载人飞船上的那些细节

赵 雁

中国航天员科研训练中心

合格的环境卫士

在“神五”飞行前，一个令环境控制与生命保障系统科研人员极目抒怀的成果——一氧化碳滤除装置的研制，被许多人反复提及。

这是一个不到一年就已经过初样、正样研制并定型的产品，没有走一般产品的常规路径。这个产品与航天员的生命安全息息相关。

“神四”飞船返回后，在采集和分析飞船返回舱内的气体参数时，研究人员意外发现舱内存留着部分一氧化碳。这是一个重大而值得庆幸的发现。谁都知道，一氧化碳一旦被吸入人体，轻则引起昏迷，重则导致死亡，严重威胁到航天员的生命。一氧化碳这个隐形杀手是从哪里来的？

在原先设计的气体净化装置中，是可以将正常释放的少量一氧化碳转为二氧化碳进行消除的。但在实际飞行中，由于飞船火工品的爆炸，产生了额外超量的一氧化碳气体，仅靠原有的气体净化装置是不能满足要求的。鉴于这种情况，载人航天工程指挥部明确指示，先从源头上减少一氧化碳释放，再研制一套一氧化碳滤除装置，以确保航天员的安全。要求提得很形象：“第一口气安全。”意思是说，在整个发射飞行过程中，从航天员进入飞船呼吸的第一口气开始，必须确保安全。

这时已是2002年的初秋，距离正式飞行时间不足一年。这对航天员中心的工作人员来说，压力巨大！因为研制路径非常规。几个月时间内，要越过工程产品研制所需的模样、初样研制阶段，越过方案选择、原理实验、单机设计、验证改进等繁杂程序，直接进入正样，就是上天产品研制。没有更多摸索的机会，好比一把定输赢的赌注，但不允许有失败的可能。

一个突破常规的攻坚项目组成立了。李英斌是这个项目的负责人。他记得很清楚，这个项目已不再是常规的层层管理，而是航天员中心的领导专项负责，一竿子插到底，可见当时情况的严峻和重大。

飞船返回舱的总装负责人撂下句实在话：“我希望你们做个易拉罐。”他是希望滤除装置体积足够小。

“易拉罐”实现起来谈何容易？几番论证，反复试验，决定：一是将飞船内原有的环控产品优化集成，让出空间，这个是以毫米为单位的计量；二是寻找制造高效催化剂的新型材料。

“削足适履”，十多年后，李英斌如是形容承担这项任务时的感受。要新增流阻部件，所有通风净化的产品都要有所变化。不仅要优化管路，阀门也要被重新设计，进行集成。这些结构性的变化，让李英斌和他的同事们绞尽脑汁。

学化学专业出身的余青霓、赵成坚临危受命，承担催化剂的研制。那几天，时任航天员系统总设计师及总指挥的宿双宁心里也是七上八下，惴惴不安。因为他非常清楚催化剂这东西的厉害，它一旦从潘多拉的魔盒跳出，就会活跃无比。稍有不慎，就会把你折腾得翻江倒海，使一氧化碳的滤除彻底泡汤。

宿双宁认真地提醒余青霓：“当心！千万当心！”

余青霓自然明白领导的顾虑，不过她有信心驾驭这匹难以驯服的烈骑。她和她的同事伸出科研人员特有的信息触角，下煤矿、进大学，调研了国内几家最有价值的单位，拿回来了他们急需的资料。通过夜以继日的分析消化，她的眼前为之一亮，她几乎可以断言：通过气体净化，定能扼住一氧化碳的咽喉。

时间越来越紧迫，就像鞭子在身后抽打他们的脊梁。没有办法，只有用提高效率增加时间的内张力，靠加班加点扩大时间的外延。终于，他们无可挑剔地在第一时间拿出了方案。领导欣慰不已，当即定夺拍板，但同时也提出了一个更高的技术指标：出口一氧化碳浓度接近于0。

找出一条通道和走出这条通道是两个有质的区别的概念。余青霓和她的同事们一路并不顺利，几乎步步跌撞而行。

材料不仅对净化性能要求高，同时还要能满足太空的振动环境，耐受量级要高。多种材料混合后，还要防止出现中毒变性，还必须是常温催化……这些要求要一一满足，不仅需要对材料优选，还要工艺更新。这让余青霓和她的同事颇费周折，多少次实验都冲击不到预期的目标。要么消除浓度达不到指标，要么催化剂的容量掌控不好。当实验折腾得他们精疲力竭的时候，一缕曙光再现——他们艰难地搞出了小样实验。有了这一步才能做真正意义上的实验。

正式实验的日子到了，只有闯过这道关口，我们的环境控制与生命保障系统才算万无一失。然而，出来的结果却让人沮丧——实验失败，出口的一氧化碳浓度超标。意外将在场的所有人袭击了。明明在以往的实验中都是成功的，关键时刻为什么掉链子？

余青霓和她的同事们感觉到了巨大的压力。这是关乎航天员生命的大事！没有一万分把握就等同于零。他们进一步分析原因，查找关键环节，终于发现事故的元凶是活性炭导致催化剂失效引起的，必须进行新型活性炭的研制。

承担这一研制重任的是董钦尧和李英斌。

“飞船上所装设备都是经过严格计量、科学摆放的，一个立方厘米体积的增加都会增加发射的代价。为了将这个装置在飞船舱内合理摆放，我和李英斌从画草图、量体积、定位置，到找飞船系统协商，真是费了牛劲。一粒催化剂只有小米粒大小，用罐承装后，气流阻力非常大，影响滤除效率。要解决这道难题，工程设计难度的确不小。”说到那次实验的失败，董钦尧的声音马上低了下来。他和同事一样感到十分惋惜。他们连续三天讨论失败的原因，在经过缜密的研究后，决定除了重新研制活性炭，也对装置的结构设计做出调整。

当活性炭重新配方后，完全达到了技术要求。但是李英斌、董钦尧、余青霓还是想再提高精度，实现“零出口”，把上次失败的阴影彻底打入十八层地狱。几经推敲，他们又在原有装置上进行改进。一个小小的乳胶套的巧妙应用解开了困扰他们多日的结，装置终于实现了“零出口”的突破。

检验的时刻到了！做演示实验的几个年轻人背后，齐刷刷地站着很多将军和老总级人物。尽管在实验室已进行过多轮验证，心里不可谓无底，但这样的阵势，还是让几个年轻人紧张到手抖。关键是要在真实返回舱实验，几个月的心血是否能经受这样的考验？当火工品爆炸后，出口每隔几秒便要采集一氧化碳浓度数据。电脑分析图一点点标注下来，曲线图竟然和之前在实验室做的预估曲线完全重合，分毫不差。年轻人背后响起热烈的掌声，他们用心血和汗水向航天员生命安全作出了庄严的承诺。

返回的“神舟五号”飞船返回舱内的各项环境数据显示，在航天员生活了21个小时的空间里的空气清洁度远远高于地面。

太空服装大师

服装，是人类早期文明的产物。到了20世纪，由于自然科学的介入，人们对于服装的认识不再局限于蔽体、保暖、美观、大方等特点，服装家族出现了令人眼花缭乱的分化和新生。航天服就是刚刚过去的那个世纪的产儿。

当人类进入太空，就会发现航天服的作用远远超出了传统范畴，因为太空接近真空的压力环境、极端的温度环境、缺乏生命所需的氧气、空间陨尘、空间碎片和空间辐射的威胁等，都需要航天服为航天员在太空的生活和工作提供一个良好的防护和保障系统。航天服按功能可分为舱内用应急航天服和舱外用航天服，它们又被形象地称为航天员出征太空的“黄金甲”。

舱内航天服用于飞船座舱发生泄漏、压力突然降低时，航天员及时穿上它，接通舱内与之配套的供氧、供气系统，服装内就会立即充压供气，并能提供一定的温度保障和通信功能，保证航天员在飞船发生故障时能够安全返回。航天员在正常航行时一般是在飞船上升和返回时穿上，防止在发射或返回阶段发生故障；飞船在轨道飞行中，一般是不用穿航天服的。

目前，我国自行研制的舱内航天服一般由三部分组成：一是限制层。它是由高强度、抗磨损材料制成的，用来保护服装内层结构，并由特殊设计的力约束结构使航天服按预定形态膨胀，保证航天员穿着舒适合体。限制层是航天服承受服装内压力的关键层次，在服装充气加压状态下，限制层被扩张、变硬、严重限制了关节活动，从而会影响航天员的动作。所以，航天服专家在航天服的关节处通常采用一些皱褶的形式、“橘子形状”，或者带轴承的密封金属关节，航天员穿上它具有较好的灵活性。二是气密层。这部分用涂有特种橡胶的晴纶织物制成，有良好的气密性，防止服装加压后气体泄漏。三是通风层。这部分有许多管道，气流经分配头部和四肢，带走人体代谢产生的热量，保持航天员身体舒适。航天员所穿的内衣，一般选用无刺激、吸湿性好的纯棉或棉亚麻针织品。此外，还有与之相配的头盔、手套、靴子。航天员在太空飞行所戴的头盔是软硬结构的组合体，它不仅能隔音、隔热和防碰撞，而且还具有减震好、重量轻的性能。头盔面窗是为了给航天员提供良好的视野，以便可以看到飞船内外的景象。这部分一般选用透光率高的材料制成，有较好的抗冲击性。为防止航天员呼吸造成水汽凝结以及低温环境下航天员头盔面窗上结雾、结霜，航天服专家为其设计了特殊的气流或防雾涂层。而航天员所戴的手套，在充气加压后，仍具有良好的活动功能和保暖性能。

在航天服上还配有大小便收集装置和生理测量装置。生理测量装置将采集到的航天员心电、呼吸、血压等生理参数直接通过飞船遥测系统传到地面飞行控制中心。舱内航天服一般重10公斤左右，加工制作十分复杂，环境要求十分严格，有上千道工序，因此，它的造价比较昂贵，生产一套需上百万元人民币。舱内航天服的作用不容小觑，在世界载人航天的历史上，它就多次上演过悲喜剧。

20世纪60年代末，苏联和美国展开了激烈的航天竞争，谁都想成为这个领域最大的赢家。苏联不断加快飞船的设计，增加发射频率，航天员的安全问题时常被忽略。为赶超美国人设计的两座舱飞船，苏联的设计师紧急将原有的两座舱“联盟”号飞船改为三个座舱。而3名航天员要“挤”进这个窄小的飞船，就只好放弃占用一定空间的航天服。尽管当时招致反对声一片，但飞船的设计师却一再夸口说：“就算航天员只穿内裤飞行也是一百个安全。”

1971年6月30日，在完成了太空任务后，3位航天员乘飞船准备返回地球，但在飞船进入大气层的瞬间，发生漏气泄压事故。可怕的灾难降临了，3位航天员的濒死症状完全一致，都是窒息而死。科学家的一致结论是，如果穿上航天服，这场悲剧完全可以避免。自此，世界航天史上再没有出现过不穿航天服乘坐飞船的人。

舱外航天服是航天员进行出舱活动时穿着的。航天员离开船舱，要进行有效的工作，面临太空恶劣环境，这时候的航天服就如同一个小的航天器，它能给航天员提供保证生存和工作效率的环境控制与生命保障系统，为航天员营造出一个“安全”的工作环境。它可以说是价值最昂贵的服装。一套舱内航天服价值上百万元人民币，舱外航天服则可达上千万美金。它是工艺最复杂的服装。仅一件舱内航天服，就有300多道工序，需要8名技术工人24小时连续干一个月，才能做出一套。舱外航天服的制作则更为复杂。它不仅“贵”而且“重”，一件舱外航天服有100多公斤。当然，到了太空微重力条件下，地面上的服装都会变得轻飘飘。

中国第一件航天服的研制从1968年就开始了。作为中国第一件舱内航天服的见证人，陈景山参与了研制的全过程。

那时的研制状态，用陈景山的话讲只有两个字——摸索。人们很难想象，一张张模糊不清的美国“双子星”“阿波罗”号航天员穿着航天服的照片竟成为科研人员最珍贵的资料。只有目标没有参照的科研课题注定是高难度值的，一切都要从零发端。所有的医学工程参数、压力参数、关节活动性能、通风散热的要求都要靠科研人员自己去拟定，然后去设计实验。

他们一路走得实在艰辛，而且一走就是整整10年。然而，正是这套凝结了20多位技术人员青春与心血的航天服却没有机会等到让航天员披挂上阵接受太空检阅，就因为“曙光号”的下马而匆忙结束了使命，成为陈列室中唯一一件正在研制中的展品。这套没有“缝制”起来的航天服在留下遗憾的同时也留下了一份荣誉：1978年，它获得全国科技大会奖。这个奖项本身的科技含量和荣誉含量并不高，还是使人隐隐嗅到了科学的春天，给参与研发的科研人员失落的心灵以莫大慰藉。

默默的坚守、默默的筹备、默默的期盼汇成了中国航天人执着的心音，这群不甘于寂寞的服装大师终于迎来了再次装扮中国航天员的机遇。

深修机械制造与工艺设备专业的陈景山，此时已是航天服分系统主任设计师。在经历了一段科研枯萎期后的他正以拱土之势开始他生命中的“二度起飞”。

研制航天服遇到的最大困难当属工艺问题。航天服上的压力调节器只有拳头大小，可它却是航天服上最重要的功能部件。它的精度要求非常高，一般的压力调节器最多可调二挡，而航天服上的压力调节器要保证有三挡压力。制作工艺很难达到。从“不能”到“能”的过程，实实在在耗去了两年时光，其间仅压力调节器的寿命实验就进行了2000多次。

研制航天服的科研人员中，有学机械制造的、有学橡胶的、有学飞机高空设备的、有学纺织面料的，专业五花八门。航天员所穿的航天服也已远非一般意义上的服装系统，它涉及机械、纺织、化工和测控通信、人机工效、热、电等诸多领域，具有很高的技术密集度。

2003年10月15日，中国执行首次载人航天飞行任务的航天员杨利伟登舱前挥手致意

在压力手套实验室里，有各种材质、颜色各异、大大小小几十个“手”的模型。设计师席林斌，1993年毕业后就开始和这些“手”打交道。作为航天服压力手套的“掌门人”，一说起“手”就如数家珍。

“航天服压力手套是航天服的重要组成部分。航天员在太空中所做的工作，都要依靠它来实现。它与日常工作的手套有天壤之别，繁琐的制作工序就有500多道。

“仅仅手的模型就让我和同事们绞尽了脑汁。什么硅胶材料、石蜡、聚氨酯、树脂、石膏，什么空心的、实心的，我们做了上千只‘手模’。白天做着手模，夜里梦着手模，我们对手的敏感到了无以复加的程度。”从来对穿着毫无研究的席林斌为了研制出高强度超薄的骨架织物，竟也与纺织面料结下了“不解之缘”。

手套加工中，“浸胶”是工艺中的难点，它直接影响到手套的强度。为了保证航天服的功效不会“前功尽弃”，它必须保证能承受100多千帕的高压。为了验证手套的强度，仅爆破实验，他们就做了几十次。

航天服的每件产品都要经历无数次实验的“千锤百炼”，才能最终修成正果。

神秘的“模拟航天员”

关于“模拟航天员”要从“神舟三号”飞船的返回说起。这次返回引起了世界的广泛关注和全球航天界的震动，几乎所有的新闻媒体都登载了这一消息。引起轰动效应的一个主要原由是——中国载人航天工程指挥部在“神舟三号”飞船成功回收当天，首次向外界透露了飞船上载有“模拟航天员”，它有着与真人相一致的属性，与航天员能否上天有着直接关系。

载人航天技术比较成熟的美国和俄罗斯，在载人飞行试验初期，验证无人飞船是否符合载人的环境要求和生命保障要求时，用的是猴子等灵长类动物。而中国为什么用“模拟航天员”？这是航天史上引起人们关注和感兴趣的问题。

在太空环境里，失重、真空、强辐射、高温等不利于人生存的因素无处不在，要想保证航天员的正常生活和工作，必须在飞船座舱内建立一个适应人的环境控制与生命保障系统。那么如何检验这个系统是否工作，工作是否符合要求，就需要一套行之有效的考核方法，“模拟航天员”即拟人载荷系统由此应运而生。

用“模拟航天员”来代替动物上天，这是航天科学的一次大胆尝试。

“模拟航天员”包括形体假人、人体模拟代谢装置和拟人生理信号装置。形体假人是按照航天员的身高和体重，模拟真人姿态和质心，满足航天服的穿脱；人体代谢模拟装置能模拟真人的耗氧速率、耗氧量和产热量，能定量考核飞船内的环境控制与生命保障系统；拟人生理信号设备则能生成心电、呼吸、体温、血压等生理信号，地面科研人员通过监测“模拟航天员”的生理信息，模拟实施医学监测，并为真正的载人飞行积累经验。

这套用高科技组成的复杂装置，在20世纪90年代中期还只是航天科研人员的一个梦想。而经过8年鏖战，科研人员硬是把自己的智慧嵌进了这个梦想中，并用自己的心血和汗水使梦想成真。

62岁的陈士贵是“模拟航天员”的研制负责人，担任无人飞船拟人载荷系统的主任设计师。他和孟庆余研究员一起从拟人载荷的提出、验证到研制和使用都一一亲历。他们亲眼见证自己主持研制的拟人载荷装置全面考核了飞船内环境，为今后的载人飞行发放了通行证。搞了几十年科研的他，没有想到在事业即将“收盘”时，有这么精彩的一笔，他觉得这为自己的航天科技生涯画了一个圆满的句号，他十分满意这样的结果。

陈士贵是一个不喜欢张扬的人，他愿意把一些事情揣在心底自个儿咀嚼，可是，提起“模拟航天员”，他还是禁不住认真地给大家讲解为什么中国的无人飞船试验的是“模拟假人”而不是动物。在他认为，无论动物的选拔训练，还是在飞船上的饲养和废物收集，都是一项非常复杂的工作，而且人与动物的各项生命指标都不尽相同。比如一只成年猴子的耗氧量只相当于人的七分之一。所以在经过充分论证后，认为拟人载荷装置比动物更科学可靠，从经济角度讲，代价也不高。他说这是一个具有中国特色的科研创意。陈士贵谈及这套装置的研制时，像谈论自己的孩子，言语中透出无尽的关爱，却不大愿意多讲自己的付出。

中国的航天事业就是依靠这样一批航天老专家的执着追求发展起来的，他们以自己的人格魅力影响着一批批年轻的航天人无怨无悔地为中国载人航天工程奉献青春和才智。

董连海不到30岁就担任了拟人载荷分系统的副主任设计师，成为所里最年轻的副主任设计师。他担任“神舟三号”飞船上“形体假人”产品设计的主管，这是一个举足轻重的角色。为了做好人体代谢模拟装置的总体结构设计，他先后设计了几百张“形体假人”图纸。仅仅为了做好“形体假人”的耳朵，就反反复复了许多次。为了满足将冲击加速度测量设备安装到“形体假人”体内，而达到外形不变、质量不变的技术要求，已经设计制作好的假人需要重新制作。交付的日期迫在眉睫，然而技术要求不能打任何折扣，差之毫厘都会造成试验任务的失败。为此，在8月的酷热天气里，董连海把自己关进了实验室，身上的衣服每天都被汗水浸透了，当产品正式交付时，他的体重减了十来斤。

在“神舟三号”任务准备期间，有了一个新的任务，就是增加冲击测量设备。因为在以前的试验中，飞船上升及返回下降时的冲击力一直是测试的薄弱环节，拿不到完整的数据。如果在这一过程中，冲击力大于17个G值，就会危及航天员的生命安全。专家提出要在此次任务中增加冲击加速度测量设备，为载人积累关键数据，绝不让安全的“盲点”存在。

这项任务落在了宏峰当时所在的航天医用电子工程研究室。宏峰，航天员系统总设计师，从“神七”到“神十一”都坚守在发射场一线，是航天员中心的资深专家和管理者，1984年毕业于北京工业大学无线电专业。东北人特有的豪爽性格让他少了几分书卷气，多了些果敢坚毅和一股拼命的劲头儿。他把自己紧紧链接在航天科研的主页上，毅然放弃了许多在别人眼中极为艳羡的东西。

在试验队执行“神舟三号”飞船试验任务赴酒泉发射中心前夕，正是各项工作最繁重的时候，他的妻子却因病住进了医院，需要手术。作为丈夫，妻子住院手术，陪护是天经地义的事；作为室主任，关键时刻不能离开岗位同样是天经地义的。在两难境地面前，宏峰选择了后者。妻子住院是室里的同志帮助送去的，出院又是他们接回的。宏峰只在妻子手术后当天晚上，才匆匆赶到妻子病床前陪护了一夜。妻子的病痛让他揪心，进场前的准备工作让他牵挂。望着妻子憔悴的脸庞，他知道他亏欠妻子的太多，他真切地感到了做人的不易，做事的不易！

“神舟三号”任务中为模拟人“上妆”

在妻子出院3天后，宏峰就踏上了去发射场的征程。

在已定型的飞船中增加一件设备，可不像单单研制那样简单。飞船中重量、体积是有严格限定的，每增加一克的重量、一个立方厘米的体积都将加大发射的代价。

所以对设计增加冲击加速度测量设备的条件是非常苛刻的，不能增加配重和体积，不能从固有电源供电，不给控制信号，没有任何电性能接口，说白了就是飞船不能为这套设备增加任何辅助条件。而且还要保证设备正常运行，随时记录下在任意时间段的冲击加速度值，更大的难度是时间紧急，从提出任务到交付正样产品再到最后的装船试验，只有短短不到4个月的时间。

科研的神妙之处就是以最小的条件达到最大的目的。能不能按照要求如期完成任务，宏峰和同事们没有盲目地大包大揽，从软件研制到硬件选用，再到设备加工，他们都进行了周详的调研，同时很快组成了一个具有很强战斗力的任务组。这个组多是二三十岁的年轻人，对于这样的安排，室领导是经过充分考虑的。他们要给年轻人压担子，促使他们早日成才。

2001年5月下旬到任务的最初两天，研究室那间不大的会议室里总是充满着激烈的争论。这是智者的思维摩擦，也是勇者的意志交锋，他们围绕着同一个焦点，毫不保留，毫无遮掩地厮杀。经过反复争论、调研、论证，他们决定不另增加体积和重量，就在形体假人上做文章：没有电信号接口，就自备电源；不给控制信号，就设置预值，通过软件即时记录……一个个理论问题在讨论中清晰了，而且形成了意想不到的共识。2001年5月31日，上级组织专家召开正样产品设计方案评审会，他们的方案又以意想不到的顺利正式通过。

自然科学的规律告诉我们，从方案到成果，还有一段漫长的坎途。打通这段阻隔，还得靠无数奋斗者的心血和汗水。

“神舟四号”成功返回

“2001年5月22日提出任务；2001年5月31日召开正样产品设计方案评审；2001年7月初与协作单位合作工艺样机；2001年8月18日交第一套正样产品；2001年8月20日系统桌面联试；2001年8月31日全任务模拟试验；2001年9月14日飞船试验。”说起与时间赛跑的时日，科研组的同志很难忘记当时他们以超速行动解决电源的一幕。选用什么电源，在当时是一个相当紧迫的问题。按照性能讲，锂电池优于别的种类。但是锂电池超时使用，易发生泄爆，而飞船要在太空中飞行7天7夜，如果不能保证有大容量的电源，发生泄爆，就好比飞船放了颗定时炸弹，后果不堪设想。最后，他们选择了最具有可靠性的实验。他们进行无数次的测试，严格记录电池的出厂和使用时间，将电池的耐受时间精确到秒。为保证万无一失，还克服了电池体积与容量的矛盾，将电池使用时间延长到飞船实际飞行时间的一倍，确保了设备的正常运行。他们终于拿出了满足所有苛刻条件、完全符合测试要求的设备。

“神舟五号”飞船亮相

2001年4月1日，这是研究室的科研人员把酒祝捷的日子，也是担任“冲击加速度测量设备研制”的课题组全体成员心底悬起的那块石头徐徐落地的日子。因为在这个看似平常的日子里，中国航天人自行设计制造的“神舟三号”飞船成功回收了，飞船上的航天医用电子工程系统完全经受住了检验，特别是课题组的多项产品无一出现问题。被航天专家称为神秘“黑匣子”的冲击加速度测量设备，在“神舟四号”飞船试验中，完成了科研人员赋予它的新使命，取得了多项科学数据，为载人飞行提供了更为可靠的依据。

那一天，远在内蒙古执行任务的工作人员在第一时间将 “黑匣子”的冲击加速度测量设备从落区急速运回北京，任务组的同志连夜对测试数据进行分析判读……当单位领导向紧张等待测试结果的工程指挥部首长汇报了设备完全满足设计要求、得出非常圆满的测试结果后，连续煎熬了近百个夜晚的老专家和年轻的科技人员再也抑制不住激动的心情，紧紧地拥抱在一起。