中國航天60周年（三）：載人航天鑄輝煌

2016-11-18 05:22:26

國際太空 2016年10期

中國航天60周年（三）：載人航天鑄輝煌

2016年，我國載人航天活動又進入了高峰期。9月15日，天宮-2空間實驗室順利升空，10月17日又成功發射了神舟-11載人飛船。2017年4月，還將發射我國首艘貨運飛船天舟-1，實現與天宮-2對接，驗證在軌加注技術，從而完成我國載人航天工程第二步第二階段任務，為第三步建造空間站奠定更堅實的基礎。

載人航天是航天技術向更高階段的發展，可以完成更復雜的太空開發工作，大大提高航天活動的效率，在地外星球建立基地，意義十分遠大。然而，由于該技術特別復雜，投資和風險也很大，因此，至今只有蘇聯/俄羅斯、美國和中國獨立掌握了載人航天技術。經過幾十年的努力，我國載人航天事業取得了輝煌的成就，在全球產生了巨大的影響。

1　總體概述

載人航天是當今高技術中最具挑戰性的領域，能體現一個國家的綜合國力和整體科技水平，通過航天員的直接操作，可以更好地開發太空資源。

20世紀70年代初，我國曾擬研制曙光號兩艙式載人飛船，包括研制航天食品等。但由于當時的政治環境、經濟能力和工業基礎等條件不成熟，所以中途下馬了。

我國早期研制的航天食品

隨著我國國民經濟和科學技術的不斷發展，1992年9月21日，黨中央批準實施載人飛船工程。自此，我國的載人航天工程正式啟動。

途徑選擇

我國載人航天工程最終的目標是研制體積大、壽命長和功能強的空間站，它是開發太空的理想平臺，但本身不能天地往返。所以在此之前，必須先研制航天飛機或載人飛船作為空間站的天地往返運輸器。我國專家通過深入論證表明，雖然航天飛機技術十分先進，但是該技術過于復雜，投資和風險太大，因此，根據我國的國情和國力，遵照“有所為、有所不為”和“有限目標、突出重點”的“863”高技術研究發展的指導思想，專家們最后一致同意從宇宙飛船起步，這樣還能最大限度地利用我國返回式衛星的成熟技術。實踐證明，當時的決策非常正確。

考慮到我國在火箭和返回式衛星方面已擁有相當堅實的技術基礎和豐富的研制經驗，以及可借鑒國外研制載人飛船的經驗，我國決定一步到位，越過一艙式飛船、兩艙式飛船，從當時最先進的載人飛船起步，直接研制三艙式載人飛船，并起了一個動聽的名字—“神舟”。

發展戰略

我國載人航天工程采用“三步走”的發展戰略。

第一步是研制載人飛船，把航天員送入太空，并在完成預定任務后安全返回地面，實現我國載人航天的歷史性突破，掌握載人航天的最基本技術。這一步已通過2003年和2005年先后發射的神舟-5、6載人飛船圓滿完成。

第二步是突破和掌握航天員太空行走、空間交會對接兩項關鍵技術，然后發射空間實驗室和貨運飛船。這些是建造空間站的前提。這一步通過2008年神舟-7航天員翟志剛完成太空行走拉開了序幕，并分2個階段實施。

第一階段除突破了太空行走技術外，還在2011年通過發射天宮-1目標飛行器和神舟-8無人飛船實現了自控交會對接；在2012年、2013年又通過分別發射神舟-9、10載人飛船與天宮-1實現了自控和手控對接，并先后送2名女航天員上天。這4次航天發射使我國獨立掌握了空間交會對接技術，還驗證了組合體飛行技術，并使“神舟”載人飛船定型。至此，第二步第一階段結束。

神舟-5載人飛船在軌飛行示意圖

此后，我國載人航天進入第二步第二階段，將在2016年、2017年分別發射天宮-2空間實驗室、神舟-11載人飛船和天舟-1貨運飛船，這2艘飛船先后與天宮-2對接，主要任務是驗證航天員中期在軌駐留技術、在軌加注技術和未來空間站的部分新技術，并進行較大規模的科學實驗。

第三步是在2020年左右建成長期載人的大型空間站，開展大規模、長期有人照料的空間應用。我國空間站采用積木式構型，由從2018年起先后發射的3個20噸級艙段對接組成T字形，“天和”核心艙居中，“問天”實驗艙-1、“夢天”實驗艙-2分別對接于兩側。

我國空間站按長期載3人狀態設計，每半年由載人飛船實施人員輪換，由貨運飛船進行推進劑和物資補給。為此，要突破四大關鍵技術∶推進劑補加技術、物化式再生生保技術、電源技術和空間機械臂技術。

它將在軌運營10年以上，成為我國空間科學和新技術研究試驗的重要基地，并開展科普教育和國際合作，獲取具有重大科學價值的研究成果和重大戰略意義的應用成果。

目前，我國載人航天工程由航天員系統、應用系統、飛船系統、運載火箭系統、發射場系統、測控通信系統、著陸場系統、空間實驗室系統等組成。今后，還將有貨運飛船系統、空間站系統等。這里主要介紹由中國空間技術研究院抓總研制的“神舟”載人飛船和“天宮”飛行器。

2　“神舟”飛船

總體概述

“神舟”飛船由軌道艙、返回艙、推進艙3個艙和1個附加段或對接口組成（前2個為壓力密封艙），總長近9m，總質量約8t，乘員人數3人。飛船有效載荷的質量∶入軌時不小于300kg，返回時約100kg。飛船的可靠性為0.97，航天員的安全性為0.997。飛船的飛行時間∶自主飛行7天，停靠飛行180天。

“神舟”載人飛船系統由飛船系統總體和13個分系統組成，它們是∶結構與機構、環境控制與生命保障、熱控、電源、推進、制導導航與控制、數據管理、測控與通信、回收著陸、儀表與照明、應急救生、乘員、有效載荷。在以上13個分系統中，乘員分系統和有效載荷分系統分別屬于航天員系統和空間應用系統的裝船部分。這些分系統涉及物理、醫學和環境等數十種學科領域，所以，飛船具有技術多樣性和研制復雜性。

技術狀態

為適應不同階段的任務變化，“神舟”系列載人飛船先后有三種技術狀態。

一是初期試驗技術狀態。其特點是把飛船軌道艙留軌利用進行空間應用，所以軌道艙上安裝有1對太陽電池翼和獨立的姿態控制系統。為了增加空間應用試驗的有效載荷，有的在軌道艙前面增加1個附加段。神舟-5、6飛船就采用這種技術狀態。

安裝、檢測神舟-7的艙載復壓氣瓶

二是出艙活動試驗技術狀態。其特點是為了完成航天員空間出艙活動任務，軌道艙不再留軌利用，因而取消太陽電池翼和姿態控制系統。但是軌道艙除具備生活艙功能外，還兼有出艙活動用的氣閘艙功能，用于突破太空行走技術。航天員從軌道艙的側艙門出艙。軌道艙貯運了艙外航天服，配置軌道艙泄復壓系統、出艙支持設備和艙外行走扶手。神舟-7采用這種技術狀態。

三是天地往返運輸器技術狀態。其特點是在軌道艙的前端裝有一套交會用的軌道測量、運動控制設施和對接用的對接機構，用于完成與其他飛行器的交會對接。由于軌道艙不留軌利用，所以沒有太陽電池翼和獨立的姿態控制系統。神舟-8以后的所有“神舟”飛船都采用這種技術狀態，用于與天宮-1、2進行交會對接試驗，以及作為神舟-9、10、11航天員的天地往返運輸器，今后還為我國空間站運送往來的人員。

技術特點

首先，飛船起點很高。作為我國第一代載人飛船，“神舟”采用了當時最先進，目前仍比較先進的三艙式構型，一次可乘3名航天員。

其次，可“一船多用”。國外的載人飛船在返回后，其軌道艙一般廢棄在軌道上，而“神舟”飛船的軌道艙具有“留軌利用”的功能，艙內的儀器設備能在無人值守的情況下，像科技衛星一樣自主地工作半年左右，因此能發揮“余熱”。

第三，性能比較先進。例如，采用了信息技術的最新成果，從自動化控制、制導與導航到數據管理，從應對故障的冗余設計到液晶顯示設備，“神舟”的電子技術和智能化水平遠遠領先。其太陽電池翼能自動對準太陽，保證飛船的充足供電，而國外類似飛船或使用一次性電池，或太陽電池翼供電水平較弱。

第四，防熱技術高超。其返回艙表面積是22.4m2，使用的防熱材料總質量約500kg。俄羅斯“聯盟”飛船返回艙表面積是17m2，但它的防熱材料質量達700kg。

第五，降落傘面積大。“神舟”的降落傘是世界上最大的單頂降落傘，1200m2。整個傘鋪在地上有小半個足球場大小，可疊起來卻只有一個小提包大，質量僅約90kg。

“神舟”飛船采用了多項新技術，其中10多項關鍵技術達到國際先進水平。它使我國的載人飛船技術達到或優于國際第3代載人飛船的水平。

定型產品

從神舟-8起，我國第一代載人飛船已基本定型，并有交會對接功能，可小批量生產，因而能提高可靠性、縮短研制周期。其對接機構采用導向板內翻式的“異體同構周邊”式構型，對接后形成直徑0.8m的航天員轉移通道；改進了手控設備，增加了8臺平移發動機和4臺反推發動機，使飛船可向前、平移（包括上下運動）和后退，對接時運行更自由，同時提供緊急避撞的動力，可及時返回撤離。

神舟-10進行力學試驗

為了安全，航天員乘返回艙落地時要提升座椅，以便減少落地時的沖擊力。從神舟-9起，飛船返回艙內航天員坐椅下的提升裝置由壓縮空氣取代了燃氣。

由于交會對接對飛船的控制能力提出了更高的要求，定型后的“神舟”上配備了運算能力更大的計算機，對控制系統能力進行了升級。

為滿足交會對接和返回需求，飛船載有1t推進劑，同時配備應急電池。定型后的飛船艙外攝像機采用了擴頻通信方案，大大提高了圖像傳輸質量。

另外，為提高飛船的性能及安全性、可靠性，對定型后飛船的部分系統也進行了改進。比如，飛船在前期可獨立飛行5～7天的基礎上，具有與空間站對接后停靠180天的能力；推進艙上的太陽電池翼發電能力比此前的試驗性飛船增加了50%，由1.2kW增加到1.8kW；改進了降落傘和著陸緩沖系統，增加了牽頂傘，可在預定高度先后打開引導傘、減速傘（副傘）、牽頂傘、主傘，進一步提高了整個回收系統的可靠性。

在神舟-9、10的任務中，為了解決女航天員的適體性問題，對女航天員所使用的艙內航天服、座椅等做了修改，增加了女航天員專用的艙內服裝備件包，包內專門配備了1套供女航天員專用的艙內壓力服和大小便收集裝置，還有女性專用衛生用品包。考慮到女航天員上天的需要，對大小便收集器的高度和相對位置也進行了局部修改，并為女航天員準備了巧克力、甜食和補血食品等。

發展歷程

1999年11月20日，我國用長征-2F火箭發射了神舟-1無人試驗飛船，考核了載人航天工程總體設計方案的可行性和關鍵技術的可靠性。該飛船是初樣電性船，采用最小配置，僅有與飛船返回系統緊密相關的9個分系統，軌道艙也沒有留軌試驗。飛行試驗表明，我國已基本掌握了飛船艙段分離、調姿和制動、返回升力控制、防熱和著陸回收等關鍵技術，“神舟”飛船和長征-2F火箭性能優良，新建的載人航天發射場和測控網具有先進水平。

2001年1月10日發射的神舟-2是我國第一艘無人正樣飛船。其技術狀態與載人飛船基本一致，飛船上的13個分系統均參加了飛行試驗。這次飛行重點考核了環境控制與生命保障、應急救生2個分系統的功能；首次進行了軌道艙留軌運行；在軌道艙進行了空間生命科學、空間材料、空間天文、空間物理四大領域的實驗；首次裝載了太空“模擬人”。

“模擬人”由人體代謝模擬裝置、擬人生理信號設備和形體假人組成，能夠定量模擬航天員在太空中的重要生理活動參數，并隨時受到地面指揮中心的監控。以“模擬人”這種無生命載荷取代動物，在飛船內模擬、檢驗飛船載人狀態，這在世界上是首創。

2002年3月25日發射的神舟-3無人試驗飛船的技術狀態與載人狀態完全一致。它全面完善了逃逸與應急救生功能，首次進行了待發段與上升段的逃逸救生系統試驗，而且明確界定了“漏逃”和“誤逃”的界線，提高了載人航天的安全性和可靠性。我國載人火箭和飛船的成功率已達97%，另外3%依靠逃逸系統來彌補，足以確保航天員的生命安全。這次飛行還首次進行了天地話音傳輸試驗。

2002年12月30日發射的神舟-4是我國最完善的無人試驗飛船，也是考核最為全面、最接近載人技術狀態的最后一次演練。備用著陸場、陸地和海上應急救生等系統都參加了此次飛行試驗和考核。進一步完善了逃逸和應急救生功能，增加了自主應急返回功能，設計了8種救生模式，以保證在不同階段出現意外時，都能使航天員安全返回。飛船上安裝了自動和手動兩套應急救生裝置，萬一自動裝置出現故障，儀表顯示故障，船上的手動系統可以“抵擋”。神舟-4飛船還提高了整船偏航機動能力，改善了艙內載人環境。

神舟-5載人飛船在內蒙古主著陸場成功著陸后，楊利偉自主出艙

2003年10月15日發射的神舟-5是我國第一艘載人飛船，運送我國首名航天員楊利偉進行了世界載人航天歷史上的第241次飛行，使楊利偉成為世界上第428位進入太空的航天員。該飛船于2003年10月16日返回，標志著我國成為世界上第3個能獨立開展載人航天活動的國家。神舟-5與神舟-4基本相似，但對航天員座椅的安全性和舒適性進一步改進，同時設置了多種安全救生模式和百余種故障對策方案，以確保航天員的安全。它證明了我國飛船具備了載人航天飛行的條件。其實，神舟-5原定載2人上天，但出于穩妥起見，最后只載1人上天。其上的座椅緩沖器也由神舟-1～4的拉刀式改為脹環式，為楊利偉安全返回又多加了一道保險。

2005年10月12日，神舟-6送費俊龍和聶海勝進入太空。其主要變化是∶人數從1人增加到2人；天數從1天增加到5天；活動范圍擴大到全船，首次打開返回艙艙門進入軌道艙進行工作和生活；首次讓2位航天員脫下艙內航天服，換穿了工作服，進行科學實驗和技術試驗；首次全面啟動了環控生保系統，創造了更加舒適的環境，例如，對軌道艙進行了改進，放置了食品柜、熱飯用的電加熱器、睡袋和太空馬桶；航天食品的種類也從神舟-5的二三十種增加到四五十種。神舟-6任務的順利完成，為后來的航天員出艙活動、航天器的交會對接等打下了基礎。根據神舟-5航天員楊利偉的建議，科研人員對神舟-6的座椅緩沖器又進行了改進，使航天員在落地時的反作用力更小了。

2008年9月25日，神舟-7送翟志剛、劉伯明、景海鵬進入太空，翟志剛完成了太空行走任務。此行實現了三大突破∶一是首次實現了空間出艙活動；二是首次滿載3名航天員；三是首次從1個航天器上釋放另一個航天器。另外，該飛船首次與天鏈-1中繼衛星進行了中繼鏈路試驗。對神舟-7軌道艙改進是這次任務的一大亮點，滿足了空間出艙活動需要。翟志剛出艙穿的“飛天”牌國產艙外航天服是另一大亮點。神舟-7任務的完成，使我國成為世界上第三個獨立掌握空間出艙活動技術的國家。

神舟-7航天員翟志剛出艙時揮動國旗

2011年11月1日，神舟-8無人飛船升空。2天后，它與先發射的天宮-1目標飛行器實現了我國首次空間無人自控交會對接。神舟-8裝有自動測量系統和對接機構，并具備在目標飛行器上停靠一定時間的能力。為此，研發了基于無線電和光學的高精度相對測量設備、“異體同構周邊”式對接機構、平移發動機組以及自控和手控技術，并對電源等分系統進行了改進，提高了性能、可靠性和工作壽命。從神舟-8起，我國飛船不僅具備了交會對接功能，并基本定型，可提供人員的天地往返運輸服務。

2012年6月16日，神舟-9飛船送景海鵬、劉旺和劉洋進入太空。此行驗證了自控和手控交會對接技術以及組合體載人環境支持技術等。通過這些項目的驗證，“神舟”飛船首次全面真正完成了載人天地往返運輸任務，天宮-1也首次應用空間載人飛行的短期駐留支持技術完成了預定任務。它實現了多個第一∶首次實現手控交會對接；首次考核了飛船手控系統；首次飛行了13天；首次向在軌航天器進行了人員和物資的運輸與補給；首次打開了天宮-1艙門，使航天員訪問在軌航天器；首次考核了天宮-1支持保障航天員的能力；首次安排了我國女航天員執行任務；首次安排了我國航天員二上太空；首次在軌用自行車鍛煉身體；首次進行了天地雙向視頻通話；首次在太空接收了地面郵件，等等。

2013年6月11日，神舟-10送聶海勝、張曉光和王亞平進入太空。它和以前飛船最大的區別是首次進行了應用性飛行和繞飛。所謂應用性飛行就是完成正常的天地往返運輸任務。此前，我國發射“神舟”的主要目的是考核和驗證飛船，每次發射的飛船都有一些變化。與神舟-9相比，神舟-10沒有新的、大的技術變化，只做了一些小調整，其技術狀態基本固化。神舟-10的任務已不再是試驗飛船本身，而是投入正常運營，完成運輸任務，為天宮-1提供人員和物資運輸服務。與神舟-9相比，神舟-10略有改進，例如，更加舒適，完善了艙內生活垃圾處理，根據航天員的口味對航天食品進行個性化定制，優化了航天員的工作程序和作息安排（增加了工作時間余量）；在軌維修，進行了一些相關試驗；女航天員王亞平為地面青少年進行了我國首次、世界第二次太空授課，產生了巨大影響；飛船首次繞飛天宮-1，為未來與空間站對接做準備。

2016年10月17日，神舟-11送景海鵬和陳冬進入太空。該飛船的任務是∶執行人員和物資天地往返任務；進一步驗證改進型飛船性能；確保航天員安全返回地面。

3　“天宮”飛行器

2011年9月29日，我國長征-2F T1運載火箭成功發射了天宮-1目標飛行器，2016年9月15日用長征-2F T2成功發射了天宮-2空間實驗室。

任務不同

天宮-1目標飛行器的任務是∶作為交會對接的目標；實現組合體控制和管理；實現航天員的在軌駐留、生活和工作，開展科學實驗；進行空間技術試驗。

與天宮-1相比，相當于小型空間站的天宮-2空間實驗室外形沒變，但“內心”不同，裝載量提高、內部環境更好、機械臂可開展艙外維修、可對接貨運飛船進行補給，尤其是有很多為空間站建設研發的新型設備，在這次任務中都將進行測試。它主要完成三大任務∶①驗證航天員在軌中期駐留技術，進行在軌維修技術試驗；②與貨運飛船對接，驗證推進劑在軌補加技術；③開展大規模空間科學和應用實驗。它是我國第一個具備太空補加功能的載人航天器，圍繞其三大任務開展了很多新的設計工作。

為了滿足航天員中期駐留需要，天宮-2對載人宜居環境做了重大改善，具備支持2名航天員在軌工作、生活30天的能力。

天宮-2配備了在軌維修技術驗證裝置、機械臂操作終端在軌維修試驗設備，專門搭建了在軌維修的一套（驗證）系統。首次搭載了機械臂操作終端試驗器，第一次開展我國人機協同太空在軌維修試驗，為以后空間站任務提供技術儲備。同天宮-2一起升空的伴隨小衛星，將進行分離釋放，并對天宮與飛船的對接進行近距離成像觀測。值得一提的是，天宮-2的系統設計是模塊化的，也就是說它出現問題時可以快速更換和在軌維修，這在國內空間領域屬于首創。

我國未來的空間站是長期在軌飛行的，其上的推進劑會不斷消耗，所以要進行補加。天宮-2的任務之一就是要掌握這項技術，即通過和貨運飛船交會對接，把貨運飛船的推進劑補加到天宮-2上，這項技術難度還是比較大。為了滿足推進劑補加驗證試驗需要，對天宮-2推進分系統進行了適應性改造，增加了推進劑補加系統，采用全新的貯箱設計。它與貨運飛船將首次應用推進劑在軌補加技術，使我國成為繼俄羅斯之后第二個在軌應用補加技術的國家，技術研究成果可直接應用于后續空間站工程。

天宮-1與飛船的對接高度約343km。為了驗證空間站技術，天宮-2與飛船的對接高度為393km，這是未來我國空間站運行的軌道高度。天宮-2上搭載了更為先進的設備。

天宮-1進行總裝

兩艙功能

“天宮”由實驗艙和資源艙組成，其中前者是控制艙，也是航天員的工作艙和生活艙，由密封艙和非密封艙組成；后者是非密封艙。

實驗艙的密封艙有專用睡眠區、鍛煉區、實驗區、儀表區，有較多實驗設備，可用筆記本上網、聽CD和收電子郵件。天宮-1上只有電子郵件上行功能，而天宮-2增加了郵件下行能力。天宮-2提供60人天在軌駐留支持∶如果進駐3個人，可在里生活20天，如果進駐2個人，可在里生活30天。神舟-9的3名航天員在天宮-1里駐留了10天，神舟-10的3名航天員在天宮-1里駐留了12天；神舟-11的2名航天員預計將在天宮-2里駐留30天。實驗艙的非密封艙安裝了航天應用設備或空間實驗設備。

密封艙內有獨立的睡眠區，里面有獨立的照明系統，中間的折疊小桌板用來擺放書籍和電腦；有一個鍛煉用的自行車和橫管，它們設在睡眠區的一側，并被稱為健身區，每個區域旁邊都設有數量不等的手腳限位器；艙內的10余個軟包通過一個大布袋被整齊地固定在實驗艙的艙壁上，每個大小不一的軟包各司其責地為航天員的“空居”生活保駕護航，比如，負責安全的有防毒面具包、滅火器包等；負責生活的有清潔用品包、食品包、內衣包等；負責實驗的有乘員設備包、工具包等。

洞察天宮-1實驗艙內部

資源艙為“天宮”提供動力和電能，進行姿態控制、軌道控制。非密封艙安裝科學實驗設備。

艙段設計

“天宮”實驗艙前端安裝的通信設備、交會測量設備和對接機構是“天宮”與飛船聯通的關鍵所在，用于支持與載人飛船實現交會對接。對接后，對接機構可以形成直徑0.8m的密封轉移通道。通信設備采用空空通信機；交會測量設備主要包括全球衛星導航設備、微波雷達、激光雷達、光學成像敏感器、乘員光學瞄準器等；對接機構采用先進的“異體同構周邊”式。

“天宮”的實驗艙直徑3.35m，長6.4m，包括前錐段、圓柱段和后錐段，是飛行器的控制艙，也是航天員的工作艙和生活艙。前錐段、圓柱段是密封艙，可保證航天員的生活和工作條件。后錐段為非密封艙。它的內部四壁是機柜，里面有各種設備、操作臺、儀表板和睡眠的艙室，中間有一個2.2m高、1.8m寬、4m長的通道，是航天員運動、工作和生活的場所。

“天宮”的資源艙與“神舟”飛船的推進艙類似，為直筒形非密封艙，直徑2.25m，長3.2m。艙外安裝了由一對4塊太陽電池板組成的太陽電池翼以及直徑約1m的中繼衛星天線，太陽電池翼展開后總長18.4m，發電效率高達27%～28%，與國際先進水平相差無幾，以后可用于空間站。艙內主要裝有推進劑貯箱、鎳氫蓄電池以及環境控制用氣瓶等設備，姿態控制系統的6個控制力矩陀螺也裝在資源艙。其上的整個電源分系統質量比飛船減輕了40%。尾部裝有2臺490N軌控發動機，周圍還有4臺150N備用發動機和多臺姿控發動機等裝置。

關鍵技術

由于“天宮”的設計壽命為2年，是長期在低軌道運行的載人航天器，所以如何能保障它在惡劣的太空環境中長壽命工作是一項技術難關。天宮-1現已超期服役約3年，它表明，天宮-1艙體的密封性很好，所帶資源足以供應航天員的需要。

要使天宮-神舟對接組合體平穩運行，“天宮”的姿態控制系統十分重要。飛船是靠發動機進行姿態控制，衛星是靠動量輪進行姿態控制，“天宮”采用力矩陀螺作為姿態控制執行機構，即利用動量交換原理，通過改變角動量方向來產生控制力矩。其優點是精度和可靠性很高，壽命8年，此技術可用于未來的空間站。

“天宮”實驗艙側壁加有特殊的防護板，具有吸收和彈射的功能，能遮擋微小碎片對飛行器的撞擊，而其自身2～3mm厚的金屬外衣，也能起到很好的防護作用。萬一出現5mm的漏孔，“天宮”可維持艙壓不小于70kPa約80min，為航天員贏得充足的逃生時間。如果遇到較大的空間碎片，地面將向“天宮”發出指令，改變其飛行軌道及速度，避開危險物后再回到預定的軌道繼續飛行。

“天宮”壽命末期，將在地面控制下主動離軌，隕落在南太平洋無人區，這樣既能不成為空間垃圾而影響其他航天器，也不會對地面造成危害。

4　其他系統

航天員系統

航天員系統由航天員選拔訓練、航天服和航天飲食等組成。在發射“天宮”時，航天員在太空工作、生活和實驗所需產品，部分隨“天宮”上天，待航天員進入“天宮”后啟用，它包括鍛煉器材、各類服裝鞋襪、睡袋、食品、診療箱、醫學實驗設備等。在航天員乘飛船與“天宮”對接時，還會攜帶一部分產品上天。“天宮”沒有一次帶上所有產品是因為火箭運力有限，另外也有產品壽命的考慮，比如做實驗用的細胞，在長期無人條件下難以存活，所以要跟人一起帶上天。

神舟-9航天員景海鵬、劉旺、劉洋進行手控交會對接訓練

由于航天員在“天宮”中的駐留時間比以往的“神舟”任務明顯延長。長時間在失重環境下生活會造成肌肉萎縮、骨丟失等癥狀，所以，“天宮”帶上了太空鍛煉器材，例如，用于鍛煉下肢肌肉的功率自行車和跑臺；用于鍛煉肩部和背部肌肉的拉力器等。

“天宮”上還有一些醫學實驗裝置，其中骨丟失對抗儀能以不同頻率、不同力度敲打航天員腿部的骨頭，對航天員施加外力刺激；神經肌肉刺激儀可對航天員進行電脈沖刺激，以防止長期飛行造成的肌肉萎縮；質量測量儀能在失重條件下“稱量”人體質量，反映航天員飛行期間體重的變化。

“天宮”還攜帶了廢物回收利用設備，對再生式生命保障技術進行了驗證。其上的電解制氧裝置可將純水制成氧氣，動態水氣分離裝置可把航天員的尿液進行水氣分離。它裝有心電記錄裝置、醫監生化檢測裝置等醫監設備，可對航天員身體狀況進行實時監控。航天員隨身攜帶的心電記錄裝置能24h連續記錄心電數據，而且不受測控弧段的限制。航天員會24h穿著生理信號測試背心，它可采集心電、呼吸、體溫、血壓四大生理信號。

隨“天宮”進入太空的航天食品包括蔬菜、水果、肉類和復水湯等成品菜肴，也有蛋白、脂肪、淀粉等單體成分，但這些都不能吃，是實驗品。真正能吃的航天食品要等航天員隨載人飛船帶上天。實驗用的航天食品要跟隨對接的“神舟”載人飛船返回地面，研究人員要觀察它們在太空長期運行后會發生哪些變化。我國專家已在地面存儲了同批次的航天食品，用于對比研究。

航天員在“天宮”里睡覺、鍛煉、工作，在飛船里吃飯、方便（天宮-2-神舟-11組合體飛行時，改為在天宮-2里吃飯）。食品加熱器、大小便收集裝置等航天員生活必備裝置被隱藏于艙體內。

我國航天食品約有50余種，食譜每4天一輪換。以往用應急電源熱飯，現在用太陽電池翼電源熱飯。一日三餐，每餐均配有主食、副食、復水蔬菜、點心、調味品、水果、飲料等幾大類。

航天醫學專家為航天員準備了航天藥箱、航天小藥包和個人急救小藥包三類藥物。

應用系統

應用系統是利用“神舟”或“天宮”的空間實驗支持能力，開展對地觀測、環境監測等活動，進行材料科學、生命科學、空間天文和流體科學等研究。

我國太空食品加熱裝置

其中在天宮-1上，航天員開展了多項空間醫學科學實驗，還進行了對地觀測、空間材料科學和空間環境探測三個方面的應用。

天宮-2上的科學實驗數量、種類等更多，其中包括地球科學研究、生命科學研究和基礎物理實驗等一些新的實驗，共有14項應用載荷，是載人航天歷次任務中應用項目最多的一次，包括5個方面。

1）基礎物理∶空間冷原子鐘實驗、空地量子密鑰分配與激光通信試驗；

2）空間天文∶伽瑪暴偏振探測；

3）微重力流體物理和空間材料科學∶液橋熱毛細對流研究、綜合材料空間生長研究、兩相流體實驗及關鍵技術驗證；

4）空間生命科學研究∶高等植物生長研究、微重力對細胞增殖和分化影響研究；

5）與全球變化相關的對地觀測與空間地球科學∶利用多角度和寬波段成像儀、三維成像微波高度計、多波段紫外臨邊成像光譜儀開展相關研究。

火箭系統

運載火箭的可靠性是影響航天員安全最主要的因素。發射我國“神舟”飛船的長征-2F是在長征-2E基礎上增加了故障檢測系統和逃逸救生系統（逃逸救生塔），火箭飛行的可靠性達97%，航天員的安全性達99.7%。

為了實現交會對接，需使飛船精確入軌，因此，對發射“神舟”的長征-2F又進行了更改，例如，采用了迭代制導，它比以前的攝動制導更為先進，只要為火箭指定目標即可，火箭沿著軌道飛向預定目標的時候，通過實時迭代計算的方式來不斷修正軌道，不斷逼近目標，從而確保實現最高的軌道精度。

實施交會對接任務要求飛船在零窗口發射。零窗口是根據發射前“天宮”的軌道參數來確定的，目的是將飛船發射到與“天宮”共面的軌道上。“神舟”必須在“天宮”軌道面經過發射點后的某一時刻準時點火起飛，誤差小于1s，否則就需要消耗很多的推進劑來修正兩者之間的軌道面偏差。另外，發射必須采用自動點火，如果采用手動點火，會有1～3s的反應時間。

裝有逃逸塔的長征-2F載人運載火箭騰空

以往交會對接任務時采取定點瞄準發射方式，讓飛船和目標飛行器相互靠近。發射神舟-11時轉為動態瞄準，調整飛船發射窗口。這是因為未來空間站體量大，不可能為對接而調整自己的姿態或軌道高度，這樣太耗費燃料。

測控通信系統

目前，我國的載人航天測控網包括北京航天飛行控制中心、西安衛星測控中心、3顆天鏈-1數據中繼衛星、16個國內外陸基測控站、3艘海上測控船以及連接它們的通信網。3顆天鏈-1衛星可提供約100%的軌道覆蓋率，以及百兆以上的高數據傳輸速率。

“天宮”與“神舟”圍繞地球飛行時，1個地面測控站捕獲它們的時間為約6min，而1顆中繼衛星可連續跟蹤它們約50min，實現約40%的連續測控通信覆蓋，2顆中繼衛星可實現約70%的連續測控通信覆蓋，3顆中繼衛星使我國航天測控覆蓋率可以達到近100%。

天宮-2空間實驗室的測控任務將由遠望-5測量船承擔，神舟-11飛船將由3艘測量船同時出海，分別在三大海域對飛船入軌階段通信、飛船太陽電池翼展開、中繼天線展開等關鍵環節進行測控。

中國遠望號航天測控船

發射場系統

“神舟”飛船和“天宮”都是在酒泉衛星發射中心發射。這主要是更多地考慮了人的安全問題，如雷電天氣較少，有較好的空中和地面電磁環境；火箭發射方向上近百千米內沒有高山密林和較集中的居民點等。

著陸場系統

目前，“神舟”飛船返回方式基本相同，搜救模式為“空中搜救航天員，地面處置返回艙”，實現“快速定位、快速到達、安全出艙”的目標。為此，著陸場搜救分為空中和地面兩支力量，重點是要求快∶一是盡快掌握航天員的健康狀況；二是飛船著陸后，航天員重力適應需要時間長，期間既要確保航天員醫療救援穩妥可靠，又要確保現場處置正規有序；三是航天員后送轉運銜接緊密。

空中有多種直升機（指揮機、通信機、搜救機、醫監醫保機、醫療救護機），它們均安裝了導航衛星接收系統，動態信息可實時傳回北京航天飛行控制中心，主要擔負搜索發現返回艙，第一時間把航天員送到安全的地方。在直升機搜救航天員的任務完成后，返回艙的處理和運送任務就交給了由多輛特種車輛組成的地面車隊。飛船返回主著陸場并完成航天員醫監醫保工作后，航天員乘直升機至附近的軍用機場，然后轉乘專機前往北京。