神舟十五號任務(wù)：空間站建造與應(yīng)用關(guān)鍵“交接棒”

文/胡藍(lán)月 戴敬宜

2022年11月29日23時08分，長征二號F運載火箭托舉神舟十五號載人飛船起飛，飛船順利進入預(yù)定軌道并與空間站對接。11月30日7時33分，神舟十五號載人飛船艙門開啟，航天員費俊龍、鄧清明、張陸進入“天宮”，與神舟十四號乘組3名同事激動擁抱。中國首次實現(xiàn)空間站三艙三船構(gòu)型及6名航天員“太空會師”。

這是中國開展的第十次載人航天飛行任務(wù)，可以說是空間站建造階段的“最后一棒”，也是空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的“第一棒”。“神十五”乘組將在軌生活6個月，開展空間站三艙狀態(tài)長期駐留的驗證工作，進行40余項空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗，驗證貨物氣閘艙出艙工作模式，還將迎接天舟六號貨運飛船、神舟十六號載人飛船，計劃于2023年5月返回地面。

▲ 兩批航天員在軌交接

“生命之舟”天上聚首

神舟系列載人飛船由軌道艙、返回艙和推進艙構(gòu)成，共有14個分系統(tǒng)，是我國可靠性、安全性要求最嚴(yán)苛的航天器。

神舟十五號載人飛船曾是“打一備一”的應(yīng)急救援飛船。其實，每艘神舟飛船在上天前都要經(jīng)歷“轉(zhuǎn)正”的過程。作為應(yīng)急救援飛船時，神舟十五號載人飛船已經(jīng)具備發(fā)射條件，被封存在恒溫恒濕的潔凈軟罩里。正式進入發(fā)射流程后，在完成檢查、測試、加注等一系列工作后，飛船被裝入整流罩內(nèi)，與豎立在廠房中的長二F火箭合二為一。

“神十五”發(fā)射面臨著接近零下20攝氏度的嚴(yán)寒挑戰(zhàn)，發(fā)射場配置了兩套整流罩內(nèi)送風(fēng)設(shè)備，按照溫度上限進行送風(fēng)，為航天員提供溫暖舒適的環(huán)境。同時，針對待發(fā)段可能出現(xiàn)送風(fēng)溫度偏低的故障情況，團隊制定了風(fēng)險控制預(yù)案，保證返回艙和推進艙推進劑溫度滿足發(fā)射要求。

發(fā)射前6個小時，操作人員在飛船軌道艙內(nèi)安裝了一些“時鮮”物資，包括生物實驗項目所需的線蟲、植物，對環(huán)境要求很高。為此，科研人員打造了一條運輸“冷鏈”，在發(fā)射前快速裝貨，確保時效性。享受類似待遇的還有新鮮水果，作為空間站里最受航天員歡迎的食品之一，蘋果、葡萄等以最新鮮飽滿的狀態(tài)抵達(dá)空間站。飛船內(nèi)還有食品加熱裝置，可以保證航天員享用飲食更舒心。

神舟十五號載人飛船與空間站組合體前向?qū)樱c“神十二”任務(wù)相同，但空間站組合體的重量從約40噸增至近百噸，對接過程中的撞擊力更強，風(fēng)險更大。為此，研制隊伍在地面通過捕獲緩沖試驗，驗證了對接機構(gòu)在31種工況下的捕獲緩沖能力，運動精度橫向偏差可以控制在1毫米以內(nèi)，角度偏差控制在0.1度以內(nèi)。這個批次4艘神舟飛船的對接能力從8噸級覆蓋至180噸級，在交會對接微波雷達(dá)、聲表濾波器、高精度加速度計等一系列設(shè)備助力下，可以安全對接空間站。

▲ 長征二號F運載火箭托舉神舟十五號載人飛船升空

本次任務(wù)中，中國空間站第一次同時停靠2艘神舟飛船在軌工作，給飛船身份識別和在軌控制帶來了新挑戰(zhàn)。從外觀看，“神十四”“神十五”完全一樣。在空間站內(nèi)，航天員交接期間在艙門口貼了“門牌號”，確保不會進錯門。在飛控中心，研制人員為區(qū)分“兩兄弟”，給每艘飛船一個特定的標(biāo)識符，像身份證號一樣加入上行、下行的信息中，避免天地數(shù)據(jù)傳輸混淆，清晰高效地同時控制兩艘飛船在軌工作。

航天員輪換期間，空間站通過不同的對接總線代傳兩船遙測，確保兩船信息傳輸?shù)奈ㄒ恍院驼_性。空間站系統(tǒng)同時向兩船通風(fēng)熱支持，送風(fēng)量根據(jù)兩船不同的熱環(huán)境進行合理分配，且可根據(jù)需求進行分檔調(diào)節(jié)。此外，研制人員為兩船在軌制定了緊急撤離方案，統(tǒng)籌考慮6名航天員與2艘載人飛船的撤離時序，通過大量模擬推演保障航天員的生命安全。

在軌任務(wù)期間，“神十五”采用并網(wǎng)供電工作模式，可根據(jù)任務(wù)適時進行調(diào)整。值得注意的是，飛船的并網(wǎng)供電策略不是一味地要求空間站提供最大的能量，而是根據(jù)空間站組合體不同的運行狀態(tài)和飛船太陽帆板遮擋情況，結(jié)合飛船工作模式，既能維持飛船系統(tǒng)穩(wěn)定停靠運行，又盡量給空間站“減負(fù)”，屬于動態(tài)用電模式。

為了高效滿足神舟飛船滾動生產(chǎn)、“打一備一”的任務(wù)需求，研制人員實現(xiàn)了酒泉-北京異地“云測試”和“云飛控”。所謂“云測試”，就是團隊技術(shù)骨干無論身處何處，都能為飛船做“體檢”；所謂“云飛控”，意味著飛船完成關(guān)鍵動作期間能得到權(quán)威專家全力支持。

▲ 兩批乘組“太空會師”期間，空間站實現(xiàn)三艙三船構(gòu)型

后續(xù)，“打一備一”、兩船同時停靠、6名航天員在軌交接的運行模式將成為空間站新常態(tài)。神舟載人飛船研制團隊全面實現(xiàn)了覆蓋產(chǎn)品研制過程、AIT、發(fā)射場、飛控等全流程的批產(chǎn)技術(shù)流程優(yōu)化，大大提高了飛船研制效率和效益，使載人飛船出廠前的研制流程由17個月減少至14個月，發(fā)射場測發(fā)流程由59天優(yōu)化至46天。

新一批次6艘神舟飛船將在不久后以嶄新的姿態(tài)亮相航天舞臺。目前，神舟十六號飛船已經(jīng)總裝測試完畢，作為應(yīng)急救援飛船在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心待命；神舟十七號、神舟十八號、神舟十九號飛船正在滾動研制中。

從2021年4月天和核心艙發(fā)射到此次任務(wù)實施，在19個月內(nèi)，中國密集實施11次發(fā)射、7次航天員出艙，4個乘組12名航天員接續(xù)在軌工作，如期完成空間站“T”字基本構(gòu)型組裝建造。接下來，空間站將轉(zhuǎn)入為期10年以上的應(yīng)用與發(fā)展階段，初步計劃每年發(fā)射2艘載人飛船和2艘貨運飛船。

如何管好用好中國空間站？除了天地加強溝通協(xié)作外，航天科技集團五院總體設(shè)計部建立了全壽命周期數(shù)字化空間站模型，將數(shù)字空間站與在軌空間站、地面電性空間站共同構(gòu)成運營體系，提供任務(wù)前的仿真預(yù)示、任務(wù)中的數(shù)字伴飛、任務(wù)后的狀態(tài)評估等支持，助力飛行任務(wù)成功，極大提升了空間站研制和運營效率，相關(guān)成果已直接推廣應(yīng)用于后續(xù)載人登月與深空探測任務(wù)。

▲ 神舟十五號載人飛船測試中

▲ 飛往空間站途中的航天員

▲ 神舟十五號載人飛船對接空間站組合體

關(guān)鍵之“戰(zhàn)”“神箭”再升級

長征二號F運載火箭是中國第一型載人火箭，也是中國現(xiàn)役唯一具有故障檢測系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)的火箭。自1999年首飛以來，它已成功發(fā)射15艘神舟飛船和1個目標(biāo)飛行器、1個空間實驗室，成功率達(dá)100%，享有“神箭”美譽。

載人航天工程實施中有兩個階段最危險，一是火箭上升段，二是飛船返回段。在火箭上升段，長二F火箭要經(jīng)受最惡劣的力、熱等環(huán)境考驗，溫度高，震動量級大，飛行時間短，干預(yù)手段有限。曾經(jīng)，長二F火箭在創(chuàng)新突破的道路上大步向前，它是中國最早實現(xiàn)“三垂一遠(yuǎn)”發(fā)射模式的火箭，被新一代運載火箭沿用；為長二F火箭制定的元器件篩選等級是名副其實的高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求，促使一批生產(chǎn)廠家提升水平；長二F火箭還是最早推行軟件工程化的型號，為后續(xù)火箭信息化、智能化發(fā)展打下了基礎(chǔ)。如今，長二F火箭的改進更加謹(jǐn)慎，許多技術(shù)在其他型號上反復(fù)打磨驗證后才使用，確保安全可靠地把航天員送上太空。

據(jù)悉，這是新批次長二F火箭和全新的地面設(shè)備首次應(yīng)用于載人發(fā)射任務(wù)，對比上一發(fā)火箭，進行了全面升級優(yōu)化，其中技術(shù)狀態(tài)改進45項，測發(fā)控、供配氣等地面設(shè)備改進11項。火箭研制人員重點消除一些發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識到的薄弱環(huán)節(jié)，在提高可靠性方面進行了26項技術(shù)狀態(tài)變化和更改。目前，火箭的可靠性指標(biāo)提升至0.9895，安全性指標(biāo)達(dá)0.99996。

一直以來，長二F火箭都是“零窗口”發(fā)射。長二F火箭副總設(shè)計師劉烽介紹，本次任務(wù)采用起飛時間偏差修正技術(shù)，即便火箭點火時間出現(xiàn)偏差時，仍可以在一定范圍內(nèi)自動修正軌道，完成入軌和交會對接任務(wù)。通過調(diào)整火箭飛行參數(shù)，保證入軌點的指標(biāo)要求，確保火箭入軌精度，為拓寬火箭發(fā)射窗口打下了基礎(chǔ)。

研制人員還對火箭的遙測系統(tǒng)發(fā)射機、導(dǎo)航接收機完成了改進升級，進一步拓展了北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的接收通道數(shù)量，火箭的入軌精度也更高。

長二F火箭控制系統(tǒng)主任設(shè)計師周濤介紹，從長二F火箭遙八開始，火箭制導(dǎo)技術(shù)不斷迭代，在近地點高度200千米的位置，火箭精度能達(dá)到米級。

此外，發(fā)射場地面測發(fā)控設(shè)備實現(xiàn)了更新?lián)Q代。升級后的地面設(shè)備繼續(xù)沿用1.5千米遠(yuǎn)距離發(fā)控方案，試驗隊對射前關(guān)鍵設(shè)備采取冗余設(shè)計，減少單點的風(fēng)險，確保火箭順利上天。同時，云技術(shù)使得信息瀏覽、站點布設(shè)更加方便，極大提升了工作效率和工作體驗。

在控制系統(tǒng)上，通過產(chǎn)品化設(shè)計，多個型號可共用，減少了重復(fù)試驗和分析。在確保可靠性、安全性、冗余度的基礎(chǔ)上，測發(fā)控系統(tǒng)地面設(shè)備由50多臺整合為30多臺，體量、體積進一步減少。控制系統(tǒng)和利用系統(tǒng)融合為一，使崗位人員減少一半。總之，火箭的可靠性、安全性和抗風(fēng)險能力有所提高，射前發(fā)射流程操作更加自動化、更簡便，降低了人為操作失誤風(fēng)險。

在空間站運營階段，長二F火箭將繼續(xù)采用“發(fā)射1發(fā)、備份1發(fā)”的模式，2發(fā)火箭輪流“站崗”。進入值班狀態(tài)的火箭如果接到應(yīng)急救援命令，將迅速完成8.5天發(fā)射流程，實施應(yīng)急救援發(fā)射，保障航天員的生命安全。