神舟12号载人飞船将实现五个首次！中国“神舟”载人飞船步步高

今年6月17日，我国成功射了神舟12号载人飞船，把3名航天员送到空间站“天和”核心舱内生活、工作3个月，这是中国载人航天史上由中国人书写的又一壮举，标志中国空间站建造任务再次向前迈出了一大步。

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神舟12号飞船进入太空示意图

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神舟12号飞船乘组出征

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神舟12号飞行任务标识

1我国第一代飞船起点高

至今，人类现已研制出三种载人航天器。按用途它们又可分为两类，宇宙飞船和航天飞机属于一类，其优点是可以天地往返，很灵活，缺点是体积小，运行时间短，目前主要用作交通工具，主要用于为空间站接送航天员和货物；空间站属于另一类，其优点是体积大、功能强和运行时间长，是目前开发太空资源的理想载人平台，需用宇宙飞船等天地往返运输器与其交会对接，才能实现人和货物的接送。所以，这两类载人航天器必须配合使用，才能充分发挥作用。

由此可见，在研制空间站之前，必须先研制天地往返运输器和掌握空间交会对接等技术才行。研究和实践表明，航天飞机技术虽然十分先进，但技术太复杂，投资太大，风险很高，因此，根据我国的国情和国力，遵照“有所为、有所不为”和“有限目标、突出重点”的“863” 高技术研究发展的指导思想，我国于1992年决定，从宇宙飞船起步，实施载人航天工程。

考虑到我国在火箭和返回式卫星方面已拥有相当坚实的技术基础和丰富的研制经验，以及可借鉴国外研制载人飞船的经验，最终决定一步到位，越过1舱式飞船、2舱式飞船，从当今最先进的飞船起步，直接研制3舱式载人飞船“神舟”，达到国际第三代载人飞船的水平。

实践证明，我国从研制宇宙飞船起步的决策非常英明，少走了一大段弯路，节省了大量经费。美国、苏联、欧洲和日本都曾研制过航天飞机，但最后只有美国航天飞机投入了实用。然而，美国研制了6架航天飞机，在发射了5架、升空了135架次后，又回归研制新一代飞船，因为航天飞机耗资太大，达2000亿美元，相当于每次飞行约15亿美元，而且还损失了2架，牺牲了14名航天员。

2“一室一厅”的三舱式构型

到2021年5月底，我国已陆续成功发射了6艘第一代载人飞船“神舟”，把11名航天员、14人次送上了太空，成功率100%，所以该载人飞船在技术上比较成熟。

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由三舱一段组成的神舟1号

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装在飞船返回舱内的橘红色“黑匣子”

“神舟”飞船采用由轨道舱、返回舱和推进舱组成的3舱式构型，总长近9米，总重约8.1吨，乘员人数3人，飞船内航天员自由活动空间6立方米。飞船有效载荷质量在入轨时不小于300千克，返回时约100千克。其可靠性为0.97，航天员的安全性为0.997。该飞船可自主飞行7天，停靠飞行180天。

轨道舱位于飞船前部，呈圆柱形。其侧壁有一内开式舱门，发射前，航天员从这个门进入到返回舱。飞船在轨运行后，航天员由返回舱进入到轨道舱生活和工作。其前端有用于试验的附加段或交会对接装置。该舱用于航天员入轨后的工作、吃饭、方便和睡觉等。

返回舱位于飞船中部，呈钟形。外表为低密度烧融材料所包敷，设有两个伞舱。大底里装有4台固体缓冲发动机。该舱是航天员往返时的座舱，也是飞船的控制中心，具有着陆后支持航天员陆上生存48小时、海上生存24小时的能力。

以上两个舱是供航天员活动的密封压力舱，可谓“一室一厅”。它们的舱压为81.0～101.3千帕；温度为21℃± 4℃，返回过程不超过40℃；噪声在运行段不大于75分贝，在上升段、返回段不大于125分贝。飞行轴向过载在上升段不大于5g，返回段不大于4g。

推进舱位于飞船后部，为非密封结构，为飞船提供动力、电源、燃料等。尾部装有4台2.5千牛的变轨发动机，侧壁装有姿控发动机和24米2主太阳电池翼，供电功率1.8千瓦。

3麻雀虽小但是五脏俱全

别看“神舟”是一种小型载人航天器，但它由14个分系统组成。这些分系统涉及物理、医学等数十种学科领域，所以具有技术多样性和研制复杂性。其中的环境控制与生命保障、回收着陆、仪表与照明、应急救生、乘员等分系统为载人航天器特有。另外，乘员和有效载荷分系统属于航天员和空间应用系统的装船部分。例如，

其结构与机构分系统由本体结构、防热结构和机构组成。

环境控制和生命保障分系统为飞船乘员创造合适的舱内环境，提供乘员用水和氧气等。

热控分系统用于保证飞船各舱仪器设备、结构以及乘员所需要的环境温度条件。

测控与通信分系统用于飞船轨道的跟踪测量、飞船数据和图像传输、话音通信和电视监视等。

数据管理分系统好比飞船的“大脑”，随时采集飞船工程参数和运行参数，对采集的数据进行处理。

电源分系统的电功率比卫星大，但工作时间短，所需总瓦时数小，用太阳电池和化学电池供电。

应急救生分系统负责飞船在发射台上待发期间和发射阶段火箭或飞船出现危险故障而又不能排除时的逃生。

仪表显示飞船各分系统数据和有效载荷状态等。乘员也可以通过仪表板上的按钮进行操作。照明设备为乘员提供工作和生活场所的照明条件。

乘员分系统为飞船提供合格的乘员、航天服和航天食品，保证乘员的身体健康。

4先后采用三种技术状态

为适应不同阶段的任务变化，“神舟”飞船先后有三种技术状态。

（1）初期试验技术状态

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神舟5号载人飞船的轨道舱进行了留轨利用

在神舟2号～6号飞行时，由于轨道舱在返回舱返回地面后要留轨半年，进行空间应用试验，所以在轨道舱上安装有一对太阳电池翼和独立的姿态控制系统，使其具备卫星所应有的功能。为了增加空间应用试验，有时在轨道舱前面还增加一个附加段。

（2）出舱活动试验技术状态

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神舟7号航天员出舱示意图

由于神舟7号飞船用于完成太空行走任务，所以轨道舱除具备生活舱功能外，还作为出舱活动用的气闸舱，航天员从轨道舱的侧舱门出舱。轨道舱贮运了舱外航天服，配置轨道舱泄复压系统、出舱支持设备和舱外行走的扶手。为此，轨道舱取消了太阳电池翼和姿态控制系统。

（3）天地往返运输器技术状态

因为从神舟8号起以后的所有飞船都作为天地往返运输器用，轨道舱也不再留轨利用，所以轨道舱都没有太阳电池翼和姿态控制系统等设施，而且在轨道舱的前端会安装一套空间对接机构和用于交会对接的测量、运动控制等设备。

另外，从神舟8号起，“神舟”飞船就定型了，每艘飞船基本一样。神舟8号不仅有交会对接功能，对接后形成直径0.8米的航天员转移通道，而且改进了手控设备，增加了8台平移发动机和4台反推发动机，使飞船可向前、平移和后退，对接时运行更自由，同时提供了紧急避撞的动力，可及时返回撤离。另外，其推进舱太阳电池翼发电能力由1.2千瓦增加到1.8千瓦；增加了牵顶伞，进一步提高了整个回收系统的可靠性。

5“神舟”飞船的几大特点

首先，起点较高。我国没走美苏的老路，先研制1舱或2舱式载人飞船，再研制3舱式载人飞船，而是直接研制当时最先进的3舱式载人飞船。

其次，能一船多用。有“神舟”飞船的轨道舱可留轨利用半年，相当于免费发射了1颗卫星

第三，智能化程度高。例如，“神舟”采用了信息技术的最新成果，从自动化控制、制导与导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示设备，其电子技术和智能化水平都远远领先俄罗斯的“联盟”载人飞船。其太阳电池翼能自动对准太阳。

第四，防热技术具备了世界先进水平。“神舟”飞船返回舱最大直径为2.5米，表面积是22.4米2，使用的防热材料总质量约500千克。而“联盟”飞船返回舱直径约2.2米，表面积是17米2，但它的防热材料总质量达700千克。

第五，降落伞最大。其主伞足有1200米2。其引导伞将减速伞拉出拉直；减速伞把速度从200米/秒减至80米/秒；主伞把速度减至6米/秒。整个伞叠起来只有一个小提包大，质量仅90多千克。

第六，首用太空“模拟人”。我国神舟2号～4号无人试验飞船都装了“模拟人”。它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，如耗氧、脉搏等，并随时受到地面指挥中心的监控。以“模拟人”这种无生命载荷取代动物，在飞船内模拟、检验飞船载人状态，这在世界上是首创，比使用动物进行实验更科学，所获数据参考价值更大。

6循序渐进的发展历程

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长征2号F火箭发射神舟12号载人飞船

1999年11月20日，长征2号F火箭发射了我国第1艘无人试验飞船神舟1号，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。它是以初样电性船为基础的产品，只有9个主要分系统参加了飞行试验，结果表明我国基本掌握了飞船舱段分离、调姿和制动、防热和着陆回收等关键技术。

2001年1月10日发射的神舟2号是我国第1艘正样飞船，飞船上的13个分系统均参加了飞行。首次进行了轨道舱留轨实验，首次装载了太空“模拟人”。

2003年10月15日发射的神舟5号是我国首艘载人飞船，使杨利伟成为中国太空第一人，中国成为世界上第三个能够独立开展载人航天活动的国家。这艘飞船对航天员座椅的安全性和舒适性作了进一步改进和完善。

2005年10月12日发射的神舟6号首次完成“2人5天”飞行；航天员首次打开返回舱舱门进入轨道舱；航天员首次脱下舱内航天服进行科学实验；首次全面启动环控生保系统，圆满实现了工程第一步任务目标。

2008年9月25日发射的神舟7号实现了四大突破：首次进行了空间出舱活动；首次满载了 3人；首次释放了伴飞小卫星；首次试验了中继卫星链路。其亮点有二：轨道舱有气闸舱功能，穿国产“飞天”舱外航天服出舱。

2011年11月发射的神舟8号是无人飞船，与天宫1号目标飞行器首次实现了我国空间自动交会对接。从神舟8号起，我国飞船基本定型。

2012年6月16日发射的神舟9号飞船实现了多个第一，例如： 首次实现了手控交会对接；首次验证了组合体载人环境支持技术；首次有女航天员登天。

2013年6月11日发射的神舟10号和以前飞船最大区别是，首次实现了应用性飞行和绕飞。航天员王亚平成为世界第2个太空女教师。

2016年10月17日发射的神舟11号，只送景海鹏和陈冬登天，目的是让他们在天宫2号空间实验室生活30天，考核了中期驻留支持能力，并开展了一系列体现国际科学前沿和高新技术发展方向的空间科学与应用任务

7神舟12号实现五个首次

据悉，神舟12号是迄今为止我国研制的标准最高，各方面指标要求最严格的载人航天器，也是我国空间站任务阶段第一艘载人飞船。它已经完成了进一步的优化升级，将神舟载人飞船的综合能力提升到新的阶段，可实现五个首次：

首次实施载人飞船自主快速交会对接。神舟12号将首次实施载人自主快速对接，在空间站不断调整姿态的配合下，神舟12号载人飞船最快能实现发射后6.5小时与空间站对接。

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首次实施绕飞和径向交会。在此次任务中，神舟12号的交会能力得到加强，具有更复杂的交会对接飞行模式，具备与空间站进行前向、后向、径向对接口对接和分离的功能，并将在本次任务中首次开展绕飞和径向交会对接试验。

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神舟12号与“天和”核心舱形成组合体示意图

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神舟12号载人飞船与“天和”核心舱进行自主快速交会对接

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神舟12号载人飞船与“天和”核心舱完成自主快速交会对接

首次实现长期在轨停靠。神舟12号将实现在轨停靠3个月。为适应空间站复杂构型和姿态带来的复杂外热流条件，“神舟”团队对返回舱、推进发动机和贮箱等热控方案，船站并网供电方案进行了专项设计，使飞船具备了供电、热环境保障的适应性配套条件。

首次具备从不同高度轨道返回东风着陆场的能力。在神舟12号之前，载人飞船都从固定的轨道返回地球。在空间站任务中，空间站为了节省推进剂的消耗，轨道位置会随着不同时间节点而进行相应的调整，为满足长期停靠的要求。“神舟”团队为此对返回轨道重新进行了适应性的设计，使载人飞船返回高度从固定值调整为相对范围，并改进返回的算法，提高载人飞船返回适应性和可靠性。

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打造神舟12号飞船

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吊装神舟12号飞船

首次具备天地结合多重保证的应急救援能力。为了保证天上、地上都具有保护航天员生命，在紧急条件下接回航天员的能力，“神舟”团队开创了天地结合的应急救援任务模式，即携带两艘飞船进场，由一艘船作为发射船的备份，作为遇到突发情况时航天员的生命救援之舟。即采用“滚动待命”策略，在前一发载人飞船发射时，后一发载人飞船在发射场待命，并具备8.5天应急发射能力以实现太空救援的能力。

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航天员聂海胜、刘伯明和汤洪波在核心舱模拟器内训练（2012年4月22日摄）

为了尽善尽美，比起神舟11号，神舟12号也进行了一些改进，例如：装水的设备，从水箱换成水袋，节省了空间和重量；飞船舱壁加了热回路，从集中控制改为分路控制，实现了区域精准控温；由于飞船停留时间长，飞船使用了新型低吸收-低发射热控涂层，它还具备抵抗空间中时时刻刻的高能紫外辐照、原子氧轰击以及多种高能粒子与电离辐射的攻击；飞船使用的控制计算机、数据管理计算机完全使用国产CPU芯片； “北斗” 导航终端也引入飞船设计中，导航计算、返回搜救落点报告等都采用了“北斗” 系统定位数据；测控由地基测控为主全面转为天基测控为主，地面站船测控为辅，减少了对测控站、测量船的需求，这样既扩大了测控覆盖率，又节约了任务成本；改用了舱门快速检漏仪。国际救援示位标和微波重力水平开关等产品被用来快速准确地找到返回舱；舱内照明设备（近距离泛光照明）和交会对接照明设备（远距离透光照明）采用了先进的固态照明光源。它具备耐冲击、抗振动、功耗低、稳定性高的优点，飞船进入地球阴影区时，航天员在舱内仍可以正确判读仪表数据、手动开关指令，为交会对接的成功更添一份保障。

作者丨庞之浩 全国空间探测技术首席科学传播专家

文章由腾讯“全民爱科学”团队推出

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