载人航天工程:中国自主创新的大科学工程

———写在神舟七号即将发射之际载人航天工程

 

www.casted.org.cn  日期:2008-09-23

 

200896日,中国载人航天工程新闻发言人宣布,载人航天工程神舟七号载人航天飞行将于9月25日至30日择机实施。目前首选的时间为25日晚上910分左右。

和神舟六号相比,神州七号将承载更加复杂的三大任务,第一是要执行出舱试验任务,也就是实现航天飞行员的太空行走;第二是满载运行,神舟七号搭乘三名航天员最长飞行五天载人航天工程;第三,神舟七号飞行期间要进行一些卫星通讯的新技术试验。

研究方向自主决策,全部费用政府投入,多项技术自主研发,中国的载人航天工程是一个典型的自主创新的大科学工程。

一、一次艰难的决策

19677月,中国科学院和七机部共同进行了中国载人航天途径和步骤的研究。20世纪70年代初,他们的研究已小有成就,不仅做出了精美的模型,飞船命名为曙光号19714月,曙光一号载人航天工程全面启动,名为“714”工程。由于当时我国的经济基础较薄弱,工业制造及相关的工艺水平又低,加上文革的动荡和天灾人祸,周恩来总理专门就中国载人航天的发展讲了几条原则:不与苏美大国开展太空竞赛,要先把地球上的事搞好,发展国家建设急需的应用卫星。 1975年,中国暂时停止了对载人航天的探索。

1986年春天,杨嘉墀、陈芳允、王大珩、王淦昌四位科学家在《关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议》中列入了载人航天的研究,并设法以书信的形式送到了中央最高领导人那里。35日,邓小平在这封信上作了批示:这个建议十分重要,请找专家和有关负责同志,提出意见,以凭决策。此事宜速作决断,不可拖延。这个高技术发展计划后来被称为“863计划 航天技术是“863计划《高技术研究发展计划纲要》七大领域中的第二领域,主题项目是:大型运载火箭及天地往返运输系统、载人空间站系统及其应用。国家拨款50亿元。“863”计划为中国的载人航天开辟了道路。

1987年,在原国防科工委的组织下,组建了“863计划航天技术专家委员会和主题项目专家组,对发展我国载人航天技术的总体方案和具体途径进行全面论证,这就是航天飞机与载人飞船之争。

支持航天飞机方案的专家认为:载人飞船作为天地往返运输手段已经处于衰退阶段,航天飞机可重复使用,代表了国际航天发展潮流,中国的载人航天应当有一个高起点。搞飞船做一个扔一个,不但不能争光,还会给国家抹黑。

支持载人飞船方案的专家认为:载人飞船既可搭乘航天员,又可向空间站运输物资,还能作为空间站轨道救生艇用,且经费较低,更符合中国的国情。航天飞机无论是造价还是维修费用以及发射场建设都相当昂贵,中国此时还不具备航天飞机的生产工艺条件。

199218日,中央专委会召开第五次会议,专门研究发展我国载人航天问题。 会议确定了载人航天的方向:从政治、经济、科技、军事等诸多方面考虑,立即发展我国载人航天是必要的。我国发展载人航天,要从载人飞船起步。

1992825日,中央专委向党中央、国务院、中央军委呈上了《关于开展我国载人飞船工程研制的请示》,在《请示》中,建议我国载人航天工程计划分三步走:

第一步,在2002年前,发射两艘无人飞船和一艘载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验。第二步,在第一艘载人飞船发射成功后,大约在2007年左右,突破载人飞船和空间飞行器的交会对接技术,并利用载人飞船技术改装、发射一个8吨级的空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间站应用问题。第三步,建造20吨级的空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间站应用问题。 第一艘试验无人飞船要争取1998年、确保1999年首飞,即争八保九

1992921日,中共中央政治局十三届常委会第195次会议讨论同意了中央专委《关于开展我国载人飞船工程研制的请示》,正式批准实施我国载人航天工程。根据中央领导指示,载人飞船工程是一项大型的保密工程,应贯彻要静静地、坚持不懈地、锲而不舍地去搞多干、少说只干、不说的原则,不报道、不宣传。因此,自1992年末,工程就在全国各有关单位中悄无声息地全面开展起来。

 

二、一个复杂的巨系统

中国载人航天工程是我国航天史上迄今为止规模最大、系统组成最复杂、技术难度和安全可靠性要求最高的跨世纪国家重点工程,由航天员、飞船应用、载人飞船、运载火箭、发射场、测控通信和着陆场七大系统组成。

航天员系统负责航天员的选拔、训练,对航天员进行医学监督和医学保障,研制航天员的个人装备和飞行过程中对航天员进行医学监督、数据传输的有关设备,对飞船的工程设计提出医学要求。另外,航天员系统还要负责航天员的环境控制,其环控生保分系统要给航天员创造一个适于生活、工作的大气环境。

飞船应用系统负责载人航天工程的空间科学与应用研究。装载在飞船舱内的科学实验仪器,可进行空间对地观测和各种科学实验。实验内容非常广泛,研究成果将广泛用于医药发展、食品保健、防治疑难病症以及工业、农业等各行业之中。

 载人飞船系统主要是研制神舟号载人飞船。载人飞船采用轨道舱、返回舱和推进舱组成的三舱方案,额定乘员3人,可自主飞行7天。按照神舟飞船目前运行模式,飞船在太空自主飞行试验结束后,返回舱按预定轨道返回地面,轨道舱可留航轨运行半年时间,执行一些对地观测及其他预定任务。

 运载火箭系统主要是研制用于发射飞船的长征二号F型运载火箭。这型火箭是国内目前可靠性、安全性最高的运载火箭,可靠性超过百分之九十九点九。运载火箭系统要解决靶场发射、运输、故障诊断和宇航员安全逃逸等方面的问题。

发射场系统由中国酒泉卫星发射中心载人航天发射场承担,负责飞船、火箭的测试及其发射、上升阶段的测控任务。中国载人航天发射场由技术区、发射区、试验指挥区、首区测量区、试验协作区和航天员区六大区域组成,于1998年正式投入使用,采用了具有国际先进水平的垂直总装、垂直测试、垂直运输及远距离测试发射模式。

 航天测控与通信系统主要是执行飞行任务的地面测量和控制,负责飞船从发射、运行到最终返回的全程测量和遥控,是飞船升空后和地面惟一的联系途径。中国航天测控与通信系统目前包括4艘远洋测量船、6个陆上测量站和3个活动测量站。在原有卫星测控通信网的基础上,研制了符合国际标准体制,可进行国际联网的S波段统一测控通信系统,形成了陆海基载人航天测控通信网。

 着陆场系统负责对飞船返回再入的捕获、跟踪和测量,搜索回收返回舱,并对航天员返回后进行医监医保、医疗救护。着陆场区主要包括内蒙古中部的主着陆场和酒泉卫星发射中心内的副着陆场以及若干陆、海应急救生区。

三、一段长时间的科学试验

19991120,中国第一艘无人试验飞船神舟一号飞船在酒泉起飞,21小时后在内蒙古中部回收场成功着陆,圆满完成处女之行。这次飞行成功为中国载人飞船上天打下非常坚实的基础。

2001110,中国成功发射神舟二号飞船。

2002325,成功发射神舟三号飞船。

20021230,成功发射神舟四号无人飞船。

 20031015日9时整,我国自行研制的神舟五号载人飞船在中国酒泉卫星发射中心发射升空。9950秒,神舟五号准确进入预定轨道。这是中国首次进行载人航天飞行。乘坐神舟五号载人飞船执行任务的航天员是38岁的杨利伟。他是我国自己培养的第一代航天员。在太空中围绕地球飞行14圈,经过21小时23分、60万公里的安全飞行后,他于16623分在内蒙古主着陆场成功着陆返回。

20051012-17日,我国成功发射神舟六号,进行了第二次载人航天飞行,也是第一次将我国两名航天员同时送上太空。

下面将神舟一号到神舟六号的基本数据详述如下:

神舟一号:

  发射时间:199911206307

  发射火箭:新型长征二号F捆绑式火箭。

  发射地点:酒泉卫星发射中心

返回时间:19991121341

  着陆地点:内蒙古自治区中部地区

  飞行时间/圈数:21小时11/14

  搭载物品:一是旗类,中华人民共和国国旗、澳门特别行政区区旗、奥运会会旗等;二是各种邮票及纪念封;三是各10克左右的青椒、西瓜、玉米、大麦等农作物种子,此外还有甘草、板蓝根等中药材。

  技术应用:首次采用了在技术厂房对飞船、火箭联合体垂直总装与测试,整体垂直运输至发射场,进行远距离测试发射控制的新模式。我国在原有的航天测控网基础上新建的符合国际标准体制的陆海基航天测控网,也在这次发射试验中首次投入使用。飞船在轨运行期间,地面测控系统和分布于公海的4远望号测量船对其进行了跟踪与测控,成功进行了一系列科学试验。

神舟二号:

发射时间:2001110103

  发射火箭:新型长征二号F捆绑式火箭。

  发射地点:酒泉卫星发射中心

返回时间:2001116日晚上722

  着陆地点:内蒙古自治区中部地区

  飞行时间/圈数:6天零18小时/108

  试验项目:我国第一艘正样无人飞船。飞船由轨道舱、返回舱和推进舱三个舱段组成。与神舟一号试验飞船相比,神舟二号飞船的系统结构有了新的扩展,技术性能有了新的提高,飞船技术状态与载人飞船基本一致。首次在飞船上进行了微重力环境下空间生命科学、空间材料、空间天文和物理等领域的实验,其中包括:进行半导体光电子材料、氧化物晶体、金属合金等多种材料的晶体生长;进行了蛋白质和其他生物大分子的空间晶体生长;开展了植物、动物、水生生物、微生物及离体细胞和细胞组织的空间环境效应实验等。

神舟三号:

发射时间:20023252215

发射火箭:新型长征二号F捆绑式火箭。

发射地点:酒泉卫星发射中心

返回时间:200241

着陆地点:内蒙古自治区中部地区

飞行时间/圈数:6天零18小时/108

搭载物品:处于休眠状态的乌鸡蛋;进行空间试验的有效载荷公用设备,包括:卷云探测仪、中分辨率成像光谱仪、地球辐射收支仪、太阳紫外线光谱监视仪器、太阳常数监测器、大气密度探测器、大气成分探测器、飞船轨道舱窗口组件、细胞生物反应器、多任务位空间晶体生长炉、空间蛋白质结晶装置、固体径迹探测器、微重力测量仪、有效载荷公用设备。据介绍,微重力测量仪。返回舱有效载荷公用设备是第三次参加飞船试验;空间蛋白质结晶装置、多任务位空间晶体生长炉和轨道舱有效载荷公用设备是第二次参加飞船试验;其余设备均是首次在太空作试验。

试验项目:神舟三号是一艘正样无人飞船,飞船技术状态与载人状态完全一致。这次发射试验,运载火箭、飞船和测控发射系统进一步完善,提高了载人航天的安全性和可靠性。飞船上装有人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备以及形体假人,能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数。这次发射,逃逸救生系统也进行了工作。这个系统是在应急情况下确保航天员安全的主要措施。飞船拟人载荷提供的生理信号和代谢指标正常,验证了与载人航天直接相关的座舱内环境控制和生命保障系统。

神舟四号:

  发射时间:20021230040

  发射火箭:新型长征二号F捆绑式火箭。

  发射地点:酒泉卫星发射中心

返回时间:2003151916

  着陆地点:内蒙古自治区中部地区

  飞行时间/圈数:6天零18小时/108

搭载物品: 除了大气成分探测器等19件设备已经参加过此前的飞行试验外,其他的空间细胞电融合仪等33件科研设备都将是首次上天。两对细胞太空婚礼也在飞船上举行,一对动物细胞新人B淋巴细胞和骨髓瘤细胞,另一对是植物细胞新人”—黄花烟草原生质体和革新一号烟草原生质体。

试验项目:开展了大规模的空间环境探测、多模态微波遥感、空间生命科学以及微重力实验、航空育种等7项空间科学实验。例如,在微重力条件下,细胞在融合液中的重力沉降现象将消失,更有利于细胞间进行配对与融合这些亲热举动,此项研究将为空间制药探索新方法。

神舟五号:

  发射时间:200310159时整

  发射火箭:新型长征二号F捆绑式火箭。

  返回时间:20031016628

  发射地点:酒泉卫星发射中心

  着陆地点:内蒙古中部地区

飞行时间/圈数:21小时/14

航天飞行员:杨利伟

   搭载物品:神舟五号载人飞船返回舱内还搭载有一面具有特殊意义的中国国旗、一面北京2008年奥运会会徽旗、一面联合国国旗、人民币主币票样、中国首次载人航天飞行纪念邮票、中国载人航天工程纪念封和来自祖国宝岛台湾的农作物种子等。

试验项目:首次载人飞行。神舟5号将尽量减少机舱内的实验项目及仪器,以腾出更多空间来供航天员活动并执行科学观察任务。主要是考察航天员在太空环境中的适应性。首次增加了故障自动检测系统和逃逸系统。其中设定了几百种故障模式,一旦发生危险立即自动报警。

神舟六号:

发射时间:北京时间200510129时整  

发射火箭:。 长征二号F捆绑式火箭。

  发射地点:酒泉卫星发射中心

返回时间: 20051017433

  着陆地点:内蒙古中部地区

飞行时间/圈数:115小时32分钟/78

航天飞行员:费俊龙和聂海胜。

搭载物品:主要是载人航天工程纪念品,如邮品、字画、旗帜和其他纪念品等,还有用来进行科学试验的微生物菌种和农作物种子。

试验项目:首次多人载人飞行试验。一系列对地观测和科学实验任务,重点完成出舱活动、交会对接试验和发射空间实验。飞行中航天员首次进入轨道舱生活,并开展微重力、育种等多项科学试验活动。

四、一笔不菲的投入

载人航天是一个需要花费巨资才能完成的事业,这是对国家实力的考验,是对领导魄力的考验。1992921日,中央政治局常委在听取原国防科工委、航空航天部的汇报后,都下定了大投入的决心。例如,李瑞环表示,如果钱不够,奥运会不申办了也要办这个事;刘华清表示,钱不够,动用国库里的金子也要干。

200310月,当时的载人航天工程办公室负责人在新闻发布会上透露,中国共组织了5神舟飞船发射,前4次每次直接消耗大约为8亿元人民币;第5次发射,因为是载人飞行,费用稍多,但也不到10亿元人民币。到现在为止,中国载人航天工程已经开展10多年,使用资金约为180亿元人民币。

这些资金的使用分两部分:一部分形成了现在的产品,如飞船、火箭、电子设备、应用设备等,大部分产品在每次飞行试验时被消耗;另一部分则形成了研制载人航天器的各种技术基础设施,如已经建成的航天城、载人航天发射场以及加工设备、测试设备等固定资产,这些技术基础设施投资费用大约为80多亿元。

200510月,当时的中国载人航天工程办公室负责人透露,执行神舟六号载人航天飞行任务共投资9亿元人民币,这些经费的投入全是国家政府的投入,还没有运作到民间金融系统里去。

我国载人航天成本与美、俄两国的航天工程成本相比相对较低,一部分得益于我国相对低廉的人力成本;一部分也得益于技术因素,例如借鉴了美、俄积累的经验和我国已有比较成熟的回收技术。

五、一个更加宏伟的目标

按照中国航天事业发展规划,中国载人航天计划分三步来实施,其中,第一步是发射无人和载人飞船,将航天员安全地送入近地轨道,进行对地观测和科学实验,并使航天员安全返回地面。神舟五号的成功发射标志中国载人航天工程的历史性突破、即第一步的任务已经完成。

第二步是继续突破载人航天的基本技术:多人多天飞行、航天员出舱在太空行走、完成飞船与空间舱的交会对接。在突破这些技术的基础上,发射短期有人照料的空间实验室,建成完整配套的空间工程系统。发射神舟六号,即标志着中国开始实施载人航天工程的第二步计划。

第三步,建立永久性的空间试验室,建成中国的空间工程系统,航天员和科学家可以来往于地球与空间站,进行规模比较大的空间科学试验。中国载人航天三步走计划完成后,航天员和科学家在太空的实验活动将会实现经常化,为中国和平利用太空和开发太空资源打下坚实基础。这将通过神舟八号、神舟九号和神舟十号等来完成。

 

附件:

“神七”完成四大科学任务 创造中国航天四个第一

20081008 来源:中国航天网

中国载人航天工程空间应用系统负责人105日公布,神舟七号伴飞小卫星顺利完成前期空间观测任务,共下传1000多幅飞船多角度翱翔在太空的图像,均清晰完整(见上图)。至此,此次神舟七号飞船圆满完成中国航天员出舱、舱外空间材料研究、伴飞小卫星以及中继试验卫星——天链一号的应用四大科学试验,创下了中国航天领域的四个第一。

  据中国载人航天工程总设计师周建平介绍,神舟七号伴飞小卫星是中国第一次由一个航天器围绕另一个航天器在飞。要搞空间站,这样的伴飞技术是必须掌握的技术之一。(宗文)