神箭再送神舟去天宫中国空间站全面建成

　　王婧雨　王君　钱航
　　图1 长二FY15火箭发射神舟十五号飞船
　　北京时间2022年11月29日23时08分，搭载神舟十五号载人飞船的长征二号F遥十五运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。约10分钟后，神舟十五号飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，飞行乘组状态良好，发射取得圆满成功。神箭寒冬之夜出征
　　长征二号F运载火箭是中国第一型也是目前唯一一型在役载人火箭，全程参与了中国载人航天工程＂三步走＂战略的每一步，是我国现役唯一具有故障检测系统和逃逸系统的火箭，肩负着保障航天员安全进入太空的特殊使命和责任，素有＂神箭＂美誉。自1999年首飞迄今，已成功发射15艘神舟飞船（从神舟一号到神舟十五号）和2个空间实验室（天宫一号和天宫二号），成功率100%。
　　发射当天，酒泉卫星发射中心气温约零下19摄氏度，这是空间站在轨建造阶段以来，发射温度最低的一次。那么
　　1、火箭有哪些御寒装备？
　　＂长五＂火箭使用的是液氢液氧低温推进剂，是名副其实的＂冰箭＂。与它不同，长二F火箭是常温火箭，面对酒泉发射中心的低温天气，当然会感到＂冷＂。寒冷的冬季会增加火箭飞行难度，火箭液体发动机、逃逸固体发动机等部位会感到＂冷＂，这样会造成某些部件失效，严重时会影响飞行安全。
　　研制团队在设计初期，就为整个箭体调整到零下35摄氏度的适应能力，实现低温天气依旧能飞。遇上普通寒冷天气，火箭通常会在箭体外穿上一层＂保温层＂，即在火箭的整流罩、仪器舱和发动机舱处粘上白色的阻燃型聚乙烯泡沫塑料，阻挡冷风侵袭。这次发射，连火箭尾段也加上了＂保温层＂，＂腿脚＂保护得暖暖的。
　　2、还有哪些措施保障低温发射？
　　除了火箭本身＂穿＂得厚，火箭＂住＂的房子还是＂空调房＂，厂房塔架上有多条空调管路，持续向整流罩送风，火箭的尾段也能通过舱口享受24小时不间断的空调暖风。哪怕外界白雪皑皑，冷如冰窖，整流罩和发动机舱内依然能保持适宜的温湿度环境。
　　此外，研制团队还贴心地推迟了发射塔第一组和第四组回转平台打开时间，减少了火箭暴露在外的时间。
　　图2 神舟飞船合罩神箭的几个＂一＂
　　长征二号F是中国第一型也是目前唯一一型在役载人火箭，被誉为＂神箭＂。
　　第一款采用箭载图像直播的火箭（第一位在太空开直播的＂主播＂）。从2005年发射长二F遥六箭开始，新增遥测图像测量系统。在火箭上安装2台摄像装置，实时传输和接收。科学家们可以直观地观测助推分离、一二级分离、整流罩分离、船箭分离等时序的火箭图像。
　　现役火箭可靠性第一。按照设计指标，长二F火箭可靠性达0.97，安全性达0.997。目前，火箭的可靠性提高到0.9895，安全性达0.99996。现役火箭安全性第一，长二F火箭头顶尖尖的＂帽子＂就是逃逸塔，假如火箭突发意外，逃逸系统就会立刻启动，逃逸飞行器像＂拔萝卜＂一样带着返回舱飞离故障火箭。作为载人火箭，长二F是我国现役唯一具有故障检测系统和逃逸系统的火箭。
　　第一款执行应急救援任务的火箭。自执行长二F遥十二火箭任务起，一次任务同时有两发火箭在场，长二F火箭研制团队进入＂发射1发、备份1发＂及＂滚动备份＂的发射模式，应急救援火箭最快8.5天即可发射执行救援任务，为航天员的生命安全加上＂双保险＂。今年上半年，作为神舟十四号载人发射任务的应急救援火箭，长二F遥十五火箭一直在应急值班＂站岗＂，见证了长二F遥十四火箭的总装测试、转运和发射全过程。以往，长二F火箭发射神舟载人飞船前航天员乘组均已安全返回地面，但本次任务中神舟十四号与神舟十五号两个航天员乘组要进行在轨交班，这意味着长二F遥十五火箭在准备发射神舟十五号的同时，还承担着对神舟十四号航天员乘组的应急救援任务，救援任务直到发射前才能解除。
　　本次发射任务助力两个航天员乘组第一次太空会师。
　　后续空间站工程将转入为期10年以上的应用与发展阶段，长二F火箭还将继续以每年2发的高频率执行发射任务，在我国空间站运营过程中担纲重任。神舟十五号的变与不变
　　神舟飞船是我国自行研制的用于天地往返运输人员和物资的载人航天器。飞船由轨道舱、返回舱和推进舱组成。轨道舱是航天员生活和工作的地方。返回舱是飞船的指挥控制中心，航天员乘坐其上天和返回地面。推进舱也称动力舱，为飞船在轨飞行和返回地面提供能源和动力。迄今为止共研制了15艘，其中神舟一、二、三、四号为无人试验飞船，神舟五号及后续型号为载人飞船。
　　图3 神舟十五号载人飞行任务标识
　　图4 神舟飞船组合体
　　进入空间站任务后，每年要发射2艘神舟飞船上天，密度很高。为此，研制对神舟飞船采取了组批研制模式。神舟十二号至神舟十五号这4艘是我国首批批产的神舟飞船。为了具备天地结合多重保证的应急救援能力，神舟团队采取＂滚动待命＂策略，在前一发载人飞船发射时，后一发载人飞船在发射场待命，并具备8.5天应急发射能力以实现太空救援，与长二F火箭也是经过演练匹配的。
　　神舟十五号飞船充分继承了神舟十四号飞船的技术状态，主要功能和技术指标保持不变。在此基础上，根据空间站的任务要求，研制团队对神舟十四号进行了适应性改进，使这艘飞船更加安全可靠，为航天员的生命安全保驾护航。
　　据介绍，神舟飞船的设计理念是以航天员的安全性为核心，所有的设计和改进，都是以确保航天员更加安全，飞行任务更加可靠为目的。随着载人飞船技术不断成熟，其设备及零部件也在不断进行升级换代，产品的技术成熟度、质量与可靠性也在随之提高。
　　研制团队持续做了一些改进和能力的提升，包括把舱内的布局进行了优化，包括这次随着神舟十五号飞船发射上行的时候也特意给航天员多送一些新鲜的水果。返回的时候飞船能力也有一定的提升，这样的话可以满足更多的下行载荷回到地面的一些需求。
　　为了确保载人任务万无一失，研制团队严把神舟飞船质量关，同时也在提升神舟十五号飞船安全性等方面采取了一些新的措施。神舟飞船是首次使用了发射场质量确认的工作，相当于把整个发射场的工作，分成数百项质量确认的项目，把所有质量的控制过程都落实到数字化系统中，实现了全过程控制的数字化，可追溯，而且非常完整可靠。
　　前几次任务是回收了上一个、再发射下一个，待命飞船也已完成了批产。但在神舟十五号任务中，神舟团队要把神舟十六号造出来，并运到发射场待命；要先把神舟十五号＂送上去＂，再很快地把神舟十四号＂迎回来＂；还要一刻不停地做好神舟飞船的飞控工作。研制、发射、飞控及回收实施四线任务高度交叠，进度安排、质量控制、资源保障等诸多方面压力巨大。
　　这样的新常态给神舟团队提出了更高的要求。为此，神舟团队坚持创新驱动，结合载人航天器任务特点，充分发掘现有研试体系潜力，将技术创新和管理创新贯穿于整个空间站任务中，不断推动载人航天器研制模式转型。通过制定批产规范、设计通用文件体系、建立批产基线和技术状态管理模式、制定滚动备份策略等方法，建立了系统级批产设计与研制体系。通过验证项目优化、串行改并行优化、标准接口项目优化、试验工况优化、自动化测试和远程测试优化、集中—分布式飞控等手段，全面实现了覆盖产品研制过程、AIT、发射场、飞控等全流程的批产技术流程优化，大大提高了飞船研制效率和效益。目前，载人飞船出厂前研制流程已由17个月减少至14个月，发射场测发流程也由59天优化至46天。神舟飞船的优势
　　由我国自主研发的神舟飞船，突破了再入升力控制、防热、舱段间分离等13项载人飞船的关键技术，总体性能达到国外目前正在使用的第三代载人飞船水平，并在很多地方有自己的优势。其特点：
　　一是起点高，一步到位。神舟飞船第一步就可载3人，第一次载人飞行，苏联加加林只绕地球飞行一圈，而杨利伟却飞行了一天。国外载人飞船是从搭载小动物开始试验航天员环境控制与生命保障系统的，我国则采用了先进的现代装置——模拟人，模拟＂航天员＂所消耗的氧气与二氧化碳，通过先进的地面医监台测试＂航天员＂的生理信号变化。
　　二是性能先进，智能化程度较高。神舟飞船是人类目前绕地飞船中最大的，仅返回舱就比俄罗斯的＂联盟＂号飞船大30%。从自动化控制、制导与导航到数据管理，从应对故障的冗余设计到液晶显示设备，神舟的电子技术和智能化水平远远领先。正在执行应急救援值班任务的神舟十六号飞船已经完成了大升级，其在神舟十五号飞船的基础上进行了多处升级，更美观、更现代化、更适合航天员操作。其中一项大升级就是改进了返回舱内仪表面板布局，让航天员操作起来更方便、更快捷。所以，神舟十六号飞船一定会给航天员带来不同的飞行体验。
　　三是供电灵活。神舟六号及以前神舟飞船推进舱和轨道舱各有一对太阳能电池翼，并能自动对准太阳，保证飞船的充足供电，这也是神舟的一大特色，国外类似飞船或使用一次性电池，或完全依靠推进舱供电，电力供应水平较弱。神六及其以前的神舟飞船在返回舱返回地球以后轨道舱要留守在轨道上进行一些科学实验然后再入大气层烧毁，因此轨道舱需要独立的供电系统。神舟七号及以后神舟飞船轨道舱不再留守，返回舱分离后直接进入大气层烧毁，因此取消了轨道舱的太阳能电池翼。
　　四是投入少。神舟飞船由于设计合理，使得一船能够多用；管理高效，使得多船组批研制，节省了大量的费用。我国走出一条低成本、高效益的载人航天发展道路。 历史性时刻——太空会师
　　神舟十五号、神舟十四号两个乘组6名航天员在太空＂会师＂，＂面对面＂进行在轨交接，堪称本次任务的首要看点。中国首次进行的飞行乘组在轨轮换，该如何进行工作计划管理与协调？
　　两个乘组将按照各自任务和计划开展在轨工作，避免工作项目时间、空间和设备使用上产生冲突。在此期间，神舟十四号乘组重点开展返回前准备工作，神舟十五号乘组重点进行状态设置和在轨环境适应，在轮换期结束前完成工作交接。这需要加强每日工作计划管理，确保乘组间工作有序交接。
　　此次＂太空会师＂，航天员可以面对面地进行交流，他们有将近一周的时间可以做这项工作，交流的效率和效果会非常好。这是中国首次进行飞行乘组在轨轮换。而这样的在轨交接模式，将会是未来中国空间站运营期间主要的任务交接模式，相较地面交接更加高效可靠。
　　从3人的太空驻留转变为6人的短期同时驻留，6名航天员同时在轨，空间站会变得热闹和些许拥挤，此次＂太空会师＂将全面检验我国空间站的承载能力。在热烈祝贺的同时，大家都很关心，两个乘组将如何共同在中国空间站里生活。
　　事实上，为了迎接神舟十五号乘组，神舟十四号航天员乘组已提前将空间站设置为六人在轨模式，以保障6人同时在轨飞行所需的氧气、用水等。航天员在轨生活需依靠空间站的电解制氧、二氧化碳去除、尿处理等再生生保功能。同时，轮换期间空间站构型为三舱三船（即天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱、天舟五号货运飞船、神舟十四号、神舟十五号载人飞船同时在轨）最大模式，将检验环控生保系统对整站最大构型下的多舱段支持能力，全面检验空间站环控生保系统的全负荷运行能力。
　　图5 中国航天员首次实现太空会师
　　图6 中国空间站全面建成
　　中国空间站的环境控制与生命保障系统可以支撑6名航天员同时在轨生活，航天员将合理分配睡眠区、厨房、卫生区，以及锻炼装置的资源，确保有限的空间、设备、物资能够实现高效的保障。其中空间站在轨配置了两套厨房设备，可供两个乘组同时进行餐食准备，他们还可以根据空间大小选择分场所进餐或一起进餐，共同分享食品。两个舱段配置了两个卫生区、六个睡眠区，均可独立使用。神舟十五号航天员的工作
　　在轨交接后，中国空间站进入长期有人驻留模式。神舟十五号乘组作为空间站完成在轨建造后到访的首个乘组，将开展空间站三舱状态长期驻留验证工作，对航天器运行维护的管理工作量会大幅增加。除日常维护照料空间站外，航天员将完成15个科学实验机柜解锁、安装与测试，开展涵盖空间科学研究与应用、航天医学、航天技术等领域的40余项空间科学实验和技术试验。在轨期间，计划实施3-4次出舱活动，并将首次使用梦天实验舱的货物气闸舱转移物品，航天员的舱外活动范围也更为广泛，将给他们带来更大的挑战。结束语
　　此次任务是中国空间站建造阶段的最后一棒，也是空间站应用与发展阶段的第一棒，具有承前启后的重要作用。星空浩瀚无比，探索永无止境，中国空间站全面建成，这将是中国航天事业的又一个重要里程碑，将为人类和平利用太空作出开拓性贡献。