领军

中国载人航天工程首任总设计师王永志

中国载人航天工程现任总设计师周建平

神舟-1～5飞船总设计师戚发轫

神舟-6～11飞船总设计师张柏南

天宫-2空间实验室总设计师朱枞鹏

神舟-5航天员系统总设计师宿双宁

神舟-6～9航天员系统总设计师陈善广

中国载人航天工程应用系统首任总设计师顾逸东

长征-2F火箭总设计师荆木春

测控通信系统首任总设计师于志坚

航天员

中国进入太空第一人杨利伟

中国太空行走第一人翟志刚

中国进入太空第一位女性刘洋

中国第一位太空女教师王亚平

图为神舟-11航天员景海鹏和陈冬出征

2016年，中国航天事业创建60周年，我国载人航天活动再次进入高峰期。

10月17日7时30分，中国酒泉卫星发射中心，神舟-11飞船由长征-2FY11运载火箭发射升空，历经2天独立飞行，与天宫-2空间实验室自动对接形成组合体，航天员景海鹏和陈冬将在轨驻留30天，以更好地掌握空间交会对接技术，同时开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。此前的9月15日，天宫-2空间实验室顺利升空。按计划，2017年4月，我国还将发射首艘货运飞船天舟-1，与天宫-2对接，验证在轨加注技术，从而完成我国载人航天工程第二步第二阶段任务，为第三步建造空间站奠定更为坚实的基础。

1.总体概述：载人航天是航天技术发展更高阶段

载人航天，是航天技术发展的更高阶段，是当今高技术中最具挑战性的领域，能体现一个国家的综合国力和整体科技水平，可完成更复杂的太空开发工作，大大提高航天活动的效率，在地外星球建立基地，意义十分深远。然而，由于该技术特别复杂，投资和风险也很大，因此，至今只有苏联/俄罗斯、美国和中国独立掌握了载人航天技术。

20世纪70年代初，我国曾拟研制曙光号2舱式载人飞船，包括研制航天食品。然而由于当时的政治环境、经济能力和工业基础等条件不成熟，所以中途下马了。

随着我国国民经济和科学技术的不断发展，1992年9月21日，党中央批准实施载人飞船工程。自此，我国的载人航天工程正式启动。

（1）途径选择：研制航天飞机还是载人飞船

我国载人航天工程最终的目标是，研制体积大、寿命长和功能强的空间站，它是开发太空的理想平台，但本身不能天地往返。所以在此之前，必须先研制航天飞机或载人飞船作为空间站的天地往返运输器。通过深入论证，我国专家认为，航天飞机技术虽十分先进，但技术过于复杂，投资和风险太大，因此，根据我国的国情和国力，遵照“有所为、有所不为”和“有限目标、突出重点”的“863”高技术研究发展的指导思想，专家们的一致意见是：从宇宙飞船起步，这样能最大限度地利用我国返回式卫星的成熟技术。

考虑到我国在火箭和返回式卫星方面已拥有相当坚实的技术基础和丰富的研制经验，以及可借鉴国外研制载人飞船的经验，我国决定一步到位，越过1舱式飞船、2舱式飞船，从当时最先进的载人飞船起步，直接研制3舱式载人飞船，并取一个动听的名字——“神舟”。

实践证明，当时的决策非常正确。

（2）发展战略：“三步走”

我国载人航天工程采用“三步走”发展战略。

第一步，是研制载人飞船，把航天员送入太空，并在完成预定任务后安全返回地面，掌握载人航天的最基本技术，实现我国载人航天的历史性突破。这一步已通过2003年和2005年先后发射的神舟-5、神舟-6载人飞船圆满完成。

第二步，是突破和掌握航天员太空行走、空间交会对接两项关键技术，然后发射空间实验室和货运飞船。这些是建造空间站的前提。这一步通过2008年神舟-7航天员翟志刚进行太空行走拉开序幕，并分2个阶段实施。

第一阶段除突破太空行走技术外，还在2011年通过发射天宫-1目标飞行器和神舟-8无人飞船实现了自控交会对接；在2012年、2013年通过分别发射神舟-9、神舟-10，与天宫-1实现了自控和手控对接，并将2名女航天员送入太空。这4次航天发射，使我国独立掌握了空间交会对接技术，验证了组合体飞行技术，并使“神舟”飞船定型。至此，第二步第一阶段结束。

此后，我国载人航天进入第二步第二阶段，已经或将在2016年、2017年分别发射天宫-2空间实验室、神舟-11载人飞船和天舟-1货运飞船，主要任务是，验证航天员中期在轨驻留技术、在轨加注技术和未来空间站的部分新技术，并进行较大规模的科学实验。天宫-2，原来是天宫-1的备份，但由于天宫-1运行很好，目前仍在超期服役，所以对天宫-2进行了适应性改进，让它执行空间实验室任务。与天宫-1相比，天宫-2飞得更高，驻人时间更长，开展实验更多。

第三步，是在2020年左右，建成长期载人的大型空间站，开展大规模、长期有人照料的空间应用。我国空间站采用积木式构型，由从2018年起先后发射的3个20吨级舱段组成T字形：“天和”核心舱居中，“问天”实验舱-1、“梦天”实验舱-2分别对接于两侧。

我国空间站按长期载3人状态设计，每半年由载人飞船实施人员轮换，由货运飞船进行推进剂和物资补给。为此，要突破四大关键技术：推进剂补加技术、物化式再生生保技术、电源技术和空间机械臂技术。

空间站将在轨运营10年以上，成为我国空间科学和新技术研究试验以及科普教育的重要基地，并通过国际合作获取具有重大科学价值的研究成果和重大战略意义的应用成果。

目前，我国载人航天工程由航天员系统、应用系统、飞船系统、运载火箭系统、发射场系统、测控通信系统、着陆场系统、空间实验室系统等组成。今后，还将有货运飞船系统、空间站系统等。

这里特别介绍“神舟”飞船和“天宫”小站。

2.“神舟”飞船：3舱式构型目前仍较先进

（1）总体概述：载人飞船

“神舟”飞船，由轨道舱、返回舱、推进舱3个舱和1个附加段或对接口组成（前2个为压力密封舱），总长近9米，总重约8吨左右，乘员人数3人。飞船有效载荷的质量：入轨时不小于300千克，返回时约100千克。飞船的可靠性为0.97，航天员的安全性为0.997。飞船的飞行时间：自主飞行7天，停靠飞行180天。

“神舟”载人飞船系统，由飞船系统总体和13个分系统组成，它们是：结构与机构、环境控制与生命保障、热控、电源、推进、制导导航与控制、数据管理、测控与通信、回收着陆、仪表与照明、应急救生、乘员、有效载荷。在以上13个分系统中，乘员分系统和有效载荷分系统，分别属于航天员系统和空间应用系统的装船部分。这些分系统涉及物理、医学和环境等数十种学科领域，所以，飞船具有技术多样性和研制复杂性。

（2）技术状态有3种

为适应不同阶段的任务变化，“神舟”系列载人飞船先后有3种技术状态。

一是初期试验技术状态。其特点是把飞船轨道舱留轨利用进行空间应用，所以轨道舱上安装一对太阳电池翼和独立的姿态控制系统。为了增加空间应用试验的有效载荷，有的在轨道舱前面增加一个附加段。神舟-5、神舟-6飞船采用这种技术状态。

二是出舱活动试验技术状态。其特点是为了完成航天员空间出舱活动任务，轨道舱不再留轨利用，因而取消太阳电池翼和姿态控制系统。但是轨道舱除具备生活舱功能外，还兼有出舱活动用的气闸舱功能，用于突破太空行走技术。航天员从轨道舱的侧舱门出舱。轨道舱贮运了舱外航天服，配置轨道舱泄复压系统、出舱支持设备和舱外行走扶手。神舟-7采用这种技术状态。

三是天地往返运输器技术状态。其特点是在轨道舱的前端装有一套交会用的轨道测量、运动控制设施和对接用的对接机构，用于完成与其他飞行器的交会对接。由于轨道舱不留轨利用，所以没有太阳电池翼和独立的姿态控制系统。神舟-8以后的所有“神舟”飞船都采用这种技术状态，用于与天宫-1目标飞行器进行交会对接试验，以及作为航天员的天地往返运输器，今后还为天宫-2空间实验室、空间站运送往来的人员。

（3）技术特点：达到或优于国际第3代载人飞船水平

首先，飞船起点很高。作为我国第一代载人飞船，“神舟”采用了当时最先进、目前仍比较先进的3舱式构型，一次可乘3名航天员。

其次，可“一船多用”。国外的载人飞船在返回后，其轨道舱一般废弃在轨道上，而“神舟”飞船的轨道舱具有“留轨利用”的功能，舱内的仪器设备能在无人值守的情况下，像科技卫星一样自主地工作半年左右，因此能发挥“余热”。

第三，性能比较先进。例如，采用了信息技术的最新成果，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。其太阳电池翼能自动对准太阳，保证飞船的充足供电，而国外类似飞船或使用一次性电池，或太阳电池翼供电水平较弱。

第四，防热技术高超。其返回舱表面积是22.4米2，使用的防热材料总质量约500千克。俄罗斯“联盟”飞船返回舱表面积是17米2，但它的防热材料质量达700千克。

第五，降落伞面积大。“神舟”的降落伞是世界上最大的单顶降落伞，有1200米2。整个伞铺在地上有小半个足球场大小，可叠起来却只有一个小提包大，质量仅约90千克。

“神舟”飞船采用了多项新技术，其中10多项关键技术达到国际先进水平。它使我国的载人飞船技术达到或优于国际第三代载人飞船水平。

（4）定型产品：多项创新

从神舟-8起，我国第一代载人飞船基本定型，并有交会对接功能，可小批量生产，因而能提高可靠性、缩短研制周期。其对接机构采用导向板内翻式的“异体同构周边”式构型，对接后形成直径0.8米的航天员转移通道；改进了手控设备，增加了8台平移发动机和4台反推发动机，使飞船可向前、平移（包括上下运动）和后退，对接时运行更自由，同时提供紧急避撞的动力，可及时返回撤离。

为了安全，航天员乘返回舱落地时要提升座椅，以便减少落地时的冲击力。从神舟-9起，飞船返回舱内航天员坐椅下的提升装置由压缩空气取代了燃气。

由于交会对接对飞船的控制能力提出了更高的要求，定型后的“神舟”上配备了运算能力更大的计算机，对控制系统能力进行了升级。

为满足交会对接和返回需求，飞船载有1吨推进剂，同时配备应急电池。定型后的飞船舱外摄像机采用了扩频通信方案，大大提高了图像传输质量。

另外，为提高飞船的性能及安全性、可靠性，对定型后飞船的部分系统也进行了改进。比如飞船在前期可独立飞行5～7天的基础上，具有与空间站对接后停靠180天的能力；推进舱上的太阳电池翼发电能力比此前的试验性飞船增加了50%，由1.2千瓦增加到1.8千瓦；改进了降落伞和着陆缓冲系统，增加了牵顶伞，可在预定高度先后打开引导伞、减速伞（副伞）、牵顶伞、主伞，进一步提高了整个回收系统的可靠性。

在神舟-9、神舟-10的任务中，为了解决女航天员的适体性问题，对女航天员所使用的舱内航天服、座椅等做了修改，增加了女航天员专用的舱内服装备件包，包内专门配备了1套供女航天员专用舱内压力服和大小便收集装置，还有女性专用卫生用品包。考虑到女航天员上天的需要，对大小便收集器的高度和相对位置也进行了局部修改，并为女航天员准备了巧克力、甜食和补血食品等。

（5）发展历程：从神舟-1到神舟-11

1999年11月20日，我国用长征-2F火箭发射了神舟-1无人试验飞船，考核了载人航天工程总体设计方案的可行性和关键技术的可靠性。该飞船是初样电性船，采用最小配置，仅有与飞船返回系统紧密相关的9个分系统，轨道舱也没有留轨试验。飞行试验表明，我国已基本掌握了飞船舱段分离、调姿和制动、返回升力控制、防热和着陆回收等关键技术，“神舟”飞船和长征-2F火箭性能优良，新建的载人航天发射场和测控网具有先进水平。

2001年1月10日发射的神舟-2，是我国第一艘无人正样飞船。其技术状态与载人飞船基本一致，飞船上的13个分系统均参加了飞行试验。这次飞行重点考核了环境控制与生命保障、应急救生2个分系统的功能；首次进行了轨道舱留轨运行；在轨道舱进行了空间生命科学、空间材料、空间天文、空间物理四大领域的实验；首次装载了太空“模拟人”。

“模拟人”由人体代谢模拟装置、拟人生理信号设备和形体假人组成，能够定量模拟航天员在太空中的重要生理活动参数，如耗氧、脉搏等，并随时受到地面指挥中心的监控。以“模拟人”这种无生命载荷取代动物，在飞船内模拟、检验飞船载人状态，这在世界上是首创。动物的体积比较小，代谢率比较低，与人差别很大，用拟人装置比搭载动物试验更科学、更合理。

2002年3月25日发射的神舟-3无人试验飞船，其技术状态与载人状态完全一致。它全面完善了逃逸与应急救生功能，首次进行了待发段与上升段的逃逸救生系统试验，而且明确界定了“漏逃”和“误逃”的界线，提高了载人航天的安全性和可靠性。我国载人火箭和飞船的成功率已达97%，另外3%依靠逃逸系统来弥补，足以确保航天员的生命安全。这次飞行还首次进行了天地语音传输试验。

2002年12月30日发射的神舟-4，是我国最完善的无人试验飞船，也是考核最为全面、最接近载人技术状态的最后一次演练。备用着陆场、陆地和海上应急救生等系统，都参加了此次飞行试验和考核。进一步完善了逃逸和应急救生功能，增加了自主应急返回功能，设计了8种救生模式，以保证在不同阶段出现意外时，都能使航天员安全返回。飞船上安装了自动和手动两套应急救生装置，使用如果自动装置出现故障、仪表显示故障，船上的手动系统可以“抵挡”。神舟-4飞船还提高了整船偏航机动能力，改善了舱内载人环境。

2003年10月15日发射的神舟-5，是我国第一艘载人飞船，运送我国首名航天员杨利伟进行了世界载人航天历史上的第241次飞行，使杨利伟成为世界上第428位进入太空的航天员。该飞船于2003年10月16日返回，标志我国成为世界上第三个能独立开展载人航天活动的国家。神舟-5与神舟-4基本相似，但对航天员座椅的安全性和舒适性进一步改进，同时设置了多种安全救生模式和百余种故障对策方案，以确保航天员的安全。它证明了我国飞船具备了载人航天飞行的条件。其实，神舟-5原定载2人，但出于稳妥起见，最后只载1人。其上的座椅缓冲器也由神舟-1～4的拉刀式改为胀环式，为杨利伟安全返回多加了一道保险。

2005年10月12日，神舟-6飞船送费俊龙和聂海胜登太空。其主要变化是：人数从1人到2人；天数从1天到5天；活动范围扩大到全船，首次打开返回舱舱门进入轨道舱进行工作和生活；首次让2位航天员脱下舱内航天服，换穿了工作服，进行科学实验和技术试验；首次全面启动了环控生保系统，创造了更加舒适的环境，例如，对轨道舱进行了改进，放置了食品柜、热饭用的电加热器、睡袋和太空马桶；航天食品的种类也从神舟-5的二三十种增加到四五十种。神舟-6任务的顺利完成，为后来的航天员出舱活动、航天器的交会对接等打下了基础。根据神舟-5航天员杨利伟建议，科研人员对神舟-6的座椅缓冲器又进行了改进，并使航天员在落地时的反作用力更小了。

2008年9月25日，神舟-7飞船送翟志刚、刘伯明、景海鹏登上太空，翟志刚完成了太空行走任务。此行实现了三大突破：一是首次实现了空间出舱活动；二是首次满载3名航天员；三是首次从一个航天器上释放另一个航天器。另外，飞船首次与天链-1中继卫星进行了中继链路试验。对神舟-7轨道舱改进是一大亮点，满足了空间出舱活动需要。翟志刚出舱穿的“飞天”牌国产舱外航天服是另一大亮点。神舟-7任务的完成，使我国成为世界上第三个独立掌握空间出舱活动技术的国家。

2011年11月1日，神舟-8无人飞船升空。2天后，它与先发射的天宫-1目标飞行器实现了我国首次空间无人自控交会对接试验。神舟-8装有自动测量系统和对接机构，并具备在目标飞行器上停靠一定时间的能力。为此，研发了基于无线电和光学的高精度相对测量设备、“异体同构周边”式对接机构、平移发动机组以及自控和手控技术，并对电源等分系统进行了改进，提高了性能、可靠性和工作寿命。从神舟-8起，我国飞船不仅具备了交会对接功能，并基本定型，可提供人员的天地往返运输服务。

2012年6月16日，神舟-9飞船送景海鹏、刘旺和刘洋登上太空。此行验证了自控和手控交会对接技术以及组合体载人环境支持技术等。通过这些项目的验证，“神舟”飞船首次全面真正完成载人天地往返运输任务，天宫-1也首次应用空间载人飞行的短期驻留支持技术完成了预定任务。它实现了多个第一：首次实现手控交会对接；首次考核了飞船手控系统；首次飞行了13天；首次向在轨航天器进行了人员和物资的运输与补给；首次打开了天宫-1舱门，使航天员访问在轨航天器；首次考核了天宫-1支持保障航天员的能力；首次安排了我国女航天员执行任务；首次安排了我国航天员两上太空；首次在轨用自行车锻炼身体；首次进行了天地双向视频通话；首次在太空接收了地面邮件等。

2013年6月11日，神舟-10送聂海胜、张晓光和王亚平登太空。它和以前飞船最大的区别是，首次进行了应用性飞行和绕飞。所谓应用性飞行，就是完成正常的天地往返运输任务。此前，我国发射“神舟”的主要目的是考核和验证飞船，每次发射的飞船都有一些变化。与神舟-9相比，神舟-10没有新、大的技术变化，只做了一些小调整，其技术状态基本固化。神舟-10的任务已不再是试验飞船本身，而是投入正常运营，完成运输任务，为天宫-1提供人员和物资运输服务。与神舟-9相比，神舟-10有点小改进，例如，更加舒适：完善了舱内生活垃圾处理，根据航天员的口味对航天食品进行个性化定制，优化了航天员的工作程序和作息安排（增加了工作时间余量）；在轨维修，进行了一些相关试验；女航天员王亚平，为地面青少年进行了我国首次、世界第二次太空授课，产生了巨大影响；飞船首次绕飞天宫-1，为未来与空间站对接做准备。

2016年10月17日，神舟-11送景海鹏和陈冬登太空。飞船的任务是：执行人员和物资天地往返；进一步验证改进型飞船性能；确保航天员安全返回地面。按照60人／天驻留要求，优化了轨道舱布局，返回舱II象限座椅改装为专用载货支架，重新设计了物品转移策略，经过地面安装试验验证。上行能力达到362.5千克，为历次任务最高；下行能力较神舟-10增加一倍。为适应交会对接过程强光适应能力和抗杂光干扰能力，神舟-11新增了基于差分测量体制的交会对接光学成像敏感器。为提高姿态快速变化下的测控跟踪能力，新增了宽波束中继终端，在入轨、对接、分离、返回调姿等关键过程中，提供测控支持手段。按照自主可控的要求，对太阳电池翼使用的进口碳纤维、铝蜂窝等原材料进行了国产化代料。

3. “天宫”小站：增加推进剂补加系统

2011年9月29日，我国长征-2FT1运载火箭成功发射了天宫-1目标飞行器，2016年9月15日用长征-2FT2发射天宫-2空间实验室。

（1）任务不同：外形没变，“内心”有别

天宫-1目标飞行器的任务是：作为交会对接的目标；实现组合体控制和管理；实现航天员的在轨驻留、生活和工作，开展科学实验；进行空间技术试验。

与天宫-1相比，天宫-2空间实验室外形没变，“内心”不同，装载量提高、内部环境更好、机械臂可开展舱外维修、可对接货运飞船进行补给，尤其是很多为空间站建设研发的新型设备，在这次任务中都将进行测试。它主要完成三大任务：验证航天员在轨中期驻留技术，进行在轨维修技术试验；与货运飞船对接，验证推进剂在轨补加技术；开展大规模空间科学和应用实验。它是我国第一个具备太空补加功能的载人航天器，围绕其三大任务开展了很多新的设计工作。

为了满足航天员中期驻留需要，对天宫-2的载人宜居环境做了重大改善，进行了“精装修”，以具备支持2名航天员在轨工作、生活30天的能力。航天专家对系统开展了宜居环境设计，集成了内部装饰、舱内活动空间规划、视觉环境与照明、废弃物处理、物品管理、无线通话等宜居技术，改善了就餐和睡眠环境，增加了锻炼设备和娱乐设施，改进了内饰，硬制、软制的扶手等，为航天员提供了舒适人性化的空间家居环境。这些变化可以使航天员驻留期间的生活和工作更加舒适、更加便利、更加丰富多彩。

例如，在天宫-2上，首次使用了可展开的多功能小平台，航天员能在上面写字、吃饭、做科学实验，从而生活工作两不误；在通信方面，为航天员配备了蓝牙耳机和蓝牙音响；用地板取代了地毯，避免有“一踩一个坑”的感觉；舱内灯光采用米黄色色调，亮度可手动调节，并为每个航天员安装了床前灯；在多个区域增加不少硬质扶手，并引入了驻留腰带、头戴式无线蓝牙耳麦等设计来解放航天员的双手；在锻炼器材方面，除有动感单车外，还增加了跑台。多功能小平台和跑台采用了折叠方式进行收纳，以最大程度地节省空间。借助天地链路，通过地面数据转换，航天员在轨时可与地面实现视频互动，还能在轨阅读电子书或期刊。值得一提的是，在天宫-2的睡眠区里，设计师们还专门增加了“云插座”，可供航天员与家人进行私密通话。

另外，为后续空间站的建设，安排了在轨维修技术验证和机械臂维修操作验证系统，对空间站的维修体系进行全面验证需求。因为将来空间站在轨飞行时间更长，很多物件需要维修、更换。所以天宫-2配备了在轨维修技术验证装置、机械臂操作终端在轨维修试验设备，专门搭建了一个在轨维修的一套（验证）系统。例如，首次搭建了液体回路验证系统，用于验证空间站维修技术；首次搭载了机械臂操作终端试验器，第一次开展我国人机协同太空在轨维修实验，为以后空间站任务提供技术储备。值得一提的是，天宫-2的系统设计模块化，也就是说，它一旦出现问题可快速更换和在轨维修，这在国内空间领域属于首创。

同天宫-2一起升空的还有伴随小卫星，它从天宫-2上释放出去，然后与天宫-2伴飞，开展联合试验。它搭载了多个试验载荷，并具备较强的变轨能力，开展空间任务时的灵活性与机动性较好。在轨任务期间，它将开展对天宫-2-神舟-11空间组合体的飞越观测等试验，即用高清相机拍摄组合体的对接状态，为空间飞行器交会对接提供直接的影像技术支持，并拓展空间技术应用，包括探测空间碎片。我国神舟-7载人飞船伴随卫星，曾首次进行在轨拍摄大型航天器的试验，所使用的相机为130万像素，而天宫-2伴随卫星使用的是2500万像素全画幅相机，在分辨率和精细度上实现了新升级。

我国未来的空间站将长期在轨飞行，其推进剂会不断消耗，所以要进行补加。天宫-2的任务之一，就是要掌握这项技术，即通过和货运飞船交会对接，把货运飞船的推进剂补加到天宫-2上，这个技术难度还是比较大。为了满足推进剂补加验证试验需要，对天宫-2推进分系统进行了适应性改造增加了推进剂补加系统，采用全新的储箱设计。它与货运飞船将首次应用推进剂在轨补加技术，使我国成为继俄罗斯之后第二个在轨应用补加技术的国家，技术研究成果可直接应用于后续空间站工程。

天宫-2上搭载的设备也更先进，有全新配套的空间应用系统的科学设备，无论是数量还是安装复杂程度，都创造了我国历次载人航天器任务之最。它搭载了空间冷原子钟等14项应用载荷，以及失重心血管研究等航天医学实验设备，多项实验居国际领先水平；同时搭载了香港中学生太空科技设计大赛获奖的双摆实验装置、薄膜成型实验装置、太空养蚕实验装置3个实验项目。

天宫-1与飞船的对接高度约343千米。为了验证空间站技术，天宫-2与飞船的对接高度为393千米，对星下同一地点的重访周期也从2日增加到3日。这是未来我国空间站运行的轨道高度，比之前的轨道提高了几十千米。轨道特性的不一样，每一圈转的时间不一样了，设计人员进行了重新分析计算。

（2）两舱功能知多少

“天宫”由实验舱和资源舱组成，其中前者是控制舱，也是航天员的工作舱和生活舱，由密封舱和非密封舱组成；后者是非密封舱。

实验舱的密封舱有专用睡眠区、锻炼区、实验区、仪表区，有较多实验设备，可用笔记本上网、听CD和收电子邮件。天宫-1上只有电子邮件上行功能，而天宫-2增加了邮件下行能力。它可保证航天员生存条件，提供60人／天在轨驻留支持：如果进驻3个人，可在里生活20天，如果进驻2个人，可在里生活20天。神舟-9的3名航天员在天宫-1里驻留了10天，所以为神舟-10的3名航天员驻留了10天；由于天宫-1密封性好，生命保障资源留有富余，所以神舟-10的3名航天员在天宫-1里驻留了12天；神舟-11的2名航天员在天宫-2里可驻留30天。实验舱的非密封舱安装了航天应用设备或空间实验设备。

密封舱内有独立的睡眠区，里面有独立的照明系统，中间的折叠小桌板用来摆放书籍和电脑；有一个锻炼用的自行车和横管，它们设在睡眠区的一侧，并被称为健身区，每个区域旁边都设有数量不等的手脚限位器；舱内的10余个软包通过一个大布袋被整齐地固定在实验舱的舱壁上，每个大小不一的软包各司其责，为航天员的“空居”生活保驾护航，比如，负责安全的有防毒面具包、灭火器包等；负责生活的有清洁用品包、食品包、内衣包等；负责实验的有乘员设备包、工具包等……

资源舱为“天宫”提供动力和电能，进行姿态控制、轨道控制。非密封舱安装科学实验设备。

（3）舱段设计：对接机构“异体同构周边”式

“天宫”实验舱前端安装的通信设备、交会测量设备和对接机构，是“天宫”与飞船联通的关键所在，用于支持与载人飞船实现交会对接。对接后，对接机构可以形成直径0.8米的密封转移通道。通信设备采用空空通信机；交会测量设备主要包括全球卫星导航设备、微波雷达、激光雷达、光学成像敏感器、乘员光学瞄准器等；对接机构采用先进的“异体同构周边”式。

“天宫”的实验舱直径3.35米，长6.4米，包括前锥段、圆柱段和后锥段，是目标飞行器的控制舱，也是航天员的工作舱和生活舱。前锥段、圆柱段是密封舱，可保证航天员的生活和工作条件。后锥段为非密封舱。它的内部四壁是机柜，里面有各种设备、操作台、仪表板和睡眠的舱室，中间有一个2.2米高、1.8米宽、长4米的通道，是航天员运动、工作和生活的场所。

在飞船航天员进入“天宫”之前，先用微量有害气体净化装置对舱内气体进行高效净化；还用带入舱内的微生物净化装置对空气进行了高效过滤净化。水汽会引起电器设备受潮短路，人在潮湿的环境中也不舒服，所以在载人期间，用冷凝水收集装置定时收集了实验舱内的人体呼吸、排汗等代谢产生的水汽。

“天宫”的资源舱与“神舟”飞船的推进舱类似，为直筒形非密封舱，直径2.25米，长3.2米。舱外安装了由一对4块太阳电池板组成的太阳电池翼以及直径约1米的中继卫星天线，太阳电池翼展开后总长18.4米，发电效率高达27%～28%，与国际先进水平相差无几，以后可用于空间站。舱内主要装有推进剂贮箱、镍氢蓄电池以及环境控制用气瓶等设备，姿态控制系统的6个控制力矩陀螺也装在资源舱。其上的整个电源分系统重量比飞船减轻了40%。尾部装有2台490牛轨控发动机，周围还有4台150牛备用发动机和多台姿控发动机等装置。

（4）关键技术更多创新

由于“天宫”的设计寿命为2年，是长期在低轨道运行的载人航天器，所以如何保障它在恶劣的太空环境中长寿命工作是一项技术难关。天宫-1现已超期服役约3年，它表明，天宫-1舱体的密封性很好，所带资源足以供应航天员的需要。

要使天宫-神舟对接组合体平稳运行，“天宫”的姿态控制系统十分重要。飞船是靠发动机进行姿态控制，卫星是靠动量轮进行姿态控制，“天宫”采用力矩陀螺作为姿态控制执行机构，即利用动量交换原理，通过改变角动量方向来产生控制力矩。其优点是精度和可靠性很高，寿命8年，此技术可用于未来的空间站。

“天宫”实验舱侧壁加有特殊的防护板，具有吸收和弹射的功能，能遮挡微小碎片对飞行器的撞击，而其自身2～3毫米厚的金属外衣，也能起到很好的防护作用。如果出现5毫米的漏孔，“天宫”可维持舱压不小于70千帕约80分钟，为航天员赢得充足的逃生时间。如果遇到较大的空间碎片，地面将向“天宫”发出指令，改变其飞行轨道及速度，避开危险物后再回到预定的轨道继续飞行。

“天宫”寿命末期，将在地面控制下主动离轨，陨落在南太平洋无人区，这样既能不成为空间垃圾而影响其他航天器，也不会对地面造成危害。

4.其他系统

（1）航天员系统

航天员系统由航天员选拔训练、航天服和航天饮食等组成。在发射“天宫”时，航天员在太空工作、生活和实验所需产品，部分随“天宫”上天，待航天员进入“天宫”后启用，它包括锻炼器材、各类服装鞋袜、睡袋、食品、诊疗箱、医学实验设备等。在航天员乘飞船与“天宫”对接时，还会携带一部分产品上天。“天宫”没有一次带上所有产品是因为火箭运力有限，另外产品寿命的考虑，比如做实验用的细胞，在长期无人条件下难以存活，所以要跟人一起带上天。

由于航天员在“天宫”中的驻留时间比以往的“神舟”任务明显延长。长时间在失重环境下生活会造成肌肉萎缩、骨丢失等症状，所以，“天宫”带上了太空锻炼器材，例如，用于锻炼下肢肌肉的功率自行车；用于锻炼肩部和背部肌肉的拉力器；可对下半身施加负压的负压装置，腰以下可密封起来抽气，气体抽出后航天员的血液就会流向下体，使失重情况下血液往上涌的现象得到缓解。

“天宫”上还有一些医学实验装置，其中骨丢失对抗仪能以不同频率、不同力度敲打航天员腿部的骨头，对航天员施加外力刺激；神经肌肉刺激仪可对航天员进行电脉冲刺激，以防止长期飞行试验造成的肌肉萎缩；质量测量仪能在失重条件下“称量”人体质量，反映航天员飞行期间体重的变化。

“天宫”还携带了废物回收利用设备，对再生式生命保障技术进行了验证。其上的电解制氧装置可将纯水制成氧气，动态水气分离装置可把航天员的尿液进行水气分离。它装有心电记录装置、医监生化检测装置等医监设备，可对航天员身体状况进行实时监控。航天员随身携带的心电记录装置能24小时连续记录心电数据，而且不受测控弧段的限制。航天员会24小时穿着生理信号测试背心，它可采集心电、呼吸、体温、血压四大生理信号。

随“天宫”进入太空的航天食品包括蔬菜、水果、肉类和复水汤等成品菜肴，也有蛋白、脂肪、淀粉等单体成分，但这些都不能吃，是实验品。真正能吃的航天食品要待航天员随载人飞船带上天。实验用的航天食品要跟随对接的“神舟”载人飞船返回地面，研究人员要观察它们在太空长期运行后会发生哪些变化。我国专家已在地面存储了同批次的航天食品，用于对比研究。

航天员在“天宫”里睡觉、锻炼、工作，在飞船里吃饭、方便。食品加热器、大小便收集装置等航天员生活必备装置被隐藏于舱体。“天宫”上的睡袋重量明显减轻，材料也更好，具有抗阻燃、防静电、重量轻、松紧可调等特点。“天宫”上还为航天员准备了保暖内衣和内裤、运动袜、运动服和短裤等。

我国航天食品约有50余种，食谱每4天一轮换。以往用应急电源热饭，现在用太阳电池翼电源热饭。一日3餐，每餐均配有主食、副食、复水蔬菜、点心、调味品、水果、饮料等几大类。

航天医学专家为航天员准备了航天药箱、航天小药包和个人急救小药包3类药物：航天药箱是用于组合体在轨飞行时航天员疾病防治的用药保障；航天小药包是航天员在返回舱时的用药保障，能够满足3名航天员1天的用药；个人急救小药包主要用于航天员在着陆后的疾病防治。航天员每天要吃3次“太空养心丸”，它可增强心血管功能、提高机体免疫力、防治空间运动病。

（2）应用系统

应用系统是利用“神舟”或“天宫”的空间实验支持能力，开展了对地观测、环境监测等活动，进行了材料科学、生命科学、空间天文和流体科学等研究。

其中在天宫-1上，航天员开展了多项空间医学科学实验，还进行了对地观测、空间材料科学和空间环境探测3个方面的应用。

天宫-2上的科学实验数量、种类等更多，其中包括地球科学研究、生命科学研究和基础物理实验等一些新的实验，共有14项应用载荷，是载人航天历次任务中应用项目最多的一次，包括5个方面。

1）基础物理：空间冷原子钟实验、空地量子密钥分配与激光通信试验、静电加速度计和主动减振试验；

2）空间天文：伽玛暴偏振探测；

3）微重力流体物理和空间材料科学：液桥热毛细对流研究、综合材料空间生长研究、两相流体实验及关键技术验证；

4）空间生命科学研究：高等植物生长研究、微重力对细胞增殖和分化影响研究；

5）与全球变化相关的对地观测与空间地球科学：多角度和宽波段成像仪、三维成像微波高度计、多波段紫外临边成像光谱仪。

（3）火箭系统

运载火箭的可靠性，是影响航天员安全最主要的因素。发射我国“神舟”飞船的长征-2F，是在长征-2E基础上增加了故障检测系统和逃逸救生系统（逃逸救生塔），火箭飞行的可靠性达97％，航天员的安全性达99.7％。

为了实现交会对接，需使飞船精确入轨，因此，对发射“神舟”的长征-2F又进行了更改，例如，采用了迭代制导，它比以前的摄动制导更为先进，只要为火箭指定目标即可，火箭沿着轨道飞向预定目标的时候，通过实时迭代计算的方式来不断修正轨道，不断逼近目标，从而确保实现最高的轨道精度。

实施交会对接任务要求飞船在零窗口发射。零窗口，是根据发射前4小时“天宫”的轨道参数来确定的，目的是将飞船发射到与“天宫”共面的轨道上。“神舟”必须在“天宫”轨道面经过发射点后的某一时刻准时点火起飞，误差小于1秒钟，否则就需要消耗很多推进剂来修正两者之间的轨道面偏差。另外，发射必须采用自动点火，如果采用手动点火，手有1～3秒钟的反应时间。

以往交会对接任务时采取定点瞄准发射方式，让飞船和目标飞行器相互靠近。发射神舟-11转为动态瞄准，调整飞船发射窗口。因为未来空间站体量大，不可能为对接而调整自己的姿态或轨道高度，这样太费燃料。

（4）测控通信系统

目前，我国的载人航天测控网，包括北京航天飞行控制中心、西安卫星测控中心、3颗天链-1数据中继卫星、16个国内外陆基测控站、3艘海上测控船以及连接它们的通信网。天链-1的3颗卫星可提供约100%的轨道覆盖率，以及百兆以上的高数据传输速率。

“天宫”与“神舟”围绕地球飞行时，1个地面测控站捕获它们的时间为约6分钟，而1颗中继卫星可连续跟踪它们约50分钟，实现约40%的连续测控通信覆盖，2颗中继卫星可实现约70%的连续测控通信覆盖，3颗中继卫星使我国航天测控覆盖率可以达到近100%。

天宫-2空间实验室的测控任务将由远望-5承担，神舟-11飞船将由3艘测量船同时出海，分别在三大海域对飞船入轨阶段通信、飞船太阳帆板展开、中继天线展开等关键环节进行测控。

（5）发射场系统

“神舟”飞船和“天宫”都是在酒泉卫星发射中心发射。这主要是更多地考虑了人的安全问题，如雷电天气较少，有较好的空中和地面电磁环境；火箭的发射方向上近百千米内最好没有高山密林和较集中的居民点等。

（6）着陆场系统

目前，“神舟”飞船返回基本相同，搜救模式为“空中搜救航天员，地面处置返回舱”，实现“快速定位、快速到达、安全出舱”的目标。为此，着陆场搜救分为空中和地面两支力量，重点是要求快：一是尽快掌握航天员的健康状况；二是飞船着陆后，航天员重力适应需要时间长，期间既要确保航天员医疗救援稳妥可靠，又要确保现场处置正规有序；三是航天员后送转运衔接紧。

空中有多种直升机（指挥机、通信机，搜救机，医监医保机，医疗救护机）。它们均安装了导航卫星接收系统，动态信息可实时传回北京航天飞控中心，主要担负搜索发现返回舱，第一时间把航天员送到安全的地方。在直升机搜救航天员的任务完成后，返回舱的处理和运送任务就交给了由多辆特种车辆组成的地面车队。飞船返回主着陆场并完成航天员医监医保工作后，航天员乘直升机至附近的军用机场，然后转乘专机前往北京。

作者系中国空间技术研究院研究员、《国际太空》执行主编

（中国航天60年专稿，共分4个篇章：载人航天篇、运载火箭篇、人造卫星篇、深空探测篇，其中载人航天篇、运载火箭篇两文刊发本期，即2016年第10期；人造卫星篇、深空探测篇两文将刊发下期，即2016年第11期）