空間站對接成功！揭秘你所不知的飛船逃逸技術_風聞

來源：中國航天報

據中國載人航天工程辦公室消息，神舟十二號載人飛船入軌後順利完成入軌狀態設置，於北京時間2021年6月17日15時54分，採用自主快速交會對接模式成功對接於天和核心艙前向端口，與此前已對接的天舟二號貨運飛船一起構成三艙（船）組合體，整個交會對接過程歷時約6.5小時。

這是天和核心艙發射入軌後，首次與載人飛船進行的交會對接。

按任務實施計劃，3名航天員隨後將從神舟十二號載人飛船進入天和核心艙。

關於神舟飛船，中國載人航天工程在1992年立項時，對其理想功能狀態有過一個規劃。很長一段時間，這份秘而不宣的規劃就是飛船系統迭代升級的方向，也能在每一次任務的工程目標中找到蛛絲馬跡。

從採用最小配置（只有8個分系統）的神舟一號試驗飛船出世，到今天神舟十二號載着聶海勝、劉伯明、湯洪波前往中國空間站“天和”核心艙，當年的那一紙規劃首次全部實現。

三十年前，1991年3月15日。原航空航天部在中南海給中央作彙報。掛圖上展示着未來飛船的逃逸系統，年近耄耋、時任載人航天工程論證領導小組首席顧問的任新民加重語氣説：“新研製的項目主要是飛船的應急救生技術，稱為飛船逃逸技術……”

與任何有人蔘與的生產活動一樣，載人航天人命關天，應急救生的目的在於保證航天員安全，不發生傷亡事故。這次神舟十二號飛船升空前，需要滿足一個以前沒有的約束條件，火箭方可點火發射，那就是：酒泉衞星發射中心的另一枚長二F火箭和神舟十三號飛船必須技術狀態正常。

數學上講小概率事件不易發生。一旦有航天員或“天和”核心艙遭遇不測風雲、神舟十二號飛船又發生故障無法返回的極小概率事件不幸發生，“就立即加註、發射神舟十三號飛船實施應急救援，接航天員返回地球。整個救援流程耗時16天，最快8.5天完成”。神舟載人飛船飛控技術組組長楊海峯解釋，中國已步入空間站時代，“天和”核心艙在與“天舟”“神舟”合體後，還有空置的對接口供“救生船”停靠，這在天宮一號/二號任務中是無法做到的。

最後一塊拼圖就這麼順理成章地補上了。

楊海峯入職航天科技集團五院12年來，一直待在神舟飛船研製隊伍裏。飛船誕生至今的歲月，他親歷了後半段。而沿着歷史往回尋，還是像拼圖一樣前後合併，或許能更好地理解為什麼在神舟飛船研製隊伍裏會流傳這麼一句話——“全國人民對航天有包容心，但我們不接受失敗”。

延續多年的“高壓”

上一次載人飛行已是五年前。

3月底，神舟十二號飛船飛控試驗隊進駐北京航天飛行控制中心，與在酒泉兼顧神舟十二號和神舟十三號兩艘飛船的發射試驗隊，遙相呼應。着陸場的搜救回收試驗隊也準備就位。後續神舟十三號發射前，神舟十四號同樣會在發射場時刻待命。

神舟十二號發射時間臨近7月1日這個特殊日子，壓力顯而易見。有些設計師每天拖着行李箱去上班，隨叫隨走，隨時出差。

神舟飛船系統技術副經理邵立民説，載人航天任務責任重大，工作強度高，但在進度和質量的雙重要求下，必須做到二者平衡、齊頭並進。

這是一個被視為航天器技術最為複雜的大系統工程。航天器上有了人，在技術、可靠性、安全性等方面的要求都會被拔得很高。

“高壓”狀態已延續多年。1998年，北京航天城在一片農田裏拔地而起，廠房建設與飛船研製同步交叉進行，已經組裝起來的4艘供地面試驗用的初樣飛船同時展開測試，按既定的“爭八保九”（爭取1998年、確保1999年發射第一艘無人飛船）進度要求，爭分奪秒。

大家冥思苦想，把用於地面電性能測試的試驗飛船簡化、改裝成一艘用來發射的試驗飛船。改裝後的飛船要送到空間環境模擬器KM6（俗稱為真空罐，用於模擬太空環境）中接受考核，開一次罐的費用是幾十萬元。當時航天“拮据”、元器件質量不穩定，時任飛船總設計師的戚發軔為此下了道命令：誰家產品考核出問題，誰就掏錢重新開罐。

1998年，時任國務院總理的朱鎔基看到飛船試驗設備上一個部件表面加工粗糙，向承製單位提出嚴厲批評。當時飛船副總指揮、副總設計師施金苗多年後回憶，那些批評一直都回響在自己耳畔。幹載人航天就得經歷這樣的“高壓”，才能保證航天員順利上去、平安回來。

源於對質量的極度苛刻和技術的不斷突破，從1999年發射的神舟一號開始，每一艘神舟飛船都不辱使命，積累的成功經驗薪火相傳。楊海峯也表示，和前幾艘比，神舟十二號的技術狀態總體變化不大，質量很穩。不過這次任務中還是會有一些“新動作”，主要是交會對接和返回着陸。

效率更高的交會對接

神舟飛船以前是和8噸級的天宮一號/二號空間實驗室交會對接，兩者體重相當，此次面對體重三倍於自己的空間站核心艙，還要進行首次載人自主快速交會對接。

神舟十二號飛船上配備了控制計算機、北斗導航定位系統、微波光學敏感器等交會控制設備，不依賴地面測控系統，可以自主飛到“天和+天舟”組合體附近。這被稱為“基於船上自主導引的交會方案”。以往靠地面導引飛船完成交會對接，方案成熟，需要2天左右才能完成，這次從船箭分離到對接機構鎖緊只用6.5個小時左右。

飛船入軌後，自己測算位置、速度等；北京飛控中心會把“天和+天舟”組合體的位置、速度信息告訴飛船。經過約4.5小時飛行、6次變軌後，飛船將來到核心艙的後下方，兩者直線距離52公里，飛船運行軌道高度要低13.5公里左右。

作為追隨者，飛船不斷瞄準、接近核心艙，並在其下方完成180°轉向，建立倒飛姿態，然後升軌飛到核心艙前方200米停泊點處。飛船頭部的軌道艙，對準“天和”球形節點艙的前向對接口，船上交會敏感器測量相機進行光學測量，直至對接機構鎖緊，對接過程一蹴而就，耗時約30分鐘。

“以前交會對接過程中飛船停泊點多，400米、120米、30米，現在技術成熟，壓縮時間，航天員在船裏待久了也難受。”楊海峯笑言。

“天和”核心艙上有3個對接口供飛船選擇，分別是前向對接口、後向對接口，徑向對接口（沿核心艙運行軌道半徑方向，朝向地心）。邵立民表示，現在交會對接過程簡化，效率更高。這次任務是前向對接，如果航天員平安無事，那麼地面上神舟十三號飛船的應急救援待命任務解除，轉為正常任務，發射後會與核心艙進行徑向對接。

無論是“北斗”指路，還是快速交會對接，都在1個月前的天舟二號任務中驗證過。相比其他航天任務，載人航天任務更求穩。等到神舟十二號飛行乘組返回地球當天，飛船還會首次交會到距離核心艙徑向對接口19米處，不對接，為神舟十三號飛船“探路”。

副着陸場轉正

“神舟”“天和”“天舟”三個航天器從前到後串聯在一起後，組合體的姿態控制權由“天和”接管，遙測參數也由它提供給地面，航天員將穿過四道艙門，進入“天和”。

首先，待神舟飛船的軌道艙和返回艙兩邊氣壓平衡後，航天員打開返回艙艙門，進入軌道艙。軌道艙和節點艙之間的對接通道是真空，需要先將空氣充入至負壓96kPa。航天員通過快速檢漏儀查看通道內是否漏氣，空氣負壓不足的話，儀器會亮紅燈報錯。

相繼打開軌道艙門、節點艙門、小柱段艙門後，航天員便來到小柱段，這是他們在核心艙的生活區，再往裏走是大柱段工作區。上述四道艙門打開後都不必關上，方便航天員往返。**“神舟飛船上攜帶的生活物資只夠3名航天員用5天，必須保證每道艙門都能順利打開。”**楊海峯説。

**這次航天員將在軌駐留3個月，進行出艙、科學試驗等活動，刷新中國航天員巡天的時間記錄。**9月份，神舟飛船被“喚醒”，帶航天員回家，首次實施全高度大範圍的高精度返回。屆時，着陸區不再是大家熟知的內蒙古四子王旗，而是以前載人航天任務的副着陸場——地處巴丹吉林沙漠和戈壁帶的東風着陸場。

楊海峯解釋：“空間站軌道高度和天宮一號/二號不同，所以導致落區位置變化。”以前運行軌道固定，飛船每次都是從指定位置開始再入大氣層，所以次次落在四子王旗。空間站運行在340公里~450公里的近地軌道上，軌道變化讓飛船返程的出發點不再固定，所以選擇了東西跨度大得多的東風着陸場。

核心艙上很多設備可以更換，但設計壽命15年的寶貝發動機是一次性的，要省着用，如果只是為了讓飛船落在四子王旗而去調整軌道面，並不是很科學，也不經濟。需要“省油”時，核心艙甚至會關閉自己的發動機，轉而啓動天舟貨運飛船的發動機，讓小兄弟推着大哥飛。

和俄羅斯聯盟號飛船、昔日美國阿波羅飛船一樣，神舟飛船返回艙也是採用彈道-升力式方式（半彈道式）返回，航天員承受3~5個G的減速過載。如果遇到突發情況需要應急返回，便採取彈道式再入返回。一頭扎入大氣層的返回艙高速自轉，彈道極陡、減速很快，飛行時間和航程短，航天員會承受8個G的過載。

**返回艙上還配有兩套降落傘，**邵立民補充道。如果不配置備份傘，一旦主傘實效，後果將是災難性的。飛船專門設置自動檢測裝置，一旦檢測到故障，就會按預定程序切換到備份降落傘設置。

類似這種在技術上採取的冗餘措施，神舟飛船上隨處可見。

救生措施最完備的載人飛船

今年是世界載人航天60年週年。從1961年蘇聯航天員加加林乘坐人類第一艘載人飛船進入太空開始，各國在這項活動中寄託了雄心壯志，也傾注了最頂尖的智慧和技術，特別是在保證航天員安全方面。

這背後是一次次血的教訓和對生命的敬畏。人類載人飛行歷史上，共有18名航天員遇難，1986年美國挑戰者號航天飛機爆炸的悲劇刻骨銘心。1975年“聯盟18A”飛船發射時，火箭末級發動機點火後不久出現故障，藉助應急救生程序船箭立即分離，航天員才倖免於難。

因此，**要造一艘最安全的“神舟”，在設計過程中遵循可靠性和安全性原則尤為重要。**這條金科玉律早被寫入五院神舟飛船的總體設計方案中：應該按照“一次故障——工作，二次故障——安全”的設計原則開展設計工作……

也就是説，飛船上的任何設備若發生故障，一定要有備份、有冗餘措施，以維持正常工作；再出問題，那一定要保證安全。例如，船上一共配置四種不同類型的交會對接敏感器，雖然作用距離不同，但能保證在關鍵測控弧段內，同時有三套設備可以工作。

中國載人航天工程副總設計師張柏楠曾講過一個“鏈條原理”：這是一個系統工程，一個載人系統幾萬個單點、幾十萬行軟件代碼，像一個環狀鏈條，哪一個環節都不能疏忽，哪一環都至關重要。

哪怕是一個小小的氣囊。

2001年1月，神舟二號飛船返回時發生了一些問題。時任飛船副總指揮的尚志和副總設計師張柏楠被要求立即調研有關返回艙上氣囊情況，迅速拿出解決方案。

兩位老搭檔領到任務後後，一度大腦空白。這是涉及航天員返回時生命安全的嚴肅問題。兩人偶然在航空救生展覽中，受到直升機彈射座椅上氣囊和民航救生衣的啓發，順藤摸瓜找到一家京外機構。對方很熱情，很快就設計出了樣品，但有瑕疵，不滿足飛船使用標準。考慮再三後這家單位決定退出，已經兩地折返多趟的尚志當場急得發火，還被告了一狀：態度惡劣。

後來，還是靠航天的研究所費勁周折才解決問題，付出巨大人力物力，拿出滿足要求的產品。一度走投無路的兩位“副總”長舒一口氣。

幹載人航天這個“天字一號”任務，遇到的艱難處境比熱情相迎多，到最後基本還得靠自己度過難關。

**此時的神舟，已是世界上最安全的載人飛船之一。**載人航天活動的全過程可以分為待發射段、發射段、軌道運行段、返回段和着陸段5個階段。之前，美蘇的水星號、雙子星座、阿波羅、東方號、上升號五型飛船以及航天飛機，都無法在5個階段都能拿出行之有效的救生措施，而中國神舟飛船在5個階段都有救生措施。

神舟飛船在待發射段（發射前15分鐘至起飛前）出現致命性故障時，會採用應急撤離或發射台逃逸救生兩種方法。前者，航天員出船，再出火箭整流罩艙口，使用逃逸滑道到達地面，進入地下掩體，完成撤離。後者，與發射段大氣層內救生模式相同，主要依靠火箭上的逃逸塔拖拽飛船逃逸。

飛船在軌飛行期間，若發生危及航天員生命的故障，或航天員出現急難病症必須立即返回地面救治，則會啓動飛船提前快速應急返回着陸的方案。現在，又加了地面發射“救生船”這道保險。

如此種種，在研製載人飛船時，科研人員窮盡大腦提前想到可能出現的緊急情況，給出對策，先保航天員安全，再考慮科學和工程上的事。

上世紀90年代的一天，俄羅斯聯盟號飛船準備發射。飛船總設計師與航天員握手告別時説，沒有把握我不會送你們上天。參觀人羣中的戚發軔看到這一幕後反問自己：以後我敢這麼説嗎？

積年累月，這個反問成了一代又一代人的動力。

參考資料：

《載人航天器技術》，楊宏等編著；

《夢圓天外天》，時旭、遲翔遠編。