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神舟七號載人飛船

神舟七號載人飛船,是神舟系列飛船的第七艘飛船,是我國第三艘載人飛船,主要執行三人多天飛行出艙行走任務,突破和掌握出艙活動相關技術。

神舟七號載人航天飛船于2008年9月25日21時10分04秒988毫秒從中國酒泉衛星發射中心載人航天發射場用長征二號F運載火箭發射升空。航天員分別為翟志剛(指令長)、劉伯明景海鵬

翟志剛出艙作業,劉伯明在軌道艙內協助,實現了中國歷史上第一次的太空行走,使中國成為世界第三個掌握出艙行走的國家。飛船于2008年9月28日17點37分成功著陸于中國內蒙古四子王旗主著陸場。

名稱神舟七號載人飛船研制國家中華人民共和國
發射時間2008年9月25日21時10分04秒988毫秒發射場酒泉衛星發射中心
運載工具長征二號F運載火箭返回時間2008年9月28日17點37分
飛行時間2天20小時27分鐘航天員翟志剛、劉伯明和景海鵬

創新與突破

神舟七號載人航天飛行任務的主要目的是突破和掌握航天員出艙活動技術,與“神五”、“神六”任務相比,技術上主要突破了載人飛船氣閘艙、艙外航天服和航天員地面訓練等關鍵技術。

一是氣閘艙與生活艙一體化設計技術。軌道艙進行了全新的設計,兼作航天員生活艙和出艙活動氣閘艙,增加了泄復壓控制功能、出艙活動空間支持功能、艙外航天服支持功能、出艙活動無線電通信功能、艙外活動照明和攝像功能、出艙活動準備期間的人工控制和顯示功能等。

二是出艙活動飛行程序設計技術。在出艙活動飛行程序設計上,考慮運行軌道、地面測控、能源平衡、姿態控制、空間環境適應性等多種約束條件,通過合理、優化配置飛船的資源,設計出具備在軌飛行支持出艙活動的程序平臺。

三是中繼衛星數據終端系統設計及在軌試驗設計技術。神舟七號飛船裝載了中國中繼衛星系統的首個用戶數據終端系統,進行了國內首次天地數據中繼系統數據傳輸試驗。

四是航天產品國產化技術與應用。對部分關鍵器件、組件采用了國產化產品,對于促進航天科技,帶動中國相關科學技術進步,發展自主創新型科技具有重要意義。

五是載人飛船3人飛行能力設計與應用技術。按照3人人體代謝指標設計、配置了環境控制設備,提供可容納3名航天員生活和工作空間,設計了3人指揮、操作、協同關系程序。

六是伴飛衛星釋放支持及分離安全性設計技術。為伴飛衛星提供了釋放平臺和釋放能力,解決了伴飛衛星釋放后對飛船的安全性影響問題。

出艙行走

2008年9月27日16點30分,景海鵬留守返回艙,翟志剛(指令長)、劉伯明分別穿著中國制造的“飛天”艙外航天服和俄羅斯出品的“海鷹”艙外航天服進入神舟七號載人飛船兼任氣閘艙的軌道艙。翟志剛出艙作業,劉伯明在軌道艙內協助(劉伯明的頭部手部部分出艙),實現了中國歷史上航天員第一次的太空漫步,使中國成為世界第三個掌握太空行走的國家。

航天員翟志剛成功出艙行走

圖:航天員翟志剛成功出艙行走

火警誤報

在出艙五分鐘左右時神舟七號曾經報告“儀表顯示,軌道艙火災”,后經證實是誤報。

質疑

在翟志剛出艙片段播出后,一些外國反華媒體相繼發文質疑該片段造假,包括航天服冒出氣泡等。

中國載人航天工程副總設計師王忠貴回應,出現氣泡的原因是艙內外存在0.02個大氣壓的氣壓差,因此出現氣泡,純屬正常現象。2009年Discovery News的物理學家Ian O’Neill也在網上發文支持神舟七號的真實性。本次出艙任務美國NASA亦有報導,而ESA亦有專家協助分析太空員的身體狀況,未有質疑。果殼網上也出現了對于各種質疑的解釋。

氣閘艙技術

神舟七號飛船設計的大部分挑戰和特色,來自于氣閘艙研制。

神舟七號飛船和神舟六號飛船一樣,也是推進艙、返回艙、軌道艙的三艙結構。為了完成航天員出艙活動,軌道艙經過改進,既保留了航天員的生活艙功能,又充當出艙活動需要的氣閘艙。

氣閘的功能類似于長江三峽大壩的船閘,不同的是船閘用來調節水位高度,氣閘艙用來調節氣壓。航天員出艙前,氣閘艙能夠快速泄出空氣,使艙內壓力接近真空狀態下的零氣壓;航天員返回后,氣閘艙又能快速恢復壓力至一個標準大氣壓。氣閘艙內還必須配置其他支持航天員空間出艙活動的設備設施。

盡管是在“神六”軌道艙基礎上進行修改,但“牽一發而動全身”。神七的軌道艙(氣閘艙)實際上已經是一個全新的航天器。從外形上看,去掉了一對太陽帆板,頂部安裝了多個圓球形的氣瓶,還捆綁了一個顆伴飛小衛星。從內部結構上看,配備了復壓氣瓶、兩套艙外航天服、泄復壓控制設備和出艙保障控制臺等艙載支持設備,同時還提供了睡袋、食品加熱、個人生活用品和個人衛生裝置等生活設施。氣閘艙為此進行了全新設計,從電路的排布、防熱的措施、火工品的設計、軟硬件系統的接口等都要重新開始。它在結構強度、振動、熱真空等極端環境試驗一個都不能少。

不論是航天員出艙進行太空行走,還是返回軌道艙,關好艙門非常重要,因而飛船艙門被設計師稱為“生死之門”。出艙艙門雖然只有20千克重,卻有170多個零部件。在沿用了神六艙門的工作原理和設計形式等成熟技術的基礎上,神七的艙門進行了十多個項目的改進設計。考慮到航天員身著出艙航天服,充壓后服裝體積會增大,“神七”艙門的通徑也比神六有所增加。艙門打得開、關得上、密封可靠成為三個非常重要的環節。在真空、高低溫、失重的太空環境下,將艙門打開,并不像在地面開關門那么輕而易舉。而且艙門若不能保證密封,軌道艙內就無法復壓,意味著2名航天員將無法脫掉艙外航天服,不能回到返回艙。

2004年,設計人員特意研制了真空熱環境艙門開關裝置,實現了在地面進行真空和高低溫環境下的試驗驗證。艙門專用的“真空罐”里,設置了開關艙門的機構,像一只機械手在模擬航天員的操作。設計人員為了獲得艙門在更為惡劣的太空環境中的數據,還把“真空罐”的溫度拉偏到零下45度和零上45度。通過計算機操作,獲得試驗驗證數據。

氣閘艙有9個氧氣瓶,其中2套航天服各使用3個,另有3個是艙載氣瓶。正常情況下用不到這么多氧氣瓶,數量多一點是為了應對異常。

艙外頂端的伴飛小衛星,緊挨著5個復壓氣瓶。為防止釋放小衛星時所產生的碎片可能會像子彈一樣打到氣瓶,科研人員還給氣瓶穿上防彈衣。另外,氣閘艙內的有線和艙外無線通信系統、出艙活動操作顯示界面、照明燈、攝像裝置等設備都充滿了設計師的智慧。

飛行時間軸

9月20日

15時15分,船、箭、塔組合體垂直轉運至發射區。

9月24日

16時,火箭推進劑加注程序正式啟動。

9月25日

17時55分,三位航天員到達發射塔下。

18時25分,三位航天員從軌道艙進入返回艙就座。

神舟七號飛船發射升空

圖:神舟七號飛船發射升空

21時10分04秒988毫秒,長征二號F型運載火箭點火起飛。

21時12分04秒,火箭拋棄助推器及逃逸塔。

21時12分43秒,火箭一、二級分離。

21時13分24秒,整流罩分離。

21時18分24秒,三級火箭關機。

21時19分47秒,船箭分離。

21時33分,載人航天工程總指揮、總裝備部部長常萬全宣布神舟七號載人飛船發射獲得圓滿成功。

9月27日

04時03分,啟動變軌控制程序。

04時04分,完成變軌。

10時20分,航天員開始在軌道艙進行艙外航天服的組裝與測試。

12時00分36秒至12時08分46秒,遠望六號船首次執行載人航天測控。

16時35分,航天員翟志剛和劉伯明先后出艙活動,并向艙外的閉路鏡頭揮手和揮動五星紅旗。翟志剛其后取回艙外裝載的固體潤滑實驗試驗樣品,并進行太空行走。

16時58分,航天員成功完成艙外活動,返回軌道艙內。

17時01分,軌道艙門關閉。

19時30分,神舟七號釋放伴飛小衛星。

9月28日

16時54分,飛船進入正常返回軌道。

17時16分,飛船返回中國上空。

17時25分,太空船離開“黑障區”,并且打開主傘。

17時36分,成功著陸。

18時02分,航天員在艙內適應地球重力環境。

18時22分,航天員自主出艙。

18時29分,常萬全宣布任務成功。

艙外航天服

艙外航天服是神舟七號飛行任務的又一大關鍵技術。艙外航天服實際上是一個濃縮了的艙外生命保障系統。在服裝內要給出艙活動的航天員提供大氣壓力、氧氣供給、溫濕度控制等。艙外航天服為航天員在太空提供生命保障、安全防護和通信保障,是航天員出艙活動的主要裝備,系統復雜、高度集成,技術難度很大,安全可靠性要求很高。從1995年開始,中國開始艙外航天服關鍵技術的研究和部件研制。2004年,艙外航天服研制工作全面啟動后,陸續完成了方案、初樣、正樣階段的研制,并生產了飛行用和航天員地面訓練用多套艙外航天服。

飛天艙外航天服

圖:飛天艙外航天服

在研制過程中,中國針對艙外航天服作了大量的地面試驗和驗證,建立了一系列訓練試驗保障條件,研制了航天員地面訓練模擬器、中性浮力水槽模擬太空失重環境,利用低壓訓練艙模擬太空熱真空環境,利用出艙程序訓練模擬器進行程序訓練和故障處理訓練等。各項地面測試、試驗數據表明“飛天”艙外航天服的性能指標能夠滿足神舟七號任務航天員出艙活動的需要。中國研制的單套飛行艙外航天服產品費用約3000萬元人民幣。

伴飛小衛星

神舟七號載人飛船是中國首次開展航天器平臺在軌釋放伴星,以及伴星的伴隨飛行試驗,其任務目標是:試驗和驗證伴星在軌釋放技術;伴星釋放后,對飛船進行照相和視頻觀測;在返回艙返回后,由地面測控系統控制,擇機進行對軌道艙形成伴隨飛行軌道的試驗,為載人航天工程后續任務中拓展空間應用領域奠定技術基礎。

神舟七號載人飛船的伴星是在繼承中科院“創新一號”小衛星成熟技術的基礎上研制的中國第一顆空間伴隨微小衛星。該伴星采用了多項創新設計,突破多項關鍵技術,許多技術在國內屬首次使用。伴星采用了兩艙結構一體化設計,采用了輕型鎂合金材料作為主結構框架,承力板同時用作星內單機的安裝板,提高了衛星的功能密度,使整星質量不超過40kg,同時具有光學成像、大容量壓縮存儲、機動變軌、伴隨飛行、自主導航、多模式指向、測控數傳等多種功能。

神舟七號載人飛船伴星的功能決定了這顆衛星研制的要求高、難度大。負責該衛星研制的中科院上海衛星工程中心經過一系列的技術攻關,已經實現了多項技術突破:

1、彩色視頻和高效信息存儲。神舟七號載人飛船伴星上裝有一臺雙鏡頭可見光照相機,可以靈活利用兩個不同焦距的鏡頭分別在幾米到幾公里的大范圍內對飛船進行高分辨率彩色照相觀測或高幀頻視頻觀測。星上JPEG2000圖像壓縮算法極大提高了數據存儲的效率。星上大容量存儲器最多可以存儲3000多張圖片。

2、高效電源模塊。主要采用的國產三結GaInP2/GaAs/Ge高效太陽電池陣,其光電轉換效率高于26.5%,接近國外先進水平;伴星在國內首次采用了大容量鋰離子電池作為在軌航天器電源,并通過對電源控制器的優化設計,實現對鋰離子電池組的安全控制和智能保護,保證伴星在軌電源供給。

3、多任務指向模式的微型化姿控模塊。神舟七號載人飛船的伴星具有GPS自主定軌能力和三軸穩定姿態控制能力,除了常規對地姿態定向外,還具備對飛船定向、變軌姿態機動和指向、對伴飛目標定向等多種指向功能。構成姿態控制模塊的太陽敏感器、磁強計、陀螺和動量輪、磁力矩器等均采用了微型化設計,其中三個面的太陽敏感器總重不超過100克, 三軸微型磁強計采用探頭與電路一體化設計。

4、微型液化氣推進。伴星裝有一套微型液化氣推進系統,實現軌道機動、空間目標接近、軌道繞飛形成和保持。該系統具有體積小,重量輕,功耗低等優點。通過天地大回路控制,開展對非合作目標的接近及近距離高精度繞飛,此項技術對中國未來的空間交會對接和軌道安全性技術均具有重要應用價值。

5、小型化測控與數傳。神舟七號載人飛船的伴星采用統一波段(USB)測控體制。安裝USB測控應答機,實現國內測控網對在軌伴星的統一測控管理;還安裝有一臺高速數傳機,數傳速率可以達到768kbps,可將相機在軌拍攝的圖像數據快速下傳至地面。

固體潤滑材料的在軌試驗

神舟七號載人飛船入軌后開始進行固體潤滑材料試驗。固體潤滑材料試驗裝置是一件可以可靠鎖緊和便利解鎖的鎖緊機構,在發射階段將安裝有試驗樣品的樣品臺可靠地固定在艙外,飛船飛至第29~30圈航天員出艙活動,在出艙活動期間由航天員便利地解鎖并回收樣品臺。

其操作流程是:航天員在艙外打開試驗裝置的緊固機構→取回樣品臺→傳遞給艙內航天員→艙內航天員將樣品臺放入樣品回收袋;航天員進入返回艙后將樣品臺及樣品回收袋在返回艙內指定位置上固定→返回艙返回后,在飛船總裝廠移交試驗樣品。

為了保障固體潤滑材料試驗的成功,中科院光電研究院和蘭州化物所進行了一系列技術攻關,取得了三項關鍵性技術突破:

1、安全性保障。安全是載人航天飛行任務的核心,首先是產品本身不能有任何影響箭、船、人的環節;同時每一項可能出現的故障都不能影響安全性;此外作為科學試驗樣品的載體,還要保證整個試驗周期內試驗樣品的安全。根據以上幾項原則,首先要求裝置在發射過程中不能意外解鎖,一旦在發射過程中意外解鎖導致樣品臺脫離船體,后果不堪設想,因此裝置首先要保證鎖緊的絕對可靠。以往的航天產品大多采用火工品進行鎖緊,但火工品嚴重威脅航天員安全,因此必須設計一套非火工品的,可便利解鎖的高可靠鎖緊機構。第二項要求是裝置本身不能有任何可能威脅航天員安全的環節,這就對裝置的原材料、外觀、操作方式、表面狀態等提出了一系列要求。第三項要求是解鎖環節應滿足在著艙外服情況下單手完成操作的要求,操作過程應簡便并且不會脫手。在前幾艘飛船上也有一些非火工品的鎖緊機構,但或者要求徒手操作(如扎帶、鎖扣等),或者要求雙手操作(如艙門開啟),在著艙外服狀態下,能夠單手進行解鎖的鎖緊裝置在國內沒有先例。第四項要求是裝置應能夠有效保護樣品。由于樣品須暴露在樣品臺表面并且無遮擋,因此如何防止回收過程中航天員過多地接觸樣品表面也是裝置設計的一項重要課題。

研究人員對試驗樣品及其空間試驗過程中可能形成的反應產物逐一進行了研究分析,確保不產生威脅航天員健康的任何物質;同時對試驗裝置及其試驗樣品的緊固方式采取了一系列措施,并對試驗裝置及其試驗樣品所有棱角及棱邊均進行圓角化處理,試驗裝置及其試驗樣品無突出的尖角、銳邊,確保不發生刮拉航天服進而威脅航天員生命安全的故障發生。

2、可靠性設計。高可靠性是航天產品區別于民用產品的主要特點,“可靠鎖緊,可靠解鎖”是試驗裝置設計的兩個根本要求。“可靠鎖緊”保證了試驗的安全,“可靠解鎖”則是試驗成功的保障。國內外航天界的一項共識是“越簡單,越可靠”,因此使裝置簡單化,盡量減少機構運動環節是裝置設計的基本思路。細致入微的人機功效設計也是確保“可靠解鎖”的重要內容,包括操作方式,解鎖力設計,把手形狀,把手表面狀態、操作標識等,每一個環節都要審慎考慮,力求確保成功,避免出錯。此外,壽命裕度也是保證高可靠性的重要手段,雖然在軌只須進行一次解鎖操作,但為了確保可靠,試驗裝置在地面測試過程中須進行多次不同環境下的解鎖試驗,因此要求解鎖機構壽命可達到幾十次甚至上百次。

固體潤滑材料空間試驗試驗要求在發射及在軌執行飛行任務期間,樣品能夠可靠地固定于飛船艙外,同時又要求樣品回收過程有利于航天員便利操作,為此,光電研究院項目組在中國航天發展過程中尚無可借鑒經驗的情況下,經過反復試驗驗證,創新性地設計并研制了同時具備鎖緊及解鎖功能的試驗裝置,通過可靠性驗證試驗考核表明,其可靠性符合任務要求,可靠度達到0.9965以上。

3、試驗樣品技術狀態確認。鑒于神舟七號飛行任務周期的約束條件,要求試驗樣品可在較短的試驗周期內取得有效的試驗結果,要求確定的試驗樣品在原子氧環境中應有不同程度的反應,以便判別試驗的效果。同時要求選取的樣品在本項目試驗周期內應可明顯反映原子氧等環境因素對固體潤滑材料的影響效應并具有代表性。為此項目組開展了系統的研究分析工作,篩選確定了3類11種試驗樣品,涵蓋了已在空間運動機構中獲得成功應用的多種固體潤滑材料,地面考核試驗結果表明可有效滿足本項目研究目標。

由光電研究院設計制造的神舟七號載人飛船的固體潤滑材料的試驗裝置通過結構自鎖和機械鎖緊集成的模式保證試驗樣品臺可靠地被固定于飛船艙外,具備在解鎖過程中機械鎖緊裝置被打開后樣品臺仍可固定于樣品臺底座的功能;將機械鎖緊與解鎖機構集為一體,可通過簡便的操作過程并通過輔助加力系統將樣品臺便利回收,保證了樣品臺及固定于其表面試驗樣品的回收可靠性。

外界評價

曾3次太空行走的美國前宇航員溫斯頓·斯科特說,幾天來他一直關注神七,中國航天員首次太空行走持續了大約20分鐘,但“時間長短并不重要,重要的是這是(中國載人航天的)一個具有重要意義的成就”。

美國華裔宇航員盧杰在發給新華社記者的一封電子郵件中說:“太空行走是一項非常重要的太空探索能力,它將成為中國太空探索中的一個新里程碑。”

法國國家空間研究所中國航天事務專家茜爾維·卡拉里持同樣看法。卡拉里說,神七的重要突破就是中國航天員的首次太空行走,通過實現這項操作,中國在太空探索上又邁出了一大步。無論是宇航員的太空服,還是其他為艙外活動配的設備,都意味著中國在航天技術方面的進步。

國際宇航聯合會負責人菲利普·威爾肯斯認為,這次飛行任務是中國未來建設空間站的關鍵一步。威爾肯斯對新華社記者說,神七航天員出艙行走表明中國具備了在太空中進行更為復雜操作的能力,將為中國未來建設空間站打下基礎。

日本負責制定航天事業政策的日本宇宙航空研究開發機構在接受新華社記者書面采訪時說,一個國家如果能夠順利完成載人航天飛行和太空行走,表明這個國家的載人航天技術已經擁有了高度的可靠性和安全性。

俄羅斯宇航員瓦列里·托卡列夫也持同樣觀點。他認為,中國航天技術的發展令整個世界感到驚訝,實施太空行走是一個國家成為航天強國的標志。他說,載人航天集中體現了國家整體科技發展水平,標志著一個國家在世界航天領域的領先地位。中國已經掌握了先進的載人航天技術,而且中國有能力保持航天技術的飛速發展,向世界展示一個迅速崛起的中國。

馬來西亞知名年輕學者胡逸山29日在吉隆坡說,中國航天員首次實現太空行走以及神七返回艙安全返回,是中國躋身世界科技強國的一個標志。他說,中國對神七整個太空之行都進行了公開、透明的轉播和報道,向世人傳達了中國和平利用開發太空的聲音。此外,神七也將帶動中國其他相關產業和技術的發展,尤其是高科技,使中國的工業和技術水平走上一個新的臺階。

俄羅斯《航天新聞》雜志社專家伊戈爾·利索夫對俄報紙網說:“中國人在做我們和美國人40年前所做的事情,不過,打個比方說,我們的東方號飛船六次飛行所完成的工作,他們只用一次飛行就完成了。我們飛行10到15次才能達到的目標,他們只需4到5次就可以實現。他們希望以質取勝,重點突破。”

加拿大宇航員比亞德尼·特里格瓦松在接受新華社記者采訪時說,中國成功發射神七載人飛船,并首次實現太空行走,顯示“中國在航天技術領域取得了巨大進步,中國應該成為世界航天技術合作領域的平等伙伴”。他認為,這次發射載人飛船不僅對中國意義重大,也將改變國際空間技術合作方面的格局,中國有可能在不久的將來成為世界空間技術合作中的主力。

歐洲航天局負責與中國和俄羅斯合作事務的官員卡爾·貝里奎斯特強調,中國在航天領域的發展不是一種威脅,對歐航局來說意味著機遇。神舟飛船還會不斷發展和更新,這就為未來的合作打下了基礎。無論是美國、俄羅斯、歐洲還是中國,都對探索宇宙表現出濃厚的興趣,最好的探索方式就是合作。

當被問到中美兩國在太空探索領域的合作前景時,美國國家航空航天局總部負責公共事務的官員邁克爾·布魯克斯表示,美國宇航局與中國國家航天局同意建立工作組,在地球科學和空間科學領域進行探討,“國際對話可以增強人類對地球以及太空的認識,中國的太空探索項目為中美在地球和空間科學領域的合作提供了潛在機會”。

而在神七發射前,日本內閣官房長官河村建夫就已表示,中國的航天發展達到了很高的水平,“將來我們必須考慮與中國展開太空合作。我們可以開始考慮這件事了”。

神舟七號載人飛船
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最新更新:2015-08-07 13:52
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