出，该方案的返回舱最大直径为2.5m，比“联盟TM号”飞船的2.2m大，从而解决了“联盟TM号”乘坐3名航天员过于拥挤的问题。该方案的返回舱的外形升阻比较大，从而使航天员返回舱的再入过载峰值限制在3～4n，优于美国“双子星座号”载人飞船返回舱的再入过载峰值为4～5n的指标[3]。

图1 返回舱居中的三舱方案发射状态构型图

图2 返回舱居中的三舱方案在轨飞行俯视图（1992年，载人飞船初期试验状态）

2.2 “神舟号”载人飞船轨道舱留轨利用方案的论证

在载人航天工程的第一步，在飞船完成最多7天的轨道运行后，在返回前将轨道舱留在空间工作半年左右，从而大大延长飞船上轨道舱（含附加段）有效载荷的工作时间，提高飞船综合的效益，这是中国的首创。

经论证，在留轨舱上安装一对较小的太阳电池阵，并在轨道舱内配以相应的镉镍蓄电池。留轨舱上采用动量轮控制方法，以减小姿态控制推进剂的消耗量，同时在轨道舱上配置有轨道舱推进子系统和相应的其他设备，这样轨道舱可在轨道上留轨工作半年左右。飞船轨道舱可为有效载荷提供2m3、300kg的实验能力。留轨状态的轨道舱的布局如图3所示[4]。实际上，在“神舟二号”至“神舟六号”飞船上成功地实现了轨道舱留轨利用。

图3 “神舟号”飞船留轨的轨道舱的布局（发射状态）

这里应该指出，在载人飞船的论证中曾提出留轨舱作为交会对接目标方案。在中国载人航天工程的第二步由于考虑到留轨舱虽可作为交会对接的目标，但在对接后航天员不能进入轨道舱工作和生活，技术验证不够充分。考虑到我国技术和工艺基础能力的发展，采用了更好的将“天宫一号”目标飞行器作为交会对接目标的方案[5-6]。

2.3 “神舟号”载人飞船应急救生方案的论证和设计

逃逸救生是保证航天员安全的重要手段，几乎涉及各个系统，关系复杂，但我国当时缺少研制经验和基础。在可行性论证阶段，着重研究和确定了逃逸救生模式和方案，为确定工程总体可行性论证方案奠定了基础。

载人航天的首要目标就是要保证航天员的安全。为应对飞行全过程中可能出现的危及航天员安全的故障，必须确定有效的救生措施，保证航天员安全回到地面。

方案论证和方案设计阶段，载人飞船系统，在工程总体的指导下，在各方的支持下，分析了各阶段可能出现的主要故障，制定了全过程的应急救生方案，并与各方协调确认。同时在方案阶段应急救生系统大胆实现了技术创新，攻克了“应急救生轨道设计与接口分析”的关键技术，从而为应急救生方案的设计奠定了基础。

2.3.1 发射段逃逸救生设计

发射段运载火箭可能发生故障，不能继续飞行。载人飞船和各系统需要通力配合，根据发生故障的时机和后果采取措施，将航天员带离危险区，并保证返回舱安全着陆，或进入非设计轨道。

（1）大气层内的救生

大气层内发生故障时，采用舱段救生模式。即一旦需要逃逸，飞船返回舱与推进舱分离，由逃逸飞行器将返回舱连同轨道舱带走，脱离危险区。然后返回舱从逃逸飞行器中分离，依次打开引导伞、减速伞和主伞，使返回舱安全着陆。1998年10月19日在中国酒泉卫星发射场进行了“长征2F号”运载火箭-“神舟号”飞船零高度逃逸救生飞行试验，取得圆满成功[7]。有塔逃逸飞行器的总体布局如图4所示[8]。

图4 有塔逃逸飞行器的组成

（2）大气层外的救生

大气层外发生故障时，采用整船逃逸。即一旦需要逃逸，飞船与运载火箭分离后，由飞船4台变轨发动机（每台的推力为2.5kN）工作10秒钟以增大船箭分离速度，然后飞船可以根据故障的时机和轨道，调整飞船的姿态和变轨发动机的工作时间，以增长或缩短救生轨道的航程，使飞船返回舱溅落在总长度为2 200km的三个区内[9-10]，这种“海上定区溅落”的方案，是中国首创。

2.3.2 在轨段应急救生设计[8]

在轨段载人飞船系统可能发生故障，必须有针对性采取措施：

1）确定了“一度故障工作，二度故障安全”的安全性设计原则。载人飞船系统进行安全性和可靠性设计，采取冗余备份措施。一旦发生故障，可以自主或由地面处置，切换到备份设备，继续飞行。这就为保证飞行任务的可靠和航天员的安全提供了坚实的基础。

2）采取安全性措施。分析飞船的一般危险源和故障危险源，尽可能消除危险给航天员安全带来的影响。对于无法消除的危险源进行监测，及时发现故障，启动故障处置。增加专门的安全性措施，保证航天员安全。例如为应对可能出现的舱体泄漏失压的安全风险，增加压力监测传感器实时监测舱压。增加舱内航天服保证航天员生命安全。在发射段、变轨段、返回段等风险较大的飞行阶段，提前穿着舱内航天服有备无患。当入轨后，确认飞船载人舱内环境正常后，方能脱掉舱内航天服。

3）当出现无法继续飞行的故障时，设计了自主应急返回飞行模式。飞船终止任务，提前实施应急返回，保证航天员安全。

2.3.3 返回段的安全性设计

飞船返回段故障发展快，过程不可逆，测控条件差，必须天地配合保证安全返回。

1）采用成熟技术，降低安全风险。借鉴我国返回式卫星的成功经验，对关键指令、关键环节采取专门措施，保证程序可靠执行。借鉴国外经验，确定的返回舱外形为类“联盟”号外形，可以保证返回舱可靠再入。

2）对于GNC、推进和回收着陆等关键功能，增加备份措施。为克服黑障等测控不利条件，采取自主切换措施。例如GNC控制采用两种陀螺冗余备份，自主诊断和切换；推进分系统设立主、备两路推进系统，可切换使用；回收着陆系统主、备降落伞自主诊断、切换；返回舱着陆时采用着陆缓冲发动机和座椅缓冲装置互为备份的方案。

2.4 “神舟号”载人飞船降落伞方案的论证和设计

1992年4月，中国空间技术研究院载人飞船论证组负责载人飞船回收着陆分系统方案可行性论证的李惠康研究员、贺卫亮工程师，提出了《载人飞船回收着陆分系统方案可行性论证报告初稿（三舱方案）》，在该报告中提出了“神舟号”载人飞船回收着陆分系统降落伞子系统的如下两种方案：

方案1：主份伞中的主伞采用冲压式可控翼伞，备份伞中的主伞采用了双伞方案；

方案2：主份伞中的主伞采用三伞方案，备份伞中的主伞采用了双伞方案。

且两种方案的伞舱都布置在返回舱的小头，方案1的回收着陆分系统的布置如图5所示。

该报告还指出：一旦方案1的翼伞研制过程中遇到难以克服的困难时，则用方案2代替方案1。

在李颐黎于1993年3月29日编写的《载人飞船系统可行性方案复审报告》中提出：“尽管可控翼伞具有定点着陆、便于选择着陆场的优点，但由于大面积翼伞的技术储备不足，需3～5年才能完成大面积翼伞的攻关任务，显然赶不上研制进度，因此飞船系统决定采用普通伞方案。”

1993年4月至1993年6月，单志祥、王汉泉高级工程师分别编写了载人飞船回收伞型及布局的报告，明确了返回舱座椅的姿态按中间座椅椅背与返回舱的纵轴呈70°夹角布置，主份伞伞舱及备份伞伞舱分别布置在中间座椅上航天员头顶的侧上方的返回舱侧壁上，并采用普通伞方案。这一布置和伞型的选取得到了回收着陆分系统主任设计师李惠康等回收着陆分系统设计人员的支持。在方案论证阶段，回收着陆分系统决定将主份伞主伞的三伞方案和备份伞主伞的双伞方案都改为单伞方案，得到了飞船系统总体的支持。

在方案论证阶段“神舟号”主份伞主伞的伞型由翼伞改为普通伞减轻了对回收着陆分系统研制的压力，提高了飞船回收着陆分系统的可靠性。伞舱的布局由返回舱小端改为侧壁上，腾出了仪表照明分系统设备和光学瞄准镜安装的空间，并有利于返回舱质心向大底方向移动和向第Ⅲ象限线方向的偏置，减轻了返回舱金属大底加的铅块配重的质量，有利于飞船总体布局的性能的改善。至于由翼伞方案改为普通伞方案使返回舱着陆点散布扩大的问题，在方案设计阶段飞船总体提出采用“风修正方案”，并得到飞船系统和载人飞船工程的大力支持，从而使得飞船返回舱着陆精度达到优于“联盟TM号”飞船着陆精度，这也是中国载人飞船技术的一项创新[4]。

2003年“神舟五号”飞船回收着陆分系统研制取得圆满成功，对保证“神舟五号”航天员杨利伟的安全着陆、自主出舱起到了重要作用[11]。

2.5 “神舟号”载人飞船返回舱构型和总体布局设计

2.5.1 “神舟号”载人飞船气动外形研究

根据返回舱正常和故障再入过程中，航天医学要求，过载必须控制在人体耐受能力指标内，加之我国着陆场的范围对返回舱着陆点偏差提出了严格的要求，这都要求返回舱再入时具有一定的升阻比。返回舱的防热结构也对返回舱气动外形提出了约束。

在方案论证和方案设计阶段，载人飞船系统总体比较分析了不同的气动外形及其特性。根据总体方案要求，借鉴国外经验，结合我国实际情况，最终选择了类“联盟号”返回舱的钟形气动外形，并在两个伞舱盖上各加一个耳片，以消除返回舱再入大气层中的第二配平点。并以此对总体返回舱质量特性控制、防热结构设计、以及GNC分系统分析与设计提出设计要求和提供了气动数据。

2.5.2 “神舟号”载人飞船返回舱的座椅相对于返回舱的姿态研究[4]

载人飞船总体，在分析了“联盟号”载人飞船及“阿波罗号”载人飞船气动特性和返回舱内的布局，分析飞行阶段航天员承受过载的情况，提出了“神舟号”飞船座椅相对于返回舱的姿态要求。即座椅应采用中间座椅的椅背与返回舱的纵轴呈70°夹角的方案，如图6所示。（在图6中，为飞行速度；为气动力合力；和分别为升力和阻力；和分别为法向力和轴向力；为气动力力矩；tr为配平攻角；为气动力合力与椅背的夹角；为气动合力与返回舱纵轴的夹角；为质心偏离纵轴的距离；a和g分别为气动力中心和质心的坐标。）这样的座椅姿态使得待发射阶段航天员躺在座椅上舒适，入轨后又便于通过光学瞄准镜观测地面，在返回再入段承受的过载使航天员压向座椅而不是离开座椅，且头臀方向与胸背方向受力之比约为0.21，比较适宜，在这种姿态下航天员过载承受能力强，如图7所示[12]。

图6 返回舱以配平攻角飞行时的气动力和中间座椅上的航天员的位置和姿态

图7 超重限制图

2.5.3 “神舟号”载人飞船返回舱总体布局设计

在载人飞船的方案论证阶段，在前期研究的基础上，根据航天医学要求和工效学要求、气动设计对质量特性的要求、回收降落伞出伞的要求，以及各分系统对返回舱布局要求，飞船总体明确了返回舱座椅的姿态按中间的椅背与返回舱的纵轴呈70°布置（见图6），伞舱应布置在航天员头顶的侧上方、在返回舱的侧壁上的初步方案。根据载人飞船标准状态进行布局设计，再根据其他两个状态的要求调整布局。

根据方案设计阶段的设计要求，1994年2月完成了返回舱总体初步布局，1995年2月，确定了返回舱的布局。“神舟号”飞船返回舱的总体布局如图8和图9所示[4]。

图8 “神舟号”飞船返回舱的总体布局

图9 “神舟号”飞船返回舱座椅区布局

3 “神舟号”飞船的总体论证及方案设计成果

3.1 直接成果

载人飞船是载人航天第一步的核心之一，是工程的关键之一。载人飞船技术、经济可行性论证是国防科工委组织的中国载人飞船工程论证的主要工作基础之一。载人飞船总体方案论证和设计，对中国载人航天工程的实施提供了重要依据，为后续载人飞船的研制打下了良好的基础。

载人飞船总体方案论证及方案设计的成果中与飞船返回技术相关的成果，已在1999年发射的“神舟一号”飞船上经过飞行试验的考验，取得了“神舟一号”无人飞船正常运行、圆满回收的佳绩。

“ ‘神舟一号’载人飞船总体方案论证及方案设计（含载人飞船系统技术、经济可行性论证）”项目于2000年12月荣获国防科工委颁发的国防科学技术奖三等奖（李颐黎、范剑峰、戚发轫、张国富、王渊等为该项目的主要完成者）。

3.2 对后续成果的影响

“神舟号”载人飞船总体方案设计的圆满完成，为后续的首艘“神舟号”载人飞船载人飞行取得圆满成功奠定了基础。2003年10月，中国第一位航天员杨利伟，乘坐“神舟五号”载人飞船在太空遨游了14圈后，安全返回地面，使我国成为继苏、美之后第三个独立自主地实现载人航天的国家。2004年1月，“中国载人航天工程（飞船系统）”荣获国家科学技术进步奖特等奖。

文章的作者在撰稿过程中得到了“神舟号”载人飞船第二任总设计师张柏楠和北京空间飞行器总体设计部飞船总体室主任李兴乾的帮助，特此致谢！

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Technology Development of Scheme Design of China Shenzhou Spaceship System

LI Yili

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

This paper introduces the technology development of scheme design of Shenzhou spaceship from 1992 to 1995. This paper discusses the determination of chief scheme design of Shenzhou spaceship, including scheme demonstration and scheme design of composition of manned spaceship module, scheme demonstration of orbital module of manned spaceship for keep on orbit to make use, scheme demonstration and scheme design of emergency rescue plan of manned spaceship, scheme demonstration and scheme design of parachute system plan of manned spaceship, and scheme design of lay out of recovery module of manned spaceship. Lastly, the achievement about scheme design of Shenzhou spaceship is given.

manned spaceship; Shenzhou manned spaceship

V445

A

1009-8518(2022)05-0001-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.05.001

2022-06-23

国家重大科技专项工程

李颐黎. “神舟号”载人飞船总体方案设计技术的发展[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(5): 1-10.

LI Yili. Technology Development of Scheme Design of China Shenzhou Spaceship System[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(5): 1-10. (in Chinese)

李颐黎，男，1935年生，研究员、航天专家、北京航空航天大学兼职教授、哈尔滨工业大学兼职教授。曾任中国空间技术研究院载人飞船论证组副组长、中国载人飞船工程载人飞船系统总体副主任设计师兼应急救生分系统主任设计师、“神舟七号”飞船专家组成员。长期从事火箭和航天器系统的研究、设计工作。2004年荣获国家科学技术进步奖特等奖。

（编辑：陈艳霞）