神舟十八發(fā)射成功！揭秘神舟飛船背后的科技奧秘

4月25日20時(shí)59分，我國成功發(fā)射了神舟18號(hào)載人飛船，把葉光富、李聰、李廣蘇3名80后航天員送到“中國”空間站內(nèi)生活、工作6個(gè)月。

這是我國的神舟系列飛船的第18次發(fā)射，我國的神舟系列飛船究竟有何特別之處？接下來，讓我們一同了解神舟飛船的奧秘。

（4月25日20時(shí)59分，搭載神舟十八號(hào)載人飛船的長征二號(hào)F遙十八運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射。圖片來源：新華社）

1 高起點(diǎn)，神舟飛船應(yīng)運(yùn)而生

我國“神舟”飛船用于載人天地往返運(yùn)輸，于1992年開始研制。當(dāng)時(shí)考慮到我國在返回式衛(wèi)星等方面有堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和豐富的研制經(jīng)驗(yàn)，并可借鑒國外研制載人飛船的經(jīng)驗(yàn)，最終決定越過1艙式飛船、2艙式飛船，從當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的飛船起步，直接研制3艙式載人飛船“神舟”，達(dá)到國際第三代載人飛船的水平。截至今天，“神舟”系列飛船已發(fā)射18艘，成功率100%,其中13艘是載人飛船，共把22名、35人次航天員送上了太空。

此外，“神舟”還有其它優(yōu)點(diǎn)，例如：

能一船多用。有幾艘“神舟”在返回艙返回地面后，其軌道艙又留軌利用半年，相當(dāng)于免費(fèi)發(fā)射了1顆衛(wèi)星

智能化程度高。采用了信息技術(shù)的最新成果，從自動(dòng)化控制、制導(dǎo)與導(dǎo)航到數(shù)據(jù)管理，從應(yīng)對故障的冗余設(shè)計(jì)到液晶顯示設(shè)備，其電子技術(shù)和智能化水平都遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先俄羅斯的“聯(lián)盟”載人飛船。其太陽電池翼能自動(dòng)對準(zhǔn)太陽。

防熱技術(shù)先進(jìn)?！吧裰邸憋w船返回艙最大直徑為2.5米，表面積是22.4平方米，使用的防熱材料總質(zhì)量約500千克。而“聯(lián)盟”飛船返回艙直徑約2.2米，表面積是17平方米，但它的防熱材料總質(zhì)量達(dá)700千克。

降落傘特大。其主傘足有1200平方米。其引導(dǎo)傘將減速傘拉出拉直；減速傘把速度從200米/秒減至80米/秒；主傘把速度減至6米/秒。整個(gè)傘疊起來只有一個(gè)小提包大，質(zhì)量僅90多千克。

2 小而精，神舟飛船三大艙室揭秘

“神舟”由軌道艙、返回艙和推進(jìn)艙組成，總長近9米，總重約8.1噸，乘員人數(shù)3人，船內(nèi)航天員自由活動(dòng)空間6立方米，滿載3人時(shí)，上行貨物能力至少300千克，下行貨物能力至少100千克。它可自主飛行7天，?？匡w行180天。

（神舟飛船示意圖。圖片來源：中國載人航天工程辦公室）

軌道艙位于飛船前部，其前端有用于試驗(yàn)的附加段或交會(huì)對接裝置，飛船單獨(dú)飛行時(shí)軌道艙用于航天員入軌后的工作、吃飯、方便和睡覺等，被稱為“一廳”。

返回艙位于飛船中部，是航天員往返時(shí)的座艙，也是飛船的控制中心，被稱為“一室”。它具有著陸后支持航天員陸上生存48小時(shí)、海上生存24小時(shí)的能力。

以上兩個(gè)艙是供航天員活動(dòng)的密封壓力艙，艙壓為81.0～101.3千帕；溫度為21℃±4℃，返回過程不超過40℃；噪聲在運(yùn)行段不大于75分貝，在上升段、返回段不大于125分貝。飛行軸向過載在上升段不大于5g，返回段不大于4g。

推進(jìn)艙位于飛船后部，為非密封結(jié)構(gòu)，為飛船提供動(dòng)力、電源、燃料等。尾部裝有4臺(tái)2.5千牛的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，側(cè)壁裝有姿控發(fā)動(dòng)機(jī)和24平方米主太陽電池翼，供電功率1.8千瓦。

3 五臟俱全，神舟飛船的14大分系統(tǒng)各司其職

“神舟”由14個(gè)分系統(tǒng)組成。這些分系統(tǒng)涉及物理、醫(yī)學(xué)等數(shù)十種學(xué)科領(lǐng)域，所以具有技術(shù)多樣性和研制復(fù)雜性。其中的環(huán)境控制與生命保障、回收著陸、儀表與照明、應(yīng)急救生、乘員等分系統(tǒng)為載人航天器特有。另外，乘員和有效載荷分系統(tǒng)屬于航天員和空間應(yīng)用系統(tǒng)的裝船部分。其中部分分系統(tǒng)如下：

結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)由本體結(jié)構(gòu)、防熱結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)組成。

環(huán)境控制和生命保障分系統(tǒng)為飛船乘員創(chuàng)造合適的艙內(nèi)環(huán)境，提供乘員用水和氧氣等。

熱控分系統(tǒng)用于保證飛船各艙儀器設(shè)備、結(jié)構(gòu)以及乘員所需要的環(huán)境溫度條件。

測控與通信分系統(tǒng)用于飛船軌道的跟蹤測量、飛船數(shù)據(jù)和圖像傳輸、話音通信和電視監(jiān)視等。

數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)隨時(shí)采集飛船工程參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

電源分系統(tǒng)用太陽電池和化學(xué)電池供電。

應(yīng)急救生分系統(tǒng)負(fù)責(zé)飛船在發(fā)射臺(tái)上待發(fā)期間和發(fā)射階段火箭或飛船出現(xiàn)危險(xiǎn)故障而又不能排除時(shí)的逃生。

乘員分系統(tǒng)為飛船提供合格的乘員、航天服和航天食品，保證乘員的身體健康。

4 持續(xù)優(yōu)化，神舟飛船的性能不斷升級

為了滿足空間站任務(wù)需求，從神舟12號(hào)開始，我國又進(jìn)一步對神舟飛船進(jìn)行了改進(jìn)。例如：

對返回艙、推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)和貯箱等熱控方案，船站并網(wǎng)供電方案進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，使飛船具備了供電、熱環(huán)境保障的適應(yīng)性配套條件，以適應(yīng)空間站復(fù)雜構(gòu)型和姿態(tài)帶來的復(fù)雜外熱流條件。

裝水的設(shè)備，從水箱換成水袋，節(jié)省了空間和重量；飛船艙壁加了熱回路，從集中控制改為分路控制，實(shí)現(xiàn)了區(qū)域精準(zhǔn)控溫。

由于飛船在軌停留時(shí)間長，飛船使用了新型低吸收-低發(fā)射熱控涂層，它具備抵抗空間中時(shí)時(shí)刻刻的高能紫外輻照、原子氧轟擊以及多種高能粒子與電離輻射的攻擊。

飛船使用的控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)管理計(jì)算機(jī)完全使用國產(chǎn)CPU芯片。

“北斗” 導(dǎo)航終端也引入飛船設(shè)計(jì)中，導(dǎo)航計(jì)算、返回搜救落點(diǎn)報(bào)告等都采用了“北斗” 系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)。

測控由地基測控為主全面轉(zhuǎn)為天基測控為主，這樣既擴(kuò)大了測控覆蓋率，又節(jié)約了任務(wù)成本。

改用了艙門快速檢漏儀；國際救援示位標(biāo)和微波重力水平開關(guān)等產(chǎn)品被用來快速準(zhǔn)確地找到返回艙；艙內(nèi)照明設(shè)備和交會(huì)對接照明設(shè)備采用了先進(jìn)的固態(tài)照明光源，它具備耐沖擊、抗振動(dòng)、功耗低、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，為交會(huì)對接的成功更添一份保障。

另外值得一說的是，這次發(fā)射的神舟十八號(hào)相較于以往的神舟飛船在主電源儲(chǔ)能電池上有了新的變化——由以往的鎘鎳電池更改為鋰離子電池，鋰離子電池的能量密度更高、循環(huán)壽命更長、高倍率充電更佳，且為整船減重50公斤左右。

5 高效生產(chǎn)，批量生產(chǎn)模式讓神舟飛船高質(zhì)量交付

在進(jìn)入空間站時(shí)代后，為了提高飛船質(zhì)量、降低研制成本、縮短研制周期，“神舟”采用組批生產(chǎn)模式。這樣可以讓生產(chǎn)、測試過程更為標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，更有利于人員掌握產(chǎn)品狀態(tài)、保證產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)提高了物資采購集中度，便于供應(yīng)鏈的管控和備貨周期的把控。

神舟十二號(hào)至神舟十五號(hào)4艘載人飛船為1組。采用這種生產(chǎn)模式后，使“神舟”飛船出廠前的研制流程由17個(gè)月減少至14個(gè)月，發(fā)射場測發(fā)流程也由59天優(yōu)化至46天。

中國空間站全面建成進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)營后，“神舟”系列載人飛船也迎來了新的組批（6艘飛船，即神舟16號(hào)～21號(hào)）密集生產(chǎn)。這一組批生產(chǎn)在確?？煽啃浴踩缘那疤嵯?，以最短時(shí)間、最高標(biāo)準(zhǔn)完成了上百項(xiàng)器件更改和可靠性提升等驗(yàn)證工作，進(jìn)一步增強(qiáng)了自主健康管理功能，并從分系統(tǒng)級、單機(jī)級、部組件級三個(gè)層次建立了數(shù)據(jù)包絡(luò)分析機(jī)制，全力推進(jìn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)互聯(lián)信息化、線纜總裝布局?jǐn)?shù)字化、關(guān)鍵參數(shù)檢測智能化，全面實(shí)現(xiàn)了“神舟”飛船在“空間站時(shí)代”的再升級，為“神舟”踏上新征程打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

把飛船儀表的數(shù)據(jù)顯示化繁為簡，為航天員執(zhí)行任務(wù)提供了更加清晰、直觀、舒適的顯示界面。另外，研制了具備集成程度更高、處理能力更強(qiáng)、國產(chǎn)化率更高三大優(yōu)勢的升級版中繼終端，實(shí)現(xiàn)了飛船與地面通信的暢通無阻。

研制團(tuán)隊(duì)持續(xù)通過信息化、自動(dòng)化、智能化等手段，進(jìn)一步提升型號(hào)研制效率，確保艙體結(jié)構(gòu)高質(zhì)量交付。

作者：龐之浩，全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家

出品：科普中國X中國宇航學(xué)會(huì)

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