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“十二五”中國載人航天活動回顧

The 12th Five-year Plan in Review: China's Human Spaceflight Activities

“十二五”期間，我國載人航天事業(yè)取得了輝煌的成果，最突出的表現(xiàn)是先后成功發(fā)射了天宮－1目標飛行器、神舟－8無人飛船、神舟－9和10載人飛船，使我國突破和掌握了自控和手控空間交會對接技術；把我國首位女航天員和首位太空女教師送上太空；開展了應用型飛行和在軌維修、繞飛等技術試驗和一些重要的科學實驗，順利完成了載人航天工程第二步第一階段任務。我國還按計劃進行了天宮－2空間實驗室、神舟－11載人飛船、天舟－1貨運飛船、長征－5B和7運載火箭、大型空間機械臂等的研制，為在“十三五”期間進行的載人航天工程第二步第二階段和第三階段任務奠定了堅實的基礎。

1 2011年我國載人航天相關活動

天宮－1目標飛行器升空

2011年9月29日，我國用長征－2F T1火箭成功發(fā)射了天宮－1目標飛行器。經過2次變軌后，天宮－1進入近地點355km、遠地點362km的近圓軌道。此后，它又經歷了在軌測試和交會對接準備2個階段，在神舟－8飛船發(fā)射前進入約343km高的交會對接軌道，并建立了倒飛姿態(tài)。

天宮－1主要擔負四大任務：一是先后與神舟－8、9、10飛船進行空間交會對接；二是實現(xiàn)“神舟”和天宮－1對接完成后組合體的控制和管理；三是為航天員提供在組合體內工作和生活所需的基本條件，開展相關的科學實驗；四是進行空間技術試驗，為未來空間站的建造進行先期的技術驗證。

與“神舟”系列飛船相比，天宮－1具有體積大、壽命長、功能強、用途廣的特點，是我國研制的一種全新的載人航天器，是空間實驗室的雛形，具有小型試驗性空間站的性質。它由實驗艙和資源艙組成，質量約8.5t，總高度10.4m，最大直徑3.35m，運行壽命2年。實驗艙包括前錐段、圓柱段和后錐段，是航天員的工作艙和生活艙，由密封艙和非密封艙兩部分組成。前錐段、圓柱段是密封艙，航天員活動空間達15.3m3，可滿足3名航天員在艙內20天生活和工作需要。非密封后錐段安裝對地遙感設備。實驗艙前端安裝了通信設備、交會測量設備和對接機構。資源艙為直筒構型非密封艙，艙外裝有太陽電池翼和數(shù)據中繼衛(wèi)星天線，艙內裝有控制力矩陀螺、推進劑貯箱、鎳氫蓄電池以及環(huán)境控制氣瓶等設備，尾部和側壁裝有2臺490N軌控發(fā)動機和多臺姿控發(fā)動機等裝置，為天宮－1提供動力，進行姿態(tài)控制、變軌和制動。

“搖籃”中的天宮－1

神舟－8無人飛船升空

2011年11月1日，我國成功發(fā)射了神舟－8飛船，把它精確送入近地點約200km、遠地點329km、軌道傾角為42°、周期5379s的運行軌道。它主要擔負三大任務：一是作為追蹤飛行器與天宮－1目標飛行器交會對接；二是實現(xiàn)載人飛船的定型；三是完成科學實驗任務。

神舟－8的特點是在軌道艙前端安裝了用于交會對接的測量、運動控制等設備和對接機構；增加了8臺平移發(fā)動機和4臺反推發(fā)動機；推進艙上的太陽電池翼發(fā)電能力比此前增加了50%；改進了降落傘和著陸緩沖系統(tǒng)；配備了運算能力更大的計算機等。

完成我國首次空間交會對接任務

我國首次空間交會對接任務分遠距離導引段、自主控制段、對接段、組合體飛行段、再度對接段和分離撤離段共6個階段實施。

1）在遠距離導引段，神舟－8由測控通信系統(tǒng)導引進行了5次變軌，從初始軌道轉移到與天宮－1共面的330km的近圓軌道。在天宮－1飛行第539圈、神舟－8飛行第28圈時，神舟－8位于天宮－1后下方約52km處，神舟－8穩(wěn)穩(wěn)地捕獲了天宮－1，與其建立穩(wěn)定的空空通信鏈路，神舟－8轉入自主控制段。

天宮－1與神舟－8空間交會示意圖

春節(jié)期間，王躍與其他5名志愿者在艙內秀中國功夫

2）在自主控制段，神舟－8歷經了尋的段（與天宮－1的距離從52km到5km）、接近段（從5km到140m）、平移靠攏段（從140m到對接機構接觸），中間設立了4個停泊點（與天宮－1的距離分別為5km、400m、140m和30m）。

3）在對接段，神舟－8和天宮－1在8min內完成了捕獲、緩沖、拉近和鎖緊4個過程，于2011年11 月3日01：36實現(xiàn)了剛性連接，形成組合體，交會對接完成。

4）在組合體飛行段，由天宮－1負責組合體飛行控制，神舟－8處于停靠狀態(tài)。

5）在再度對接段，組合體于2011年11月14日進行了分離和第2次交會對接試驗，主要試驗在不同的光照條件下空間交會對接的效果。第1次對接在陰影區(qū)進行，第2次對接在光照區(qū)舉行。

6）在分離撤離段，再次對接的天宮－1-神舟－8組合體飛行2天后，于2011年11月16日再次分離，神舟－8飛船返回艙于2011年11月17日返回內蒙古主著陸場。

完成火星-500實驗任務

2011年11月4日，我國志愿者王躍在完成火星－500（MARS 500）實驗后出艙，出艙后王躍看上去依然神采奕奕。接著，王躍與其他5名志愿者接受了為期3天的全面體檢和1個月的艙外實驗，包括分析幾名志愿者的尿液和唾液樣本，研究精神壓力對免疫系統(tǒng)的影響。王躍于2011年12月上旬回到國內。

王躍稱，在520天中積累了大量的研究數(shù)據，對于密閉環(huán)境下人的自身極限能力的認識有了新突破。由中方組織參與的中醫(yī)項目、生物節(jié)律與氧化應激項目及心理項目均達到了預期目的，初步獲得了對長期密閉環(huán)境中人體整體功能狀態(tài)的中醫(yī)辨證、人體生物節(jié)律和氧化應激的規(guī)律性認識，了解了不同文化背景下乘組相容性特點，積累了長期載人航天飛行中的醫(yī)監(jiān)技術經驗。同時，這次實驗也是學習國外有益經驗的很好方式，積累了大型國際實驗的組織經驗，掌握了如何在國外長期連續(xù)參試、如何建立精干高效的試驗隊等。

2 2012年我國載人航天相關活動

神舟－9載人飛船升空

2012年6月16日，我國成功發(fā)射了載有男航天員景海鵬、劉旺和我國首位女航天員劉洋的神舟－9飛船。其中，01號航天員景海鵬是指令長，全面負責乘組和任務完成；02號航天員劉旺的工作重點是完成神舟－9與天宮－1的手控交會對接；03號航天員劉洋則主要負責航天醫(yī)學實驗和空間試驗管理。神舟－9還搭載約300kg的物品，其中以食品為主，此外還包括一些實驗物品。本次任務主要包括三個方面：一是進一步驗證自動控制交會對接技術，并首次驗證手動控制交會對接技術；二是全面驗證組合體的環(huán)境保障情況；三是驗證在神舟－8基礎上進行過改進的神舟－9飛船性能。

景海鵬、劉旺、劉洋（從右至左）在模擬器內進行手控交會對接訓練　

我國第1位女航天員劉洋出艙

神舟－9載人飛船準確入軌后，經地面遠距離導引和自主控制飛行，于2012年6月18日在距地面高度343km的近圓軌道上，與天宮－1目標飛行器成功實現(xiàn)自動控制交會對接，形成組合體。同一天，航天員景海鵬率先成功進入天宮－1，隨后，劉旺、劉洋依次進入。6月24日，天宮－1與神舟－9組合體分離，載有3名航天員的神舟－9自動撤離至距天宮－1目標飛行器400m停泊點處。隨后，神舟－9以自動控制方式逐漸接近天宮－1，至140m停泊點后神舟－9飛船轉由航天員劉旺手動控制。在航天員景海鵬、劉洋的密切配合下，劉旺操作姿態(tài)控制手柄和平移控制手柄，控制神舟－9向天宮－1接近，成功進行了手動交會對接，第2次形成組合體，航天員再次進入天宮－1。在組合體飛行期間，3名航天員在軌正常工作和生活，開展了一系列的空間科學實驗和技術試驗。6月28日，航天員劉旺手動控制神舟－9與天宮－1再次分離，并撤離至140m停泊點，飛船轉入自主控制，繼續(xù)撤離至5km外安全距離，并開展了重入自主控制至140m停泊點的交會飛行試驗。6月29日，神舟－9進入返回程序，于當天準確降落在預定區(qū)域。天宮－1抬高運行軌道，進入高度約370km的長期運行軌道。

通過實施神舟－9任務，我國載人航天實現(xiàn)了多個首次，例如：首次實施了航天員手控交會對接，首次考核了飛船手動控制系統(tǒng)；首次進行了航天員訪問在軌飛行器，在軌飛行10余天，這也是我國載人航天有史以來最長的一次；首次實現(xiàn)了地面向在軌飛行器進行人員和物資的運輸與補給，首次考核了天宮－1支持保障航天員工作生活的能力；首次安排了女航天員執(zhí)行任務，填補了我國在女航天員選拔訓練、醫(yī)學監(jiān)督和保障以及女航天員乘員設備等方面的空白。航天員在太空飛行期間做了一系列的科學實驗和技術試驗，突破了一系列的關鍵技術，取得了一大批寶貴的試驗數(shù)據，為我國載人航天技術發(fā)展奠定了基礎，使我國對太空的認識、對載人航天規(guī)律特點的認識更加深刻全面。

天宮－1與神舟－9載人交會對接任務全面實現(xiàn)了“準確進入軌道、精準操控對接、穩(wěn)定組合運行、安全健康返回”的總目標，稱得上結果圓滿、過程完美、成果豐碩。

我國首次受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成試驗成功

2012年12月2日，中國航天員中心試乘員唐永康、米濤走出密閉實驗艙門，圓滿完成了為期30天的我國首次受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成實驗。此次實驗驗證了我國自主研制的受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成實驗平臺，標志著中國航天員中心在受控生態(tài)生保技術研究領域邁出重要一步。

開展長時間、遠距離和多乘員的載人深空探測和地外星球定居是未來航天技術發(fā)展的必然方向，而建立受控生態(tài)生保系統(tǒng)是解決其生命保障問題的根本途徑。為此，中國航天員中心于2011年首次在我國建成了受控生態(tài)生保系統(tǒng)集成實驗平臺。它利用植物的光合作用，一方面為乘員提供所需氧氣，同時凈化他們呼出的二氧化碳，完全實現(xiàn)大氣的“自給自足”，專業(yè)術語稱為達100%的大氣閉合度。

在密閉實驗艙內的30天里，唐永康、米濤生活在總面積54m2的密閉艙內，模擬了航天員在太空的生存環(huán)境。他們每天06：30起床，23：00睡覺，在18m2的乘員艙吃飯、睡覺、健身（蹬自行車、拉拉力器）和上網，做心理學、中醫(yī)等方面科學實驗。密閉艙內還有36m2的植物培養(yǎng)艙，種植了4種蔬菜。本次實驗選擇的生菜等4種蔬菜的氧氣轉化效率最優(yōu)。乘員艙和植物培養(yǎng)艙的空氣是互相流通的，植物培養(yǎng)艙的植物通過光合作用，凈化乘員艙內乘員呼出的二氧化碳，使艙室內的氧氣和二氧化碳保持動態(tài)平衡。

“神舟”飛船應用的是第一代“非再生”生保系統(tǒng)，從天宮－1起已逐步納入第二代“物理化學再生式”生保系統(tǒng)。它們均使用高壓氧氣瓶供氧或電解制氧，維持航天員生命，使用化學藥劑凈化航天員呼出的二氧化碳。此次實驗標志第三代生保系統(tǒng)取得階段性成功。下一步還需實現(xiàn)飲用水的“自給自足”，并讓排泄物進入生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)。而未來用植物供氧的太空艙內，艙體內的氧氣完全由其搭載的4種蔬菜產生。高壓氧氣瓶和制氧藥劑將成為應急物品，只在二氧化碳濃度超限時使用。

3 2013年我國載人航天相關活動

2013年6月11日，我國成功發(fā)射了神舟－10載人飛船，將男航天員聶海勝、張曉光和女航天員王亞平送入天宮－1目標飛行器。

王亞平與學生互動

神舟－10總共完成了四大任務：一是為天宮－1提供了人員和物資天地往返運輸服務，進一步考核了交會對接技術和載人天地往返運輸系統(tǒng)的功能性能；二是進一步考核了組合體對航天員生活、工作和健康的保障能力，以及航天員執(zhí)行飛行任務的能力；三是進行了航天員空間環(huán)境適應性和空間操作工效研究，開展了空間科學實驗和航天器在軌維修等試驗，首次開展我國航天員太空授課活動；四是進一步考核了工程各系統(tǒng)執(zhí)行飛行任務的功能、性能和系統(tǒng)間協(xié)調性。

在天宮－1實驗艙內進行的太空授課是此次任務最大的亮點。此次太空授課由王亞平擔任主講，聶海勝輔助授課，張曉光擔任攝像師，地面課堂設在中國人民大學附屬中學。在太空授課中，航天員們分別進行了質量測量、單擺運動、陀螺、水膜和水球共5項太空科學實驗，展示了失重環(huán)境下物體運動特性、液體表面張力特性等物理現(xiàn)象，并通過視頻通話形式與地面課堂師生進行了互動交流，從而加深了青少年對質量、重量以及牛頓定律等基本物理概念的理解，極大地激發(fā)了廣大青少年對航天的興趣。

另外，神舟－10航天員對天宮－1進行了在軌維護，拉開了我國航天器在軌維修的序幕。航天員拆除了天宮－1原來鋪設的軟質地面材料，更換上硬質地板和新的限位裝置；對天宮－1上的密封圈進行更換。航天員掌握各種在軌維修航天器技術，對于開展長期載人航天活動，保障載人航天安全具有重要作用。

神舟－10飛船和以前“神舟”飛船飛行的最大區(qū)別是首次進行了應用性飛行和繞飛，為我國未來空間站的建造儲備了技術、奠定了基礎。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(fā)射“神舟”飛船的主要目的是考核和驗證飛船，每次發(fā)射的飛船都有一些變化。而與神舟－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(tài)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。

掌握繞飛技術對于未來建造我國的空間站非常重要，因為我國在2020年左右建成的空間站上有多個對接口，所以“神舟”飛船不一定從一個方向去與空間站交會對接，可能需繞到另一個對接口與空間站進行交會對接，因此需掌握宇宙飛船的繞飛技術。為此，在神舟－10飛船上還增加了一項用于繞飛的制導功能，用于飛船在“追吻”天宮－1時能夠繞軌進行順追和逆追。神舟－10航天員通過操縱飛船返回艙內的“姿態(tài)控制手柄”和“平移控制手柄”改變了飛船的飛行速度和方向,從而靈活自如地實現(xiàn)對天宮－1的繞飛。

在圓滿完成預定任務后，神舟－10航天員于2013年6月26日安全返回地面。他們共在太空生活和工作了15天，這是目前我國載人航天活動時間最長的一次，也是我國航天員承擔各類任務最多的一次。此次任務完成后，我國載人航天“三步走”的第二步第一階段圓滿結束。

神舟－10航天員張曉光、聶海勝、王亞平（從左至右）自主出艙后揮手致意

4 2014年我國載人航天相關活動

2014年中國月宮－1實驗圓滿完成。5月20日，北京航空航天大學3位實驗志愿者謝倍珍、董琛、王敏娟從月宮－1密閉艙中走出來。至此，月宮－1為期105天的科學實驗獲得圓滿成功，標志著月宮－1成功完成我國首次長期多人密閉實驗。

月宮－1艦長謝倍珍（中）、乘員王敏娟（右）、董琛（左）出艙前在植物艙內合影

月宮－1的全稱為“月球基地生命保障人工閉合生態(tài)系統(tǒng)地基實驗裝置”，由北京航空航天大學研制，用于開展月球基地生命保障系統(tǒng)的地基實驗研究。它基于生態(tài)系統(tǒng)原理,將生物技術與工程控制技術有機結合，構建由植物、動物、微生物組成的人工閉合生態(tài)系統(tǒng)。人類生活所必需的物質，如氧氣、水和食物，可以在系統(tǒng)內循環(huán)再生，并為乘員提供類似地球生態(tài)環(huán)境的生命保障。人進入這個人工生態(tài)系統(tǒng)中，便成為生態(tài)系統(tǒng)的消費者鏈環(huán)，同時可發(fā)揮控制者的功能，構成人工閉合生態(tài)系統(tǒng)（MCES）。

該密封系統(tǒng)在實驗運行期間，與外界不發(fā)生氣體交換。它由1個綜合艙（42m2）和2個植物艙(每個58m2，三層立體栽培，種植面積69m2）組成，總面積為160m2，總體積500m3，可以為3位志愿者提供生命保障。

“天舟”貨運飛船1∶3模型

月宮－1的核心為生物再生生命保障系統(tǒng)（BLSS），這是目前世界上最先進的閉環(huán)回路生命保障技術，也是未來人類實現(xiàn)在外太空長期生存的核心技術。其特點是可不再需要或很少需要地面物質支持，氧氣、水和食物在系統(tǒng)內通過生物技術實現(xiàn)再生，乘員可長期在站內工作和生活，使得長期載人航天和行星探測成為可能。在105天里，維持3位志愿者生存所必須的氧氣和水都是通過系統(tǒng)循環(huán)來供給的，而除了試驗前艙內存儲的一部分熟食外，其余食物也都是通過系統(tǒng)提供的。在封閉試驗期間，志愿者進行作物種植和食品加工活動，產生的廢棄物則通過生物技術處理轉化為用于植物栽培的養(yǎng)分，這次實驗實現(xiàn)了系統(tǒng)內循環(huán)再生100%的氧氣和水以及55%食物，系統(tǒng)的總閉合度達到了97%。

月宮－1是我國建立的第一個、世界上第三個生物再生生命保障地基有人綜合密閉實驗系統(tǒng),它使我國在生物再生生命保障領域的研究水平進入國際最先進行列，對保障我國載人登月、月球基地及火星探測等航天計劃的順利進行、保障航天員生命安全和生活質量具有重大意義。

地外天體采樣機械臂

5 2015年我國載人航天相關活動

天宮－2空間實驗室完成階段總裝標志性節(jié)點

據中國航天科技集團公司網站2015年1月3日報道，天宮－2空間實驗室空間應用系統(tǒng)載荷設備完成了安裝并交付電測，這是空間實驗室本階段總裝的標志性節(jié)點。與天宮－1目標飛行器相比，天宮－2空間實驗室上搭載了全新配套的空間應用系統(tǒng)載荷設備，無論配套設備數(shù)量還是安裝復雜度均創(chuàng)新高。

2015年3月4日，中國載人航天工程總設計師周建平在接受記者專訪時表示，天宮－2空間實驗室的發(fā)射準備工作進展順利，將于2016年發(fā)射。它將用于驗證空間站的技術，也將接受航天員的訪問。他表示：“天宮－2入軌并完成在軌測試后，將與之后發(fā)射的神舟－11載人飛船完成交會對接。航天員在天宮－2上生活的時間將比在神舟－9、10生活的時間更長。” 在天宮－2發(fā)射之前，中國將在海南發(fā)射場發(fā)射新研制的長征－7運載火箭試驗箭。在天宮－2發(fā)射后，長征－7運載火箭將被用于發(fā)射“天舟”貨運飛船。

自主研制機械臂性能優(yōu)良

2015年11月在北京舉行的2015世界機器人大會上，展示了我國研制的大型空間機械臂和地外天體采樣機械臂。我國大型空間機械臂長達10余米，有7個關節(jié)，具有自主爬行及擴展能力，靈活性高，可達范圍廣，能同時實現(xiàn)大范圍大負載操作以及局部精細化操作；采用機、電、熱多技術高度集成的一體化關節(jié)，實現(xiàn)了大負載自重比設計；針對復雜的空間環(huán)境，突破了高速輕載與低速重載傳動機構空間潤滑和壽命驗證方法；采用組合氣浮與懸吊零重力模擬等方法，實現(xiàn)了大型機械臂的地面驗證；機械臂可頭尾互換，可實現(xiàn)機械臂大范圍空間的靈活應用，通過爬行達到每一個角落，大大降低空間機器人及其輔助系統(tǒng)的質量，最大程度地擴大了機械臂的活動范圍；承載的范圍非常寬，鴻毛能拿，數(shù)十噸重的東西也易如反掌；無論高速還是低速，無論負載重還是負載輕，都能保持動作連貫，協(xié)調輕盈，適應空間在軌的不同任務。

地外天體采樣機械臂不僅能夠進行樣品采集，還可完成容器轉移等一系列樣品采集任務；采樣范圍大，整臂末端操作精度高，樣品獲取能力強，具有很強的著陸姿態(tài)適應性，確保采樣的精度和范圍；可利用攜帶的工具，通過鏟、挖等多種方式獲取地外天體表層樣品。

士元/文