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神舟七号载人飞船

神舟七号载人飞船,是神舟系列飞船的第七艘飞船,是我国第三艘载人飞船,主要执行三人多天飞行出舱行走任务,突破和掌握出舱活动相关技术。

神舟七号载人航天飞船于2008年9月25日21时10分04秒988毫秒从中国酒泉卫星发射中心载人航天发射场用长征二号F运载火箭发射升空。航天员分别为翟志刚(指令长)、刘伯明景海鹏

翟志刚出舱作业,刘伯明在轨道舱内协助,实现了中国历史上第一次的太空行走,使中国成为世界第三个掌握出舱行走的国家。飞船于2008年9月28日17点37分成功着陆于中国内蒙古四子王旗主着陆场。

名称神舟七号载人飞船研制国家中华人民共和国
发射时间2008年9月25日21时10分04秒988毫秒发射场酒泉卫星发射中心
运载工具长征二号F运载火箭返回时间2008年9月28日17点37分
飞行时间2天20小时27分钟航天员翟志刚、刘伯明和景海鹏

创新与突破

神舟七号载人航天飞行任务的主要目的是突破和掌握航天员出舱活动技术,与“神五”、“神六”任务相比,技术上主要突破了载人飞船气闸舱、舱外航天服和航天员地面训练等关键技术。

一是气闸舱与生活舱一体化设计技术。轨道舱进行了全新的设计,兼作航天员生活舱和出舱活动气闸舱,增加了泄复压控制功能、出舱活动空间支持功能、舱外航天服支持功能、出舱活动无线电通信功能、舱外活动照明和摄像功能、出舱活动准备期间的人工控制和显示功能等。

二是出舱活动飞行程序设计技术。在出舱活动飞行程序设计上,考虑运行轨道、地面测控、能源平衡、姿态控制、空间环境适应性等多种约束条件,通过合理、优化配置飞船的资源,设计出具备在轨飞行支持出舱活动的程序平台。

三是中继卫星数据终端系统设计及在轨试验设计技术。神舟七号飞船装载了中国中继卫星系统的首个用户数据终端系统,进行了国内首次天地数据中继系统数据传输试验。

四是航天产品国产化技术与应用。对部分关键器件、组件采用了国产化产品,对于促进航天科技,带动中国相关科学技术进步,发展自主创新型科技具有重要意义。

五是载人飞船3人飞行能力设计与应用技术。按照3人人体代谢指标设计、配置了环境控制设备,提供可容纳3名航天员生活和工作空间,设计了3人指挥、操作、协同关系程序。

六是伴飞卫星释放支持及分离安全性设计技术。为伴飞卫星提供了释放平台和释放能力,解决了伴飞卫星释放后对飞船的安全性影响问题。

出舱行走

2008年9月27日16点30分,景海鹏留守返回舱,翟志刚(指令长)、刘伯明分别穿着中国制造的“飞天”舱外航天服和俄罗斯出品的“海鹰”舱外航天服进入神舟七号载人飞船兼任气闸舱的轨道舱。翟志刚出舱作业,刘伯明在轨道舱内协助(刘伯明的头部手部部分出舱),实现了中国历史上航天员第一次的太空漫步,使中国成为世界第三个掌握太空行走的国家。

航天员翟志刚成功出舱行走

图:航天员翟志刚成功出舱行走

火警误报

在出舱五分钟左右时神舟七号曾经报告“仪表显示,轨道舱火灾”,后经证实是误报。

质疑

在翟志刚出舱片段播出后,一些外国反华媒体相继发文质疑该片段造假,包括航天服冒出气泡等。

中国载人航天工程副总设计师王忠贵回应,出现气泡的原因是舱内外存在0.02个大气压的气压差,因此出现气泡,纯属正常现象。2009年Discovery News的物理学家Ian O’Neill也在网上发文支持神舟七号的真实性。本次出舱任务美国NASA亦有报导,而ESA亦有专家协助分析太空员的身体状况,未有质疑。果壳网上也出现了对于各种质疑的解释。

气闸舱技术

神舟七号飞船设计的大部分挑战和特色,来自于气闸舱研制。

神舟七号飞船和神舟六号飞船一样,也是推进舱、返回舱、轨道舱的三舱结构。为了完成航天员出舱活动,轨道舱经过改进,既保留了航天员的生活舱功能,又充当出舱活动需要的气闸舱。

气闸的功能类似于长江三峡大坝的船闸,不同的是船闸用来调节水位高度,气闸舱用来调节气压。航天员出舱前,气闸舱能够快速泄出空气,使舱内压力接近真空状态下的零气压;航天员返回后,气闸舱又能快速恢复压力至一个标准大气压。气闸舱内还必须配置其他支持航天员空间出舱活动的设备设施。

尽管是在“神六”轨道舱基础上进行修改,但“牵一发而动全身”。神七的轨道舱(气闸舱)实际上已经是一个全新的航天器。从外形上看,去掉了一对太阳帆板,顶部安装了多个圆球形的气瓶,还捆绑了一个颗伴飞小卫星。从内部结构上看,配备了复压气瓶、两套舱外航天服、泄复压控制设备和出舱保障控制台等舱载支持设备,同时还提供了睡袋、食品加热、个人生活用品和个人卫生装置等生活设施。气闸舱为此进行了全新设计,从电路的排布、防热的措施、火工品的设计、软硬件系统的接口等都要重新开始。它在结构强度、振动、热真空等极端环境试验一个都不能少。

不论是航天员出舱进行太空行走,还是返回轨道舱,关好舱门非常重要,因而飞船舱门被设计师称为“生死之门”。出舱舱门虽然只有20千克重,却有170多个零部件。在沿用了神六舱门的工作原理和设计形式等成熟技术的基础上,神七的舱门进行了十多个项目的改进设计。考虑到航天员身着出舱航天服,充压后服装体积会增大,“神七”舱门的通径也比神六有所增加。舱门打得开、关得上、密封可靠成为三个非常重要的环节。在真空、高低温、失重的太空环境下,将舱门打开,并不像在地面开关门那么轻而易举。而且舱门若不能保证密封,轨道舱内就无法复压,意味着2名航天员将无法脱掉舱外航天服,不能回到返回舱。

2004年,设计人员特意研制了真空热环境舱门开关装置,实现了在地面进行真空和高低温环境下的试验验证。舱门专用的“真空罐”里,设置了开关舱门的机构,像一只机械手在模拟航天员的操作。设计人员为了获得舱门在更为恶劣的太空环境中的数据,还把“真空罐”的温度拉偏到零下45度和零上45度。通过计算机操作,获得试验验证数据。

气闸舱有9个氧气瓶,其中2套航天服各使用3个,另有3个是舱载气瓶。正常情况下用不到这么多氧气瓶,数量多一点是为了应对异常。

舱外顶端的伴飞小卫星,紧挨着5个复压气瓶。为防止释放小卫星时所产生的碎片可能会像子弹一样打到气瓶,科研人员还给气瓶穿上防弹衣。另外,气闸舱内的有线和舱外无线通信系统、出舱活动操作显示界面、照明灯、摄像装置等设备都充满了设计师的智慧。

飞行时间轴

9月20日

15时15分,船、箭、塔组合体垂直转运至发射区。

9月24日

16时,火箭推进剂加注程序正式启动。

9月25日

17时55分,三位航天员到达发射塔下。

18时25分,三位航天员从轨道舱进入返回舱就座。

神舟七号飞船发射升空

图:神舟七号飞船发射升空

21时10分04秒988毫秒,长征二号F型运载火箭点火起飞。

21时12分04秒,火箭抛弃助推器及逃逸塔。

21时12分43秒,火箭一、二级分离。

21时13分24秒,整流罩分离。

21时18分24秒,三级火箭关机。

21时19分47秒,船箭分离。

21时33分,载人航天工程总指挥、总装备部部长常万全宣布神舟七号载人飞船发射获得圆满成功。

9月27日

04时03分,启动变轨控制程序。

04时04分,完成变轨。

10时20分,航天员开始在轨道舱进行舱外航天服的组装与测试。

12时00分36秒至12时08分46秒,远望六号船首次执行载人航天测控。

16时35分,航天员翟志刚和刘伯明先后出舱活动,并向舱外的闭路镜头挥手和挥动五星红旗。翟志刚其后取回舱外装载的固体润滑实验试验样品,并进行太空行走。

16时58分,航天员成功完成舱外活动,返回轨道舱内。

17时01分,轨道舱门关闭。

19时30分,神舟七号释放伴飞小卫星。

9月28日

16时54分,飞船进入正常返回轨道。

17时16分,飞船返回中国上空。

17时25分,太空船离开“黑障区”,并且打开主伞。

17时36分,成功着陆。

18时02分,航天员在舱内适应地球重力环境。

18时22分,航天员自主出舱。

18时29分,常万全宣布任务成功。

舱外航天服

舱外航天服是神舟七号飞行任务的又一大关键技术。舱外航天服实际上是一个浓缩了的舱外生命保障系统。在服装内要给出舱活动的航天员提供大气压力、氧气供给、温湿度控制等。舱外航天服为航天员在太空提供生命保障、安全防护和通信保障,是航天员出舱活动的主要装备,系统复杂、高度集成,技术难度很大,安全可靠性要求很高。从1995年开始,中国开始舱外航天服关键技术的研究和部件研制。2004年,舱外航天服研制工作全面启动后,陆续完成了方案、初样、正样阶段的研制,并生产了飞行用和航天员地面训练用多套舱外航天服。

飞天舱外航天服

图:飞天舱外航天服

在研制过程中,中国针对舱外航天服作了大量的地面试验和验证,建立了一系列训练试验保障条件,研制了航天员地面训练模拟器、中性浮力水槽模拟太空失重环境,利用低压训练舱模拟太空热真空环境,利用出舱程序训练模拟器进行程序训练和故障处理训练等。各项地面测试、试验数据表明“飞天”舱外航天服的性能指标能够满足神舟七号任务航天员出舱活动的需要。中国研制的单套飞行舱外航天服产品费用约3000万元人民币。

伴飞小卫星

神舟七号载人飞船是中国首次开展航天器平台在轨释放伴星,以及伴星的伴随飞行试验,其任务目标是:试验和验证伴星在轨释放技术;伴星释放后,对飞船进行照相和视频观测;在返回舱返回后,由地面测控系统控制,择机进行对轨道舱形成伴随飞行轨道的试验,为载人航天工程后续任务中拓展空间应用领域奠定技术基础。

神舟七号载人飞船的伴星是在继承中科院“创新一号”小卫星成熟技术的基础上研制的中国第一颗空间伴随微小卫星。该伴星采用了多项创新设计,突破多项关键技术,许多技术在国内属首次使用。伴星采用了两舱结构一体化设计,采用了轻型镁合金材料作为主结构框架,承力板同时用作星内单机的安装板,提高了卫星的功能密度,使整星质量不超过40kg,同时具有光学成像、大容量压缩存储、机动变轨、伴随飞行、自主导航、多模式指向、测控数传等多种功能。

神舟七号载人飞船伴星的功能决定了这颗卫星研制的要求高、难度大。负责该卫星研制的中科院上海卫星工程中心经过一系列的技术攻关,已经实现了多项技术突破:

1、彩色视频和高效信息存储。神舟七号载人飞船伴星上装有一台双镜头可见光照相机,可以灵活利用两个不同焦距的镜头分别在几米到几公里的大范围内对飞船进行高分辨率彩色照相观测或高帧频视频观测。星上JPEG2000图像压缩算法极大提高了数据存储的效率。星上大容量存储器最多可以存储3000多张图片。

2、高效电源模块。主要采用的国产三结GaInP2/GaAs/Ge高效太阳电池阵,其光电转换效率高于26.5%,接近国外先进水平;伴星在国内首次采用了大容量锂离子电池作为在轨航天器电源,并通过对电源控制器的优化设计,实现对锂离子电池组的安全控制和智能保护,保证伴星在轨电源供给。

3、多任务指向模式的微型化姿控模块。神舟七号载人飞船的伴星具有GPS自主定轨能力和三轴稳定姿态控制能力,除了常规对地姿态定向外,还具备对飞船定向、变轨姿态机动和指向、对伴飞目标定向等多种指向功能。构成姿态控制模块的太阳敏感器、磁强计、陀螺和动量轮、磁力矩器等均采用了微型化设计,其中三个面的太阳敏感器总重不超过100克, 三轴微型磁强计采用探头与电路一体化设计。

4、微型液化气推进。伴星装有一套微型液化气推进系统,实现轨道机动、空间目标接近、轨道绕飞形成和保持。该系统具有体积小,重量轻,功耗低等优点。通过天地大回路控制,开展对非合作目标的接近及近距离高精度绕飞,此项技术对中国未来的空间交会对接和轨道安全性技术均具有重要应用价值。

5、小型化测控与数传。神舟七号载人飞船的伴星采用统一波段(USB)测控体制。安装USB测控应答机,实现国内测控网对在轨伴星的统一测控管理;还安装有一台高速数传机,数传速率可以达到768kbps,可将相机在轨拍摄的图像数据快速下传至地面。

固体润滑材料的在轨试验

神舟七号载人飞船入轨后开始进行固体润滑材料试验。固体润滑材料试验装置是一件可以可靠锁紧和便利解锁的锁紧机构,在发射阶段将安装有试验样品的样品台可靠地固定在舱外,飞船飞至第29~30圈航天员出舱活动,在出舱活动期间由航天员便利地解锁并回收样品台。

其操作流程是:航天员在舱外打开试验装置的紧固机构→取回样品台→传递给舱内航天员→舱内航天员将样品台放入样品回收袋;航天员进入返回舱后将样品台及样品回收袋在返回舱内指定位置上固定→返回舱返回后,在飞船总装厂移交试验样品。

为了保障固体润滑材料试验的成功,中科院光电研究院和兰州化物所进行了一系列技术攻关,取得了三项关键性技术突破:

1、安全性保障。安全是载人航天飞行任务的核心,首先是产品本身不能有任何影响箭、船、人的环节;同时每一项可能出现的故障都不能影响安全性;此外作为科学试验样品的载体,还要保证整个试验周期内试验样品的安全。根据以上几项原则,首先要求装置在发射过程中不能意外解锁,一旦在发射过程中意外解锁导致样品台脱离船体,后果不堪设想,因此装置首先要保证锁紧的绝对可靠。以往的航天产品大多采用火工品进行锁紧,但火工品严重威胁航天员安全,因此必须设计一套非火工品的,可便利解锁的高可靠锁紧机构。第二项要求是装置本身不能有任何可能威胁航天员安全的环节,这就对装置的原材料、外观、操作方式、表面状态等提出了一系列要求。第三项要求是解锁环节应满足在着舱外服情况下单手完成操作的要求,操作过程应简便并且不会脱手。在前几艘飞船上也有一些非火工品的锁紧机构,但或者要求徒手操作(如扎带、锁扣等),或者要求双手操作(如舱门开启),在着舱外服状态下,能够单手进行解锁的锁紧装置在国内没有先例。第四项要求是装置应能够有效保护样品。由于样品须暴露在样品台表面并且无遮挡,因此如何防止回收过程中航天员过多地接触样品表面也是装置设计的一项重要课题。

研究人员对试验样品及其空间试验过程中可能形成的反应产物逐一进行了研究分析,确保不产生威胁航天员健康的任何物质;同时对试验装置及其试验样品的紧固方式采取了一系列措施,并对试验装置及其试验样品所有棱角及棱边均进行圆角化处理,试验装置及其试验样品无突出的尖角、锐边,确保不发生刮拉航天服进而威胁航天员生命安全的故障发生。

2、可靠性设计。高可靠性是航天产品区别于民用产品的主要特点,“可靠锁紧,可靠解锁”是试验装置设计的两个根本要求。“可靠锁紧”保证了试验的安全,“可靠解锁”则是试验成功的保障。国内外航天界的一项共识是“越简单,越可靠”,因此使装置简单化,尽量减少机构运动环节是装置设计的基本思路。细致入微的人机功效设计也是确保“可靠解锁”的重要内容,包括操作方式,解锁力设计,把手形状,把手表面状态、操作标识等,每一个环节都要审慎考虑,力求确保成功,避免出错。此外,寿命裕度也是保证高可靠性的重要手段,虽然在轨只须进行一次解锁操作,但为了确保可靠,试验装置在地面测试过程中须进行多次不同环境下的解锁试验,因此要求解锁机构寿命可达到几十次甚至上百次。

固体润滑材料空间试验试验要求在发射及在轨执行飞行任务期间,样品能够可靠地固定于飞船舱外,同时又要求样品回收过程有利于航天员便利操作,为此,光电研究院项目组在中国航天发展过程中尚无可借鉴经验的情况下,经过反复试验验证,创新性地设计并研制了同时具备锁紧及解锁功能的试验装置,通过可靠性验证试验考核表明,其可靠性符合任务要求,可靠度达到0.9965以上。

3、试验样品技术状态确认。鉴于神舟七号飞行任务周期的约束条件,要求试验样品可在较短的试验周期内取得有效的试验结果,要求确定的试验样品在原子氧环境中应有不同程度的反应,以便判别试验的效果。同时要求选取的样品在本项目试验周期内应可明显反映原子氧等环境因素对固体润滑材料的影响效应并具有代表性。为此项目组开展了系统的研究分析工作,筛选确定了3类11种试验样品,涵盖了已在空间运动机构中获得成功应用的多种固体润滑材料,地面考核试验结果表明可有效满足本项目研究目标。

由光电研究院设计制造的神舟七号载人飞船的固体润滑材料的试验装置通过结构自锁和机械锁紧集成的模式保证试验样品台可靠地被固定于飞船舱外,具备在解锁过程中机械锁紧装置被打开后样品台仍可固定于样品台底座的功能;将机械锁紧与解锁机构集为一体,可通过简便的操作过程并通过辅助加力系统将样品台便利回收,保证了样品台及固定于其表面试验样品的回收可靠性。

外界评价

曾3次太空行走的美国前宇航员温斯顿·斯科特说,几天来他一直关注神七,中国航天员首次太空行走持续了大约20分钟,但“时间长短并不重要,重要的是这是(中国载人航天的)一个具有重要意义的成就”。

美国华裔宇航员卢杰在发给新华社记者的一封电子邮件中说:“太空行走是一项非常重要的太空探索能力,它将成为中国太空探索中的一个新里程碑。”

法国国家空间研究所中国航天事务专家茜尔维·卡拉里持同样看法。卡拉里说,神七的重要突破就是中国航天员的首次太空行走,通过实现这项操作,中国在太空探索上又迈出了一大步。无论是宇航员的太空服,还是其他为舱外活动配的设备,都意味着中国在航天技术方面的进步。

国际宇航联合会负责人菲利普·威尔肯斯认为,这次飞行任务是中国未来建设空间站的关键一步。威尔肯斯对新华社记者说,神七航天员出舱行走表明中国具备了在太空中进行更为复杂操作的能力,将为中国未来建设空间站打下基础。

日本负责制定航天事业政策的日本宇宙航空研究开发机构在接受新华社记者书面采访时说,一个国家如果能够顺利完成载人航天飞行和太空行走,表明这个国家的载人航天技术已经拥有了高度的可靠性和安全性。

俄罗斯宇航员瓦列里·托卡列夫也持同样观点。他认为,中国航天技术的发展令整个世界感到惊讶,实施太空行走是一个国家成为航天强国的标志。他说,载人航天集中体现了国家整体科技发展水平,标志着一个国家在世界航天领域的领先地位。中国已经掌握了先进的载人航天技术,而且中国有能力保持航天技术的飞速发展,向世界展示一个迅速崛起的中国。

马来西亚知名年轻学者胡逸山29日在吉隆坡说,中国航天员首次实现太空行走以及神七返回舱安全返回,是中国跻身世界科技强国的一个标志。他说,中国对神七整个太空之行都进行了公开、透明的转播和报道,向世人传达了中国和平利用开发太空的声音。此外,神七也将带动中国其他相关产业和技术的发展,尤其是高科技,使中国的工业和技术水平走上一个新的台阶。

俄罗斯《航天新闻》杂志社专家伊戈尔·利索夫对俄报纸网说:“中国人在做我们和美国人40年前所做的事情,不过,打个比方说,我们的东方号飞船六次飞行所完成的工作,他们只用一次飞行就完成了。我们飞行10到15次才能达到的目标,他们只需4到5次就可以实现。他们希望以质取胜,重点突破。”

加拿大宇航员比亚德尼·特里格瓦松在接受新华社记者采访时说,中国成功发射神七载人飞船,并首次实现太空行走,显示“中国在航天技术领域取得了巨大进步,中国应该成为世界航天技术合作领域的平等伙伴”。他认为,这次发射载人飞船不仅对中国意义重大,也将改变国际空间技术合作方面的格局,中国有可能在不久的将来成为世界空间技术合作中的主力。

欧洲航天局负责与中国和俄罗斯合作事务的官员卡尔·贝里奎斯特强调,中国在航天领域的发展不是一种威胁,对欧航局来说意味着机遇。神舟飞船还会不断发展和更新,这就为未来的合作打下了基础。无论是美国、俄罗斯、欧洲还是中国,都对探索宇宙表现出浓厚的兴趣,最好的探索方式就是合作。

当被问到中美两国在太空探索领域的合作前景时,美国国家航空航天局总部负责公共事务的官员迈克尔·布鲁克斯表示,美国宇航局与中国国家航天局同意建立工作组,在地球科学和空间科学领域进行探讨,“国际对话可以增强人类对地球以及太空的认识,中国的太空探索项目为中美在地球和空间科学领域的合作提供了潜在机会”。

而在神七发射前,日本内阁官房长官河村建夫就已表示,中国的航天发展达到了很高的水平,“将来我们必须考虑与中国展开太空合作。我们可以开始考虑这件事了”。

神舟七号载人飞船
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最新更新:2015-08-07 13:52
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