载人飞船系统总设计师 戚发轫
前言
从1970年4月24日中国第一颗人造地球卫星“东方红一号”发射升空至今，中国用自己的运载火箭已发射了50多颗自行研制、自己管理和应用的各种不同类型及不同轨道的卫星，其中包括17颗返回式卫星。在人造地球卫星的研制和应用领域中创造了辉煌，为航天器的研制和试验积累了经验，建造了具有一定规模的技术设施；更为重要的是，造就了一大批技术骨干力量，为开展载人飞船的研制奠定了基础。
1992年9月21日，中央政治局会议批准了中央专委关于中国载人航天工程的立项报告。从此我国的载人飞船工程全面启动。经过7年的论证、攻关、研制和试验，中国第一艘试验飞船“神舟”一号于1999年11月20日发射升空，正常运行1天，准确着陆于预定区域，飞行试验取得圆满成功。2000年至2003年又经过“神舟”二号、“神舟”三号和“神舟”四号3次无人飞行试验的考验后，中国第一艘载人飞船“神舟”五号于2003年10月15日成功发射，在轨运行1天后，于2003年10月16日安全着陆，中国航天员自主地走出返回舱，中国首次载人飞行试验获得圆满成功，表明中国已经突破了载人航天技术。从人造卫星的研制到载人飞船的飞行成功，实现了航天器研制从“无人”到“有人”的突破，使中国的航天技术实现了质的跨越。
载人飞船相对于人造卫星的技术跨越主要体现在为必须满足航天员生活工作环境和高安全性的要求而采用的大量高新技术，包括：环境控制与生命保障技术、仪表与照明技术、人工运动控制技术、升力控制技术、着陆缓冲技术、应急救生技术、湿度控制技术、制导导航与控制一体化技术、流体回路热控制技术、载人飞行的回收着陆技术等。
一、载人飞船相对于人造卫星的特殊要求
载人飞船要为“人”即航天员在整个飞行任务期间提供必要的生活和工作条件：保证舱内气体环境、力学环境、辐射环境满足人的生存要求（医学要求），舱内设施满足人的生活和工作要求，这是人造卫星没有的。
载人飞船是用来运送和回收航天员的，必须确保航天员完成飞行任务后安全地返回地面。
载人飞船在飞行过程中，一旦发生重大故障，在其他系统和（或）在航天员的参与下，要能自主或人工返回地面，即保证航天员在各个任务阶段、各种情况下的安全。
正是由于这些不同于人造卫星的特殊要求，需要在载人飞船上采用特有的关键技术，包括保证气体环境、力学环境的技术，保证姿态控制精度和着陆精度的技术、人工控制的技术，显示、报警、照明的技术，保证落点调整的技术、着陆后航天员支持的技术，以及应急救生技术和防火灭火的技术等。
二、载人飞船相对于人造卫星的技术跨越
（一）载人飞船特有的新技术
载人飞船从待发段、上升段、轨道运行段、再入段到着陆后等待回收的整个过程为航天员创造了一个能正常生活和有效工作的环境。这个环境能够满足航天员的医学和功效学要求，为此配备了载人飞船特有的系统；同时，座舱内还为航天员配备了个人必需的物品，并使航天员能与地面控制中心通话，向地面传输座舱内和航天员本人的电视图像。载人飞船最具特点的技术有：
(1)环境控制与生命保障技术
为保证航天员在太空生存和生活，载人飞船具备特有的环境控制和生命保障能力，保证航天员从进入座舱起到离开座舱的全任务期间，座舱内环境适合于航天员生存，保障他们在太空飞行的特殊环境下，安全地生活、正常地工作。为此，在载人飞船上设置了环境控制与生命保障系统。该系统包括以下基本功能模块：供氧调压、气体成分控制、通风净化、座舱内温湿度控制、水管理、食品管理、废弃物收集处理、航天服内循环、烟火监测与防火等。环境控制与生命保障系统包括两部分技术：一是座舱环境控制技术，二是生命保障技术。
载人飞船座舱环境控制技术主要是保证气体环境控制和座舱防火、防噪声和防辐射。气体环境控制主要包括气体总压控制、气体成份控制（包括有害气体的控制与排除）、气体温度控制和气体湿度控制。在轨道真空、恶劣温度的环境下，建立一个密封座舱来提供一个安全的环境。为保证防火安全，舱内气体为氧氮混合气体，采用供气排气方式控制总压和氧分压。对火工品采取有效的设计和工艺措施，保证不向舱内排放有害气体。人体呼出的二氧化碳和其他微量有害气体成分由净化装置吸收，并利用风机和风扇保证在微重力环境下舱内气体均匀。座舱内温湿度控制由主动液体冷却回路和冷凝干燥器来控制。
载人飞船生命保障技术，主要为解决太空飞行条件下，特别是在轨道飞行的微重力条件下，航天员的进食、饮水和个人卫生所遇到的特殊困难，在座舱内配备各种生活支持设施和物资，保证航天员的正常生活。载人飞船携带了足量的航天食品和饮用水，配备了食品加热装置保证进餐质量。此外，还配备了医学监测设备随时监视航天员的健康，并准备了航天服装备、必要的医保用品、个人救生装备、个人防护装备、飞行文件等，以保障航天员的生命安全。采用微重力水管理技术解决了轨道微重力环境下水的分离和储存问题。
(2)仪表与照明技术
由于航天员的存在，载人飞船设置了仪表照明分系统。航天员自进入飞船座舱，在整个任务期间，除与地面指挥中心通话联系外，主要信息的获得都来自仪表系统。仪表系统介于航天员与控制过程之间，是为保障飞行过程安全可靠和支持航天员主动完成在轨飞行任务而设置的系统，其主体是对过程进行监视和控制的人－机接口功能，即：将过程状态信息以易于理解的方式传递给航天员，将飞船命令准确地传递给过程。此外，依任务需要，仪表系统还具有支持对过程进行直接控制功能、进行在轨管理功能。
仪表照明系统的主要功能：一是信息显示、报警和手控指令的接收；二是舱内舱外的照明。
显示和报警信息主要包括：
与飞船飞行状态相关的数据，如飞行轨道、飞行对应的地理位置、高度、姿态、飞行模式，飞行阶段、飞行时间，以及飞行过程中的重要事件等；
飞船各公用系统的工作情况，如导航与控制系统（GNC）状态、舱内环境控制与生命保障系统状态、推进剂和电力供给等能源状况以及相关设备的运行状态等；
支持人工运动控制的信息，包括姿态，操纵飞船平移机动，以及交会对接的相关参数和相关设备的工作状态；
支持实施人工处置系统/设备故障和应急救生飞行的相关信息；
航天员医学生理监测数据等。
接收的指令主要包括：
飞行过程中的各种常规操作以及专门安排航天员自主使用的手控指令，如通信设备状态设置、飞船返回舱着陆后脱伞等；备份于重要程控/自控指令，进一步保证飞行过程安全、可靠的手控指令，如船箭分离、帆板展开和舱段分离等；
实施人工处置系统/设备故障和应急救生飞行的手控指令；
手动运动控制———实施人工控制姿态、操纵平移机动，以及交会对接的手控指令；
对自动控制系统实施干预，进行控制器参数修正、调整以及设备重组配置的操作指令。
照明系统包括舱内生活与工作照明和舱外照明。
舱内照明设备的功能是保证航天员正确判读仪表显示、准确完成各种操作、阅读飞行手册、记录飞行日志以及生活起居方便等。由于舱内相对密闭以及频繁进出阳照阴影区的特点，使用舱内公用照明、显示仪表照明以及配备备用照明，保持舱内各工作区和生活区的照度满足要求是必需的。
舱外照明主要用于航天员出舱活动、实施在轨维修、人控交会对接以及支持获取可视图像等目的。
(3)人工运动控制技术
人，由于其判断力、创造力和处置故障并维修的能力，在航天活动中有着许多不可替代的作用。发挥航天员的主观能动性，由航天员完成自动系统在某些特定条件下难以胜任的工作，是保障航天员自身安全不可忽视的途径。因此，在载人飞船中配备有支持人工操作和控制的设施，以保证一些重要的指令、动作和功能由航天员的操作和控制作为自动系统的备份或单独由航天员来完成。
载人飞船具备人工运动控制功能———实施人工控制姿态，操纵平移机动。航天员可以借助仪表、舷窗、光学瞄准镜获得姿态、轨道等信息，以及通过独立的人控线路，在特定的情况用手柄操作和控制完成预定的机动任务。
载人飞船在自动系统失效的情况下，由航天员完成维修或接替自动系统进行控制，因而可以提高系统的可靠性。
(4)应急救生技术
为了保证航天员的安全，载人飞船在重要任务阶段设置有独立的救生措施，配备了应急救生系统，保证在有故障或发生事故的情况下保证航天员的生命安全。载人飞船的应急救生系统与运载火箭的逃逸系统一起共同完成待发段、上升段、运行段全过程的救生任务。
抛整流罩前的应急救生：飞船从逃逸飞行器分离后，能自主安全着陆（或溅落）；
抛整流罩后的应急救生：飞船具有自主完成分离的能力，并防止分离后各舱段发生碰撞，飞船利用轨道机动能力对落点进行调整，安全降落在应急区域内；
飞船在运行段，因温度、电源、压力等故障，需自主返回时，具有在轨等待6h的能力；
飞船内采取有效的防火措施，一旦舱内某部位着火，具有迅速灭火并恢复舱内环境的能力或实施应急返回；
运行段需应急返回时，在无测控通信网支持的情况下，飞船具有在航天员参与下自主返回应急着陆区的能力。
按载人飞船不同高度和运载火箭不同的状态制定了近10种救生模式。为飞船在轨运行段制定了上百种故障模式和相应的故障对策，并制定了提前和推迟返回的飞行计划和程序， 指控中心可以根据飞船的工作状态正确决定有利的返回时刻。由于在应急和故障情况下无法在预定的着陆场着陆和回收，除设有副着陆场外，在国内外陆地和海上设置了若干应急回收区，以保证返回舱着陆后航天员得到及时营救。
(5)着陆缓冲技术
由于航天员的存在，着陆前必须进行缓冲以降低航天员经受的冲击。为了实现正常和故障情况下航天员承受的冲击载荷满足要求，载人飞船单独配置了着陆测高设备、着陆缓冲发动机、座椅缓冲器、座椅及束缚系统、座椅赋性垫，对密封大底结构进行了针对性设计。正常情况下，着陆缓冲发动机可将返回舱的降落速度降为2m/s以下，满足航天员冲击载荷要求。在发生发动机故障的情况下，利用结构大底、座椅缓冲器、座椅赋性垫的系统缓冲作用，降低各个方向的冲击，使航天员经受的冲击符合安全要求。
(6)升力控制技术
为了提高返回舱的落点精度、保证落点调整能力和降低返回再入过载，载人飞船首次使用了不同于人造卫星的升力控制技术。在高精度导航的保障下，通过控制返回舱的倾侧角来改变作用在返回舱上的升力方向，达到减少气动阻力过载，改变飞行轨道并最终使返回舱在预定位置开伞的目的。
升力控制方式再入要求返回舱在防热上必须采用新的技术手段和材料，使返回舱能承受长达600s以上的气动加热时间，比返回式卫星长5倍。返回舱维持一个固定的姿态（攻角一定，迎风背面固定）不仅要采用新的防热材料，还要在返回舱的不同部位采用不同材料、不同厚度的多种结构形式来满足不同部位上的外热流环境要求。返回舱采用了大钝头倒锥形大头朝前再入方式，这给气动力设计造成了众多的技术难题，有些问题在国内无成果借鉴。因此，为提供精确的气动数据，必须做大量的分析和风洞试验，有的还要经过真实飞行—气动参数辨识才能提供使用。
(7)湿度控制技术
湿度问题是载人航天飞行的一个特有问题，而且在无人飞行试验中很难全面考核湿度控制功能。
载人密封舱的湿度控制采用了主动湿度控制和被动湿度控制两个系统共同完成。主动湿度控制系统工作由内外回路和冷凝干燥器完成；被动湿度控制系统作用由粘贴在密封舱内壁的空气吸湿材料和高效吸水复合材料实现。载人飞船待发段和上升段先由主动湿度控制系统工作，再由被动湿度控制系统工作；运行段主要由主动湿度控制系统工作，被动湿度控制系统作为补充手段；返回制动和再入段主要由被动湿度控制系统发挥作用。整个任务阶段，通过主动与被动控制措施的联合作用，可以保证密封舱的湿度满足航天员人体要求。
（二）在人造卫星基础上发展的关键技术
载人飞船由于航天员的特殊要求，以前人造卫星采用的各专业技术往往不能适应。载人飞船在应用卫星技术的基础上进行了发展和改进，采用新技术或突破新的技术关键。主要有以下几个系统
(1)制导、导航与控制（GNC）系统
载人飞船为了满足对落点精度、再入过载和再入时配平攻角的要求，在中国航天器研制历程中第一次采用了制导、导航与控制一体化系统。又由于飞船受到地面测控区的限制以及再入段存在无线电黑障区，要保证再入时的连续制导、导航与控制，必须不依赖地面测控系统，由飞船自主完成。为此，GNC系统采用了先进的捷联式惯性导航技术。为了减少初始姿态测量误差和陀螺漂移时对导航精度的影响，采用卡尔曼滤波器在返回前完成对陀螺的标定，以给出准确的姿态。而滤波又采用了太阳矢量与地球矢量双矢量定姿方法，这样既简化了滤波器设计又提高了导航的精度。升力控制技术可以达到减少气动阻力过载，使返回舱在预定高度顺利开伞。准确的离轨控制是返回舱准确着陆的重要前提，离轨控制的关键在于准时启动制动发动机，以保证推进系统能提供精确的速度增量。这个增量必须符合总体提出的制动精度要求。为了满足这个要求，GNC系统采用了基于加速度计测量的速度增量关机方案，这个方法也用于飞船的变轨和轨道维持。
GNC系统首次采用了上述三项新技术，并获得成功。另外，在姿态控制方面，增加了众多的模式，除具备全姿态捕获能力外，还具备对日定向、偏航机动、再入前调整配平攻角和返回舱的旋转控制等控制模式。制动前的调姿是分二次完成的。
(2)回收着陆系统
载人飞船的回收着陆系统，首先要保证航天员在着陆时所承受的冲击载荷符合航天员医学标准。减少冲击载荷最有效的办法就是降低着陆速度。着陆速度要远远小于返回式卫星回收设备所允许的着陆速度（一般为14～15m/s），必须小于3.5m/s。为了保证航天员在各种情况下回收着陆的安全，航天员是乘返回舱回收的，而返回舱要乘三名航天员，同时还要回收100kg的实验载荷，整个返回舱的重量超过3000kg。一般情况下无人航天器的回收采用降落伞系统就够了。但返回舱完全采用降落伞系统来把速度由200m/s（返回舱进入大气层后的稳定速度，在此情况下打开降落伞）降低到航天员着陆时所能承受的速度，在工程设计上是不合理的，伞系统的重量大到不能应用的程度。实际上，一般用降落伞将返回舱降到7～8m/s是合理可行的，剩下的速度由缓冲发动机在返回舱着陆时完成。
飞船的回收着陆系统第一步用降落伞系统把乘坐航天员的返回舱由200m/s的速度降到7m/s左右，这个伞的面积为1200m2（比回收几百千克载荷的返回式卫星的伞系统的面积大10倍）；第二步在距地面1m的高度再由缓冲发动机点火，使速度降到3.5m/s以下，以保证航天员的安全。
回收着陆系统的工作过程是由一系列按预定程序进行的动作来实现的。程序和动作是不可逆的。着陆程序一旦启动，各种动作就按预定程序进行，直到返回舱着陆（或溅落），如果中途出现故障，不可能将程序终止，也不能将动作重复。为提高可靠性，该系统配备了副降落伞系统作为主降落伞系统的备份，并且具有自主判别故障和主备切换功能。此外，也配备缓冲系统作为着陆缓冲发动机的备份。
回收着陆系统不仅要能适应返回舱在正常返回条件下的要求，还要适应返回舱在应急返回和发射段各种逃逸救生状态下的要求。这些状态包括：正常返回升力控制式再入、应急返回弹道式再入、零高度救生、低空救生、中空救生和高空救生。为此，该系统的控制计算机必须备有多种模式的工作程序，并能识别工作状态和调用所需工作程序的功能。同时采用“高度－时间”的控制方法，由“静压高度控制器”和“程控器”发出回收着陆程控指令。
（3）热控系统
人造卫星热控制系统的主要任务，是保证卫星的结构部件和仪器设备在太空环境下处于一个合适的温度范围内，以保证其正常工作，而载人飞船热控系统还必须保证航天员所需的密封舱温度、湿度、气体流动速度的要求，因此也导致了载人飞船与人造卫星热控制系统的不同，使其具有自身的一些特点。
载人飞船要求具有一定的温度应急能力，以保证自主应急返回的时间；要求热控分系统具有较强的适应内、外热负荷变化的能力，如无人状态、不同的航天员人数和不同的有效载荷，以及飞船对地定向、对日定向、偏航机动不同的运行姿态等。
对于一般人造卫星，目前所采用的热设计方法基本上是分舱段热设计，即根据各个舱段的具体情况，如功率水平和温度要求，确定舱段的散热面面积和位置，舱段之间基本上采用隔热设计。而载人飞船密封舱之间是相通的，不仅有仪器设备的发热，而且有航天员的代谢热，以及舱内气体净化和水再生等方面的化学产热，因此必须从整体上加以考虑，由此逐渐发展了载人飞船的热管理系统，并随之采用了一些新的设计方法。而且由于可靠性和安全性的要求，更多地采用了冗余设计的措施。
由于需求的不同，对于人造卫星主要采用被动热控手段，辅助一些电加热和其他的主动热控手段。被动热控主要采用隔热材料、热控涂层、导热填料、热管等，它们的状态一旦确定，在轨道上无法进行调整，但可靠性较高。然而载人飞船主要采用主动热控手段，尤其是流体回路热控制技术。
由于密封舱温度和湿度控制的要求，密封舱不能设置散热面，并应尽量减少与外部空间环境的热交换。这是因为，设置散热面后，散热面的温度受外部环境影响很大，而且散热面的温度必须比舱内的温度低，这样才能起到散热的作用。由此导致在散热面上出现了水汽的凝结，不仅温度无法控制，也影响到湿度控制，所以必须进行热量的远距离传输和排放。通过密封舱的通风和流体回路就实现了热量的收集、输运和排散。
流体回路一般由保证内部工质循环的泵组件，气－液与液－液等各类换热设备，以及压力补偿器、辐射散热器和温度控制部件等组成。系统较复杂，运动部件多，而且为了保证舱内温度和湿度的控制精度，对于回路上的关键温度需要进行精确控制。
（三）提高安全性与可靠性的技术与手段
由于卫星为无人航天器，强调可靠性但不存在人员的安全问题，而载人飞船是有人航天器，为保证航天员在各个任务阶段、各种情况下的安全，必须具有更高的可靠性和安全性的要求及措施。提高可靠性的目的是减少故障出现，提高安全性的目的是减少危及航天员生命和健康的事故发生。可靠性是安全性的基础，但可靠性不等于安全性，也不能代替安全性。就是说，可靠不一定安全。若设计上考虑不周、功能不全、程序不对、对策有误、操作不当，即使软硬件产品可靠，也会发生造成航天员伤亡的事故。例如，飞船采用非电传爆火工装置，虽然起爆和该装置的动作都是可靠的，但可能造成座舱内气体中有害成分超过航天医学标准，会对航天员造成伤害。对载人飞船来讲，这套系统就是不安全的。又如，座舱舱门密封和开启都是可靠的，但可能由于舱门尺寸、形状和航天服外廓突起物不协调造成航天员进出时有勾挂现象，不能按规定时间进出，也是不安全的。总之，载人飞船除了提高可靠性外，还必须把安全性当成最高设计准则，来完成各项工作，以保证航天员在任务全过程各种情况下不受损伤。
为满足更高的可靠性与安全性要求，除以上提到载人飞船采用的新技术外，在可靠性与安全性总体设计上也不同于人造卫星。提高载人飞船的可靠性除采用传统的常规的降额、备份、冗余、容错等技术外，还必须要求各重要系统有自主故障诊断和系统重构功能，保证做到“一度故障正常运行，二度故障安全返回”。载人飞船制导、导航和控制（GNC）系统，就具备自主故障诊断和系统重构功能，做到无单点失效。推进系统藉助于其他系统也可以做到无单点失效。除此之外，还要采取功能备份措施确保可靠和安全，如保证航天员着陆时不承受超过医学标准的冲击载荷；除采用缓冲发动机减小冲击载荷外，还把座垫、座椅、缓冲器和密封大底组成一个缓冲系统作为缓冲发动机的备份。又如，航天服做为密封座舱的应急备份措施，确保航天员在座舱意外失压时的人身安全。
由于载人飞船特殊的安全性要求，配备了应急救生系统，在重要任务阶段具有独立的救生措施，保证在出现故障或发生事故的情况下，确保航天员的生命安全。同时，发挥航天员的判断力、创造力以及处置故障和维修的能力，完成自动系统在某些特定条件下难以胜任的工作，也是保障航天员自身安全不可忽视的途径，因此，在载人飞船中配备有支持人工操作、控制的设备，以保证一些重要的指令、动作和功能可由航天员的操作和控制，或改为自动系统的备份，或单独由航天员来完成。为了在紧急情况下发挥航天员的主观能动性，还设置了自主应急返回工作模式，航天员可根据当时的特殊情况，如座舱突然失压、本人发生不可恢复的生理异常，可以根据地面控制指令和舱内仪表显示的信息自主选定应急着陆区，启动紧急返回程序，确保返回到选定的着陆区。
为保证航天员的安全，对载人飞船制定了100多条故障对策应急措施。控制程序非常庞杂，其软件的工作量也非常庞大，有几十万个程序，正常情况下的软件工作量仅占20％左右，其余都是故障对策和应急救生时的软件工作量，这也表明安全性在载人飞船中的重要位置。
除设计上采取提高可靠性与安全性的措施外，还对所有的设计进行了大量的地面试验验证，并发展了可靠性与安全性试验验证技术。
以上仅对载人飞船相对于人造卫星的几个主要的技术跨越进行了简单介绍。实际上载人飞船所发展与改进的技术还更加广泛和深入，其中包括测控通信技术、推进技术、舱段分离与密封技术、轨道设计技术、数据管理技术、远程测试技术、供配电技术、电源技术、防火灭火技术等等。载人飞船和其他载人航天器的研制是一个新的领域，“神舟”五号飞船首次载人飞行成功标志着载人航天新领域取得了经过实践验证、全面配套的工程技术成果。但从整个载人航天领域来讲，这仅仅是开始，我们将面临新的技术难题和新的挑战。为研制空间实验室、空间站所要解决的技术攻关项目也并不亚于上述提到的几个方面，如航天员出舱活动、交会对接，长期运行的环境控制与生命保障，以及气体、液体工质的补给等技术都必须加大投入，加快攻关。
载人航天领域每一项成就的取得都凝聚者集体的智慧和集体的劳动，在此向参加“神舟”号飞船研制的同行们表示感谢和祝贺。
（该文原载于2003年第4期《载人航天》）
