中国载人航天技术发展历程——讲稿(30页)

中国载人航天技术发展历程

（讲稿）

前言

2016年我国载人航天活动又进入了一个高潮期。9月15日，我国用长征二号F-T2火箭成功发射了天宫二号空间实验室。10月中下旬，还将发射神舟十一号载人飞船，将与天宫二号对接，并且送去两名航天员，在里面工作30天。2017年4月将发射我国首艘货运飞船天舟一号与天宫二号对接，对天宫二号进行在轨推进剂补加，从而完成我国载人航天工程第二步第二阶段的任务，为第三步建造空间站奠定坚实的基础。

载人航天是航天技术更高阶段的发展，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。它还关系到人类的未来，因为失重环境可以解放人的双脚。现在人类有几大问题亟待解决，比如说资源枯竭、环境恶化、人口激增……这些问题只有通过开放地球、扩大人类生存环境来解决。因此，载人航天意义十分重大。然而，由于载人航天技术特别复杂，投资和风险也很大，至今只有前苏联、俄罗斯、美国和中国独立掌握了载人航天的技术。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。

一、我国载人航天发展总体概况

（一）我国载人航天早期活动情况

载人航天是当今高技术中最具挑战的领域，能体现一个国家的综合国力和整体的科技发展水平，可以通过航天员直接操作更好地开发太空资源。我国其实很早就开始载人航天活动的一些工作，包括早期用太空火箭发射小白鼠、小狗做一些生物方面的实验。

20世纪70年代初，我国曾经准备研制载人飞船，名叫曙光号飞船。它是一个两舱式飞船，形状有点像一个倒扣的大漏斗，由座舱和设备舱组成，同时从全国空军1000多名飞行员中选出了88名飞行员，1971年到北京进行复选，最后选出了首批19名预备航天员。由于当时政治经济技术方面的原因，自1971年10月以后，曙光一号飞船研制处于停滞状态。1975年3月国家正式宣布这项工程下马。虽然我国第一个载人航天计划终止了，但这项计划中已经开展的各项工作给未来的载人航天发展积累了经验。虽然初选的航天员中没有进行培训，但是航天医学工程研究所的工作没有停止，继续进行了多项研究，取得了大量宝贵数据，包括研制航天食品等，为之后的航天员选拔创造了良好的条件。

（二）我国载人航天的途径选择

从1986年起我国开始实行著名的863计划，其中一个重要内容提出我国载人航天技术发展途径和总体方案。最终目的是要研制空间站，但是空间站本身没有天地往返运输功能，所以在研

制空间站之前要研制天地往返运输器，要把航天员和货物送到空间站，工作完了以后再运回。当时有两种天地往返运输器，一种是航天飞机，一种是载人飞船。刚开始的时候，有些人赞同研制航天飞机，认为它技术先进。后来，经过几年的论证，表明航天飞机虽然先进，但是太复杂，投资太大，风险也太大。所以，根据我国国情国力和遵照“有所为、有所不为”“有限目标、重点突出”的863高技术研究发展的指导思想，专家们最后一致同意从载人飞船起步。同时，研制载人飞船能够最大限度地利用我国已经掌握的返回式卫星的成熟技术。另外，考虑到我国在运载火箭、返回式卫星方面有坚实的技术基础和丰富研制经验，并且可以借鉴国外研制载人飞船的经验，最后决定一步到位，越过一舱式飞船、两舱式飞船，从当时最先进的三舱式飞船起步，并起了一个非常有特色的名字——“神舟”。1992年9月21日党中央批准了研制载人飞船工程，自此中国的载人航天工程正式启动。

前苏联、俄罗斯一直在研制飞船，中间也搞过暴风雪号航天飞机，但是只进行了一次无人飞行以后就下马了，因为太贵。美国发射了三种飞船以后，也把大量的财力、物力、人力投入到被吹嘘的神乎其神的航天飞机上。但是，在走了一大段弯路以后，他们发现航天飞机又贵又不安全。所以，在发射了135架次航天飞行、损失了两架航天飞机、牺牲了14名航天员之后，又回归飞船，目前正在研制新的飞船。实践证明，我国当时的决策非常英明。

（三）我国载人航天的发展战略

载人航天是当今高技术中最具挑战的领域，能够体现一个国家的综合国力。我国载人航天实施“三步走”发展战略。

第一步，用载人飞船将航天员安全送入轨道并安全返回地面，实现载人航天的历史性突破。这一步通过发射神舟五号和神舟六号载人飞船实现了。

第二步，突破航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术，这也是建造空间站必备的技术；发射空间实验室和货运飞船等，这些也是建造空间站的前提。

掌握太空行走技术有五大用途。第一，在太空组装和扩建大型空间站；第二，在太空维修、维护、升级各类空间站；第三，能够方便实现回收和释放卫星，以及进行一些科研任务；第四，可以实施紧急太空救援；第五，满足未来建立月球基地和载人登火星的需求。我国的太空行走，通过2008年9月神舟七号航天员翟志刚出舱，取得了突破。其亮点之一是，神舟号飞船的轨道舱改成了既可以作为出舱活动的气闸舱，又可以作为航天员的生活舱。另一个亮点是，使用国产的“飞天”舱外航天服，性能非常优异。并且通过神舟七号飞船首次释放了小卫星。

掌握交会对接技术也有很多用途。第一，为长期运行的空间设施提供人员运输和货物补给。第二，可以使两个空间站在太空中相互支持，从一个空间站可以派飞船到另一个空间站。第三，可以在轨组装大型航天器结构。空间站是由多舱组成的，把各个

单舱通过交会对接组装成一个大型的空间站。第四，可以实现航天器重构，以实现系统的优化，等等。2011年，我国天宫一号目标飞行器和神舟八号无人飞船实现了自动交会对接。2012年、2013年我国发射的神舟九号、神舟十号载人飞船与天宫一号进行了自动和手控交会对接，并送上了两名女航天员。这三次飞行使我国突破和掌握了交会技术，也是世界第三个掌握这项技术的国家，并使神舟号载人飞船基本定型。以前是试验飞行，从神舟八号开始飞船就定型了，之后没有大的变化。至此，第二步第一阶段结束。

此后，我国载人航天进入第二步第二阶段。2016年、2017年分别发射天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船以及天舟一号货运飞船，验证空间站部分新技术，进行中等规模的空间应用发展。天宫二号原来是天宫一号的备份，由于天宫一号目标飞行器表现得很好，目前仍在超期服役，所以对天宫二号进行了适应性改装，让它执行空间实验室任务，包括考核航天员中期在轨驻留的能力，验证在轨补加推进剂技术，开展较大规模科学实验和应用试验，以及在轨维修和空间站技术验证等实验。

我国正在研制的天舟货运飞船由货物舱和推进舱组成，其上行货物运输能力是6.5吨，下行销毁废弃物能力是6吨，达到了国际先进水平。俄罗斯的进步号货运飞船每次只能运输2.5吨货物。

第三步，在2020年左右建成长期载人的大型空间站，大规

模长时间开发太空资源。我国空间站基本构型是T字形，由从2018年起先后发射的三个20吨级的舱段组成，其中天和一号核心舱居中，实验舱Ⅰ问天和实验舱Ⅱ梦天分别对接在两侧。我国空间站采用再生式生命保障系统，按长期载三人状态设计，每半年由载人飞船实现人员的轮换，由货物飞船进行推进剂和物资的补给。为此，要突破四大关键技术，包括推进剂补加技术、物理化学再生式生命保障技术、电源技术和空间机械臂技术。它将在轨运行10年以上，成为我国空间科学新技术研究实验的重要基地，还是科学普及和国际合作的基地，可以获取具有重大科研价值的研制成果和重大战略意义的运用成果。

二、神舟飞船发展历程：从一号到十一号

神舟飞船是我国第一代载人飞船。从系统组成讲，我国的神舟飞船采用了当时最先进的三舱式构型。1992年9月21日，我们决定采用三舱式飞船，由轨道舱、返回舱、推进舱组成（有的时候还要加一个附加段或者对接口）。其中，轨道舱和返回舱是压力密封舱，里面的环境和地面是一样的。整个飞船长约9米，重约8吨，乘员人数是3人，入轨载荷是300公斤（因为有货运飞船，载人飞船主要以载人飞船为主），返回时还能带回100公斤的样品。飞船的可靠性达到97%，航天员安全性达到99.7%。飞船的自主飞行时间可以达到7天，如果停靠在天宫或者未来空间站上，可以达到180天。两个压力舱内部的压力在101千帕左右，气体成分是氧氮混合气，这和地面是一样的。飞船内航天员

自由活动空间大概有6个立方米。最后返回地面的是返回舱，具有支持航天员生存的功能，在陆上可以生存48小时，在海上可以生存24小时。在预定地点着陆后，马上有着陆场系统的救援人员为航天员提供支持。如果没有降落在着陆地点，航天员本身可以自我紧急救生，随后等待救援部队进行救援。

神舟载人飞船由飞船系统总体和13个分系统组成。分系统有结构与机构分系统、热控系统、环境控制与生命保障系统，等等。在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，其他属于飞船分系统。这些分系统涉及物理、医学、环境等数十种科学领域，所以飞船具有技术的多样性和研制的复杂性的特点。

飞船一般是在既定轨道飞行，包括空间站也是。所有载人航天器轨道高度一般都在300公里到500公里范围之内进行飞行。如果再高，将进入或者接近地球腐蚀带，对航天员造成伤害。如果低于300公里，则会受残存大气阻力影响，轨道衰减较快，这样就需要较多的推进剂进行轨道保持。

我国的飞船是一般先发射到近地点200公里、远地点350公里的椭圆轨道，到5圈时再变轨，运行在倾角42.4°、高343公里的圆轨道上，目的是为了紧急返回时方便。但是，2016年10月中下旬发射的神舟十一号载人航天飞船将在393公里高的轨道上与天宫二号进行交会对接，主要是考虑到我国未来空间站将在393年公里高进行交会对接。为了验证技术，这次交会对接

的轨道比原来运行的轨道高50公里。

（一）我国飞船技术状态

为了适应不同阶段的任务变化，神舟系列载人飞船有三种技术状态。第一种是初期试验技术状态。它的特点是，神舟飞船的轨道舱可以进行留轨利用。飞船完成任务以后，返回舱返回地面，轨道舱还可以留轨利用半年以上，相当于一颗科研卫星。神舟五号、六号飞船就采用这种技术状态。第二种是出舱活动试验技术状态。它的特点是，为了完成航天员空间出舱活动（太空行走），轨道舱不再留轨利用了，因此取消了轨道舱上的太阳电池翼和姿态控制系统，但它的轨道舱除了具备生活舱的功能，还具备出舱活动的气闸舱功能，用于突破太空行走技术。轨道舱还放置了舱外航天服，并配置轨道舱卸负压系统、舱外行走扶手。神舟七号载人飞船就采用这种技术状态。第三种是天地往返运输器技术状态。它的特点是在轨道舱的前端安装了用于交会的测量、运动控制等设备和对接用的机构，用于跟其他的航天器进行交会对接，而且它的轨道舱也不留轨利用，因此轨道舱没有太阳电池翼和独立姿控系统。神舟八号以后的所有神舟飞船都采用这种技术状态，作为天地往返运输器，供天宫一号、二号以及未来的天宫空间站使用，运送往来的人员。

下面对神舟飞船三个舱进行一个简单介绍。轨道舱位于飞船的最前部，是一个圆柱形，最长2.8米。这个舱用于航天员登天以后在里面工作、吃饭、方便、睡觉。返回舱位于飞船中部，呈

钟形，长2.5米，最大直径也是2.5米，在返回舱外表面涂有不同厚度的低密度烧蚀材料。由于返回的时候经过大气层会产生高温，通过烧蚀材料，能够将舱内温度控制在40度以下，在航天员可以忍受的范围内。另外，返回舱上还有缓冲发动机，着陆的时候起动缓冲发动机，使航天员乘坐飞船软着陆。当然，返回舱还装有降落伞，离地面10公里的时候打开降落伞减速。推进舱位于飞船的后部，是一个非密封结构。它也是一个圆柱体，总长2.94米，主要是为飞船提供动力和能源，并进行姿态控制、变轨、制动，等等。

（二）神舟飞船的技术特点

我国的神舟飞船有几大技术特点。第一，作为我国第一代飞船，神舟飞船起点很高，直接研制三舱式飞船，可以乘坐三名航天员。第二，我国的飞船可以一船多用，国外的飞船返回后，它的轨道舱就废弃在轨道上了，而我国飞船的轨道舱具有留轨利用的功能，可以再工作半年，发挥余热。第三，性能先进，智能化程度很高，在某些方面比俄罗斯联盟号飞船性能还好。比如，采用信息技术的最新成果，从自动化控制、制导导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示，神舟飞船的电子技术和智能化水平远远领先。装在飞船推进舱上的太阳电池翼具有自动对准太阳的功能，能够保证飞船的电源充足。国外的飞船有的还是采用电池，包括美国的航天飞机都是采用电池。第四，我国神舟号飞船防热技术具有国际先进水平。最大直径为2.5米的神舟号飞

船返回舱表面积是22.4平方米，使用的防热材料总质量是500公斤。而俄罗斯的联盟号飞船直径比我们小，只有2.2米，表面积是17平方米，但它的防热材料质量达到700公斤。第五，神舟号飞船降落伞是世界上回收能力最强的降落伞之一，也是最大的，足有1200平方米。降落伞由引导伞、减速伞、主伞、牵顶伞（后加）和伞包组成。引导伞的任务是将减速伞拉出、拉直；减速伞把返回舱的速度从每秒200米减至每秒80米左右后，与主伞分离；主伞打开以后，能把返回舱的速度减至每秒6米。整个降落伞在地上足有半个足球场大小，但折叠起来只有一个手提包大小，质量仅有90多公斤，如果用普通的降落伞材料制作，体积和质量都会增加三倍。

神舟号飞船采用了多项先进技术，其中10多项关键技术达到了国际先进水平，它使我国载人飞船技术达到或优于国际第三代载人飞船的水平。从神舟八号起，我国的飞船就基本定型了，并有交会对接功能，可以小批量生产，因而可以提高可靠性、缩短研制周期、降低研制费用。其对接机构采用了异体同构周边式对接机构，可以在对接以后形成直径0.8米航天员转移通道，而且定型以后还改进了手控设备，增加了8台平移发动机和4台反推发动机，可以使飞船向前平移或后移，对接的时候更加自由，同时提供了紧急避撞的动力，可以及时返回撤离。为了安全起见，神舟号飞船的返回舱落地时，要提升座椅，以免减少落地时产生冲击力。

从神舟九号飞船起，返回舱内的航天员座椅下的提升装置用压缩空气取代了燃气，这样比较安全。为了满足交会对接和返回的需求，飞船上有1吨的推进剂，同时配备了应急电池，舱外还有摄像机，采用了扩频通信方案，大大提高了图像的传输质量。另外，对神舟飞船的技术性能和安全性、可靠性也进行了进一步改进。比如，飞船在前期可以独立飞行5~7天的基础上，具有了与空间站对接后停靠180天的能力，而且它的推进舱的太阳电池功率也提高了50%，由1.2千瓦增加到1.8千瓦。返回时为了更加安全，在以前的几个伞的基础上增加了一个牵顶伞，进一步提高了整个回收系统的可靠性。在神舟九号和十号任务中，为了解决女航天员适体性问题，对女航天员所使用的舱内航天服、座椅也进行了修改，并且为女航天员准备了巧克力、甜食和一些补血食品，对大小便收集装置的高度和相对位置也进行了局部修改。

（三）神舟飞船的发展历程

1999年11月20日，我国用长征二号F运载火箭发射了神舟一号无人实验试验飞船，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。它还不是正样船，所以采用了最小的配置，13个分系统只上了9个分系统。实践表明，我国已经掌握了飞船舱段分离、调姿制动等关键技术，而且飞船和火箭的性能优良，新建的载人航天发射场、测控网具有先进水平。

2001年1月10日发射的神舟二号是我国第一艘无人正样飞船（注：正样飞船是用于正式发射的飞船）。这个飞船在技术状

态上和载人飞船基本是一致的，13个分系统均参加了飞行实验，重点考核了环境控制与生命保障系统和应急救生两个分系统，首次进行了轨道舱留轨飞行。

2002年3月25日，发射了神舟三号无人飞船，技术状态与载人飞船技术状态是完全一致的。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逃逸救生试验，而且明确了漏逃和误逃的界限，提高了载人航天安全性和可靠性。我国火箭和飞船的成功率已经达到了97%，甚至更高，另外3%是依靠逃逸系统来弥补的，这样航天员就安全了。我国首创使用太空模拟人。我国没有像国外那样把小动物送上去，因为这与真正载人差别还很大。模拟人是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，包括耗氧、脉搏等

2002年的12月30日，我国发射了神舟四号无人飞船。它是我国最完善的无人试验飞船，也是考核最全面、最接近载人航天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的试验和考核，进一步完善了逃生和应急救生功能，增加了自主返回功能。

2003年10月15日，我国发射了神舟五号载人飞船，这是我国第一艘载人飞船。我国首位航天员杨利伟进行了世界载人航天历史上第241次飞行，这次飞行也使杨利伟成为世界上第428位进入太空的航天员。这艘飞船在2003年10月16日返回，我

国成为世界第三个能独立开展载人航天活动的国家。

神舟五号与神舟四号基本相似，但对航天员座椅的安全性和适应性进行了进一步改进，同时设置了多种安全救生模式和百余种故障对策方案，以保障航天员的安全。它证明了我国的飞船具备了载人航天飞行的条件。本来，神舟五号载人飞船可以载两人，考虑到稳妥，只载了一个航天员上去，它的座椅缓冲器也由神舟一号到神舟四号的拉刀式改为胀环式，为杨利伟的安全返回又增加了一道保险。

2005年10月12日，我们发射了神舟六号载人飞船，送费俊龙和聂海胜到太空遨游。它的主要变化是：人数由1人增加到2人，飞行天数由1天增加到5天，活动范围增加到全船。因为杨利伟只是在返回舱活动，而费俊龙、聂海胜上天以后，脱下了舱内航天服，首次打开了返回舱舱门，进入到轨道舱工作和生活。这也全面启动了环境控制与生命保障系统，创造了更加舒适的环境。航天食品的种类也从神舟五号的二三十种增加到四五十种。载人航天最大的特点就是有人直接参与太空活动。如果没有人参与的话，有些实验会受到很大的限制。所以，这次航天飞行顺利完成，为后来航天员出舱活动和航天器交会对接，打下了一个坚实的基础。

2008年9月25日发射的神舟七号飞船载翟志刚、刘伯明、景海鹏升空，实现了三大突破：一是太空行走；二是首次满载三名航天员；三是首次从一个航天器释放了另一个航天器，神舟七

号释放了一个小卫星。另外，首次与天链一号中继卫星进行了中继链路试验。神舟七号的轨道舱改进是一大亮点，满足了出舱活动的要求。另外，翟志刚穿的“飞天”航天服是我国国产的舱外航天服。这次服务的完成，标志着我国成为世界第三个独立掌握太空行走技术的国家。

2011年11月1日发射的神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器进行了我国首次无人自动交会对接，使我国也成为世界第三个掌握自动交会对接的国家。飞船上面装有自动测量系统和对接机构，从此神舟号飞船就定型了。

2012年6月16日发射了神舟九号载人飞船，载景海鹏、刘旺、刘洋升空，验证了自动和手控交会对接技术。因为自动交会技术比较省事，但成功率没有手控高，所以当自动交会对接技术出现问题的时候，要采用手控，成功率比较高。我国全面掌握了这两样交会对接技术，而且实现了多项第一。比如说，首次考核了飞船的手控系统，航天员不仅是坐飞船，也要开飞船；首次飞行了13天；首次打开了天宫一号的舱门（神舟八号因为是无人的，所以对接后舱门没有办法打开），神舟九号与天宫一号对接以后打开了舱门，航天员访问了在轨的航天器；首次安排了航天员二上太空，景海鹏二上太空，他原来参与了神舟七号的任务；首次安排女航天员执行太空任务，刘洋是我国第一个女航天员；首次用太空“自行车”锻炼身体，等等，还有很多首次。

2013年6月11日，发射了神舟十号飞船，载聂海胜、张晓

光和王亚平升空。它和以前的飞船最大的区别就是，首次进行了应用性飞行和绕飞，我们以前的飞船都是试验飞船，每次都要进行较大的改动。定型了以后，这次改动是最小的，进行了应用性飞行，完成正常的天地往返运输任务。与神舟九号飞船相比，神舟十号没有新的大的技术变化，只是进行了小的调整，技术状态已经固化了。

与神舟九号相比，第一，神舟十号更加舒适了。神舟十号做了一些小改进，包括垃圾处理、食品改进、作息制度安排，使它更加舒适。第二，神舟十号进行了在轨维修试验，包括更换地板的材料、进行密封圈的置换。因为以后空间站要进行在轨维修，所以我们这方面进行了试验。第三个是一大亮点，进行了太空授课，女航天员王亚平为地面的青少年进行了我国首次太空授课。我也是太空授课专家组成员，准备了一些方案，根据科学性、教育性、趣味性、可行性、可适性、操作性、安全性等原则，集思广益，最后确定了5个实验项目，包括质量测量、单摆运动、陀螺、水膜、水球等，完成得非常成功，影响非常大。

神舟十号进行了首次绕飞。神舟号飞船以往完成了任务就直接飞回来了，神舟十号飞船为了满足以后空间站交会对接的需求（以后空间站交会对接，不仅是直接进行轴向交会对接，有可能进行侧面交会对接），神舟十号飞船在完成最后任务以后，脱离天宫一号目标飞行器，绕着天宫一号目标飞行器进行绕飞试验，也取得了成功。

我国在2016年10月中下旬要发射神舟十一号飞船。神舟十一号飞船只送去两名航天员，因为我们这次要进行中期驻留考核（以前都是短期10天、12天，这次要进行30天驻留），因为天宫一号或者二号的生命保障系统能提供60人/天。也就是说，一个航天员在上面可以工作生活60天，如果3名航天员在上面能生活20天，我们要进行中期驻留30天，所以这次送上去两名航天员。以后空间站驻留时间将更长，每批航天员上去要驻留工作半年左右，所以，我们要看看中期驻留有什么问题，需要验证技术。少一个人，不仅能够延长驻留时间，而且可以多带一些空间科学实验设备或者技术试验设备。这次飞行带的空间科学设备比较多一些，可以一举两得。当然神舟十一号也进行了少量的改动。

三、揭秘天宫二号

我们称天宫为天宫小站。天宫是一个微型的空间站，这是世界独一无二。世界第一座空间站——“礼炮”一号在20世纪70年代发射的，一个舱就是20吨左右，当然它有运载能力较大的质子号火箭，所以目前的空间站每个舱段的重量都在20吨左右，包括和平号空间站的每个舱段、国际空间站的每个舱段都是20吨左右。目前我国运载火箭的能力能够发射8.5吨的航天器，2016年11月要发射近地轨道运载能力达25吨的长征5号大型运载火箭，但是在此之前怎么办？为了提前做有关实验，我们利用现有的火箭先研制了微型空间站，也叫做空间实验室，就是天