東方紅一號升空後33年神5才升空，載人飛船比衛星難在哪？

# 寫在前面

49年前，1970年4月24日，東方紅一號衛星順利升空，東方紅嘹亮的旋律傳遍全球。「東方紅一號」的發射成功標誌著我國成為了世界上繼蘇聯、美國、法國和日本之後第五個能夠獨立發射人造衛星的國家，雖然比第一個發射衛星的國家蘇聯晚了13年，但是「東方紅一號」的各項技術指標都超過了前四個國家所發射的第一顆衛星，而其重量更是比它們之和還要大，這些都足以令國人感到自豪。

圖——東方紅一號衛星

這一切都應當歸功於艱苦卓絕的兩彈一星元勛以及無數無私奉獻的工程師、設計師和一線工人師傅。然而，當時的他們可能並沒有下考慮過載人航天的問題，畢竟，能把衛星送上天就行了，送人上去？還是「先把地球上的事搞好」吧。

足足33年之後，2003年10月15日，神舟五號搭載航天英雄楊利偉從酒泉衛星發射中心發射，次日返回，這也標誌著中國成為繼美蘇之後第三個把人送入太空的國家。

圖——航天英雄楊利偉

眾所周知，載人航天必然是要比無人航天更難的，按照我國航天容錯率標準，無人航天器的失誤率允許有3%，而載人航天只能由3‰，載人飛船的失誤率必須是兩者的概率疊加，僅僅是0.00009，足見載人飛船的可靠性要求有多高，而載人飛船比衛星先進之處總結起來可以說是有7大技術和3大系統，本文就分別闡述這些技術和系統，與諸君共賞。

圖——酒泉衛星發射中心

本號持續針對空天領域理論、設計、未來等相關內容進行深度解讀，感興趣的讀者歡迎關注。

# 7大技術

載人飛船從待發段、上升段、軌道運行段、再入段到著陸後等待回收的整個過程為航天員創造了一個能正常生活和有效工作的環境。這個環境能夠滿足航天員的醫學和功效學要求，為此配備了載人飛船特有的系統；同時，座艙內還為航天員配備了個人必需的物品，並使航天員能與地面控制中心通話，向地面傳輸座艙內和航天員本人的電視圖像。載人飛船最具有特點的技術有如下幾個：

## 環境控制和生命保障技術

為保證航天員在太空生存和生活，載人飛船具備特有的環境控制和生命保障能力，保證航天員從進入座艙起到離開座艙的全任務期間，座艙內環境適合於航天員生存，保障他們在太空飛行的特殊環境下，安全地生活、正常地工作。為此，在載人飛船上設置了環境控制與生命保障系統。該系統包括以下基本功能模塊：供氧調壓、氣體成分控制、通風凈化、座艙內溫濕度控制、水管理、食品管理、廢棄物收集處理、航天服內循環、煙火監測與防火等。環境控制與生命保障系統包括兩部分技術：一是座艙環境控制技術，二是生命保障技術。

載人飛船座艙環境控制技術主要是保證氣體環境控制和座艙防火、防雜訊和防輻射。氣體環境控制主要包括氣體總壓控制、氣體成分控制（包括有害氣體的控制與排除）、氣體溫度控制和氣體濕度控制。在軌道真空、惡劣溫度的環境下，建立一個密封座艙來提供一個安全的環境。

載人飛船生命保障技術，主要為解決太空飛行條件下，特別是在軌道飛行的微重力條件下，航天員的進食、飲水和個人衛生所遇到的特殊困難，在座艙內配備各種生活支持設施和物資，保證航天員的正常生活。

圖——神舟五號模型

## 儀錶與照明技術

由於航天員的存在，載人飛船設置了儀錶照明分系統。航天員自進入飛船座艙，在整個任務期間，除與地面指揮中心通話聯繫外，主要信息的獲得都來自儀錶系統。儀錶系統介於航天員與控制過程之間，是為保障飛行過程安全可靠和支持航天員主動完成在軌飛行任務面設置的系統，其主體是對過程進行監視和控制的人一機介面功能，即：將過程狀態信息以易於理解的方式傳遞給航天員，將飛船命令準確地傳遞給過程。此外，依任務需要，儀錶系統還具有支持對過程進行直接控制功能、進行在軌管理功能。

儀錶照明系統的主要功能：一是信息顯示、報警和手控指令的接收；二是艙內艙外的照明。

圖——航天英雄，歡迎回家

## 人工運動控制技術

人，由於其判斷力、創造力和處置故障並維修的能力，在航天活動中有著許多不可替代的作用。發揮航天員的主觀能動性，由航天員完成自動系統在某些特定條件下難以勝任的工作，是保障航天員自身安全不可忽視的途徑。因此，在載人飛船中配備有支持人工操作和控制的設施，以保證一些重要的指令、動作和功能由航天員的操作和控制作為自動系統的備份或單獨由航天員來完成。

載人飛船在自動系統失效的情況下，由航天員完成維修或接替自動系統進行控制，因而可以提高系統的可靠性。

圖——楊利偉所穿的宇航服

## 應急救生技術

為了保證航天員的安全，載人飛船在重要任務階段設置有獨立的救生措施，配備了應急救生系統，在有故障或發生事故的情況下保證航天員的生命安全。載人飛船的應急救生系統與運載火箭的逃逸系統一起共同完成待發段、上升段、運行段全過程的救生任務。

按載人飛船不同高度和運載火箭不同的狀態制定了近十種救生模式。為飛船在軌運行段制定了上百種故障模式和相應的故障對策，並制定了提前和推遲返回的飛行計劃和程序，指控中心可以根據飛船的工作狀態正確決定有利的返回時刻。由於在應急和故障情況下無法在預定的著陸場著陸和回收，除設有副著陸場外，在國內外陸地和海上設置了若干應急回收區，以保證返回艙著陸後航天員得到及時營救。

## 著陸緩衝技術

由於航天員的存在，著陸前必須進行緩衝以降低航天員經受的衝擊。為了實現正常和故障情況下航天員承受的衝擊載荷滿足要求，載人飛船單獨配置了著陸測高設備、著陸緩衝發動機、座椅緩衝器、座椅及束縛系統、座椅賦性墊，對密封大底結構進行了針對性設計。正常情況下，著陸緩衝發動機可將返回艙的降落速度降為2m/s以下，滿足航天員衝擊載荷要求。在發生髮動機故障的情況下，利用結構大底、座椅緩衝器、座椅賦性墊的系統緩衝作用，降低各個方向的衝擊，使航天員經受的衝擊符合安全要求。

圖——神舟五號回收艙

## 升力控制技術

為了提高返回艙的落點精度、保證落點調整能力和降低返回再入過載，載人飛船首次使用了不同於人造衛星的升力控制技術。在高精度導航的保障下，通過控制返回艙的傾側角來改變作用在返回艙上的升力方向，達到減少氣動阻力過載，改變飛行軌道並最終使返回艙在預定位置開的目的。

## 濕度控制技術

濕度問題是載人航天飛行的一個特有問題，而且在無人飛行試驗中很難全面考核濕度控制功能。

載人密封艙的濕度控制採用了主動濕度控制和被動濕度控制兩個系統共同完成。主動濕度控制系統工作由內外迴路和冷凝乾燥器完成；被動濕度控制系統作用由粘貼在密封艙內壁的空氣吸濕材料和高效吸水複合材料實現。載人飛船待發段和上升段先由主動濕度控制系統工作，再由被動濕度控制系統工作；運行段主要由主動濕度控制系統工作，被動濕度控制系統作為補充手段；返回制動和再入段主要由被動濕度控制系統發揮作用。整個任務階段，通過主動與被動控制措施的聯合作用，可以保證密封艙的濕度滿足航天員人體要求。

圖——中國第一位女宇航員

# 3大系統

載人飛船由於航天員的特殊要求，以前人造衛星採用的各專業技術往往不能適應。載人飛船在應用衛星技術的基礎上進行了發展和改進。採用新技術或突破新的技術關鍵。主要有以下幾個系統：

## 制導、導航與控制（GNC）系統

截人飛船為了滿足對落點精度、再入過載和再入時配平攻角的要求，在中國航天器研製歷程中第一次採用了制導、導航與控制一體化系統。又由於飛船受到地面測控區的限制以及再入段存在無線電黑障區，要保證再入時的連續制導、導航與控制，必須不依賴地面測控系統，由飛船自主完成。升力控制技術可以達到減少氣動限力過載，使返回艙在預定高度順利開傘。準確的離軌控制是返回艙準確著陸的重要前提，離軌控制的關鍵在於準時啟動制動發動機，以保證推進系統能提供精確的速度增量。

圖——火箭發射

## 回收著陸系統

載人飛船的回收著陸系統，首先要保證航天員在著陸時所承受的衝擊載荷符合航天醫學標準。減少衝擊載荷最有效的辦法就是降低著陸速度。

飛船的回收著陸系統第一步用降落傘系統把乘坐航天員的返回艙由200m/s的速度降到7m/s左右，這個傘的面積為1200平方米（比回收幾百千克載荷的返回式衛星的傘系統的面積大10倍）；第二步在距地面1m的高度再由緩衝發動機點火，使速度降到3.5m/s以下，以保證航天員的安全。

回收著陸系統不僅要能適應返回艙在正常返回條件下的要求，還要適應返回艙在應急返回和發射段各種逃逸救生狀態下的要求。為此，該系統的控制計算機必須備有多種模式的工作程序，並能識別工作狀態和調用所需工作程序的功能。同時採用「高度一時間」的控制方法。由「靜壓高度控制器」和「程式控制器」發出回收著陸程式控制指令。

圖——航天艙返回地球模擬圖

## 熱控系統

人造衛星熱控制系統的主要任務，是保證衛星的結構部件和儀器設備在太空環境下處於一個合適的溫度範圍內，以保證其正常工作，而載人飛船熱控系統還必須保證航天員所需的密封艙溫度、濕度、氣體流動速度的要求，因此也導致了載人飛船與人造衛星熱控制系統的不同，使其具有自身的一些特點。

由於需求的不同，對於人造衛星主要採用被動熱控手段，輔助一些電加熱和其他的主動熱控手段。被動熱控主要採用隔熱材料、熱控塗層、導熱填料、熱管等，它們的狀態一旦確定，在軌道上無法進行調整，但可靠性較高。然而載人飛船主要採用主動熱控手段，尤其是流體迴路熱控制技術。

圖——天宮二號模擬圖

為滿足更高的可靠性與安全性要求，除以上提到載人飛船採用的新技術外，在可靠性與安全性總體設計上也不同於人造衛星。提高載人飛船的可靠性除採用傳統的常規的降額、備份、冗餘、容錯等技術外，還必須要求各重要系統有自主故障診斷和系統重構功能，保證做到「一度故障正常運行，二度故障安全返回」。

除設計上採取極高可靠性與安全性的措施外，還對所有的設計進行了大量的地面試驗驗證，並發展了可靠性與安全性試驗驗證技術，所有的一切，都是為了保證宇航員能夠安全回家。

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