护航神舟飞天路的硬核科技

“兵马未动，粮草先行”天舟三号满载物资“翘首以盼”

“兵马未动，粮草先行。”神舟十三号乘组要在轨驻留6个月，为此，在神舟十三号发射一个月前，“快递小哥”天舟三号货运飞船就满载物资，发往太空。

在太空中生活，航天员最离不开的物资当属气瓶。太空环境接近真空，而气瓶能为空间站中的航天员提供适宜的大气环境。

“可别小看了这个气瓶，它是用特种复合材料制成的，可以充至300倍大气压力，这样充一瓶氧气就能供航天员使用很长时间。”中国航天科技集团一院火箭总体设计师钱航说。

除了空气，在空间站长期生活，水资源也必不可少。这次，天舟三号带了多组“水囊”包装的水箱。这种包装材料轻质、柔软，不仅可以保证饮水安全，在饮水用尽后，还更方便收纳。

这些货物中，最“金贵”的还要数重达90多千克的舱外航天服，能为航天员提供太空中生存所需的供氧、调温、辐射防护等。值得一提的是，天舟三号还特别为女航天员王亚平准备了女性服装、卫生用品和化妆品。

除了以上特殊货物，天舟三号随身携带的其他货物都采用标准化、型谱化的货包装载。这些货包不仅具有良好的力学承载性能，还有抗菌、防霉、阻碍燃烧、无有害气体挥发等特点。

从颠簸震动到舒适加倍航天员火箭“专列”再升级

神舟十三号发射升空，伴随着巨大的火箭尾焰和轰鸣声，从直播画面中看到，3名航天員的神情似乎与在地面无异，也没有明显的摇晃。

与之形成鲜明对比，在神舟五号载人飞行任务中，当火箭飞行到三四十千米的高度时，火箭和飞船发生了急剧抖动，产生共振，让杨利伟承受了极大的不适。后来，杨利伟在《太空一日》中回忆了那“难以承受的26秒”：“痛苦的感觉越来越强烈，五脏六腑似乎都要碎了。我几乎难以承受，觉得自己快不行了。”

这个让人很不舒服的共振曾是一个世界级航天发射难题。早在20世纪60年代，美国发射大力神火箭过程中，就出现过持续30秒的振动；法国火箭也曾出现过类似问题，影响了搭载卫星的寿命。

如何让这26秒不再“难以承受”？试验人员经过测算分析，认为“病根”可能出在氧化剂上：当氧化剂中燃料的振动频率和火箭结构的振动频率接近时，很可能发生结构与液体耦合的发散振动。经过试验分析，结论印证了此前的推测：问题出在火箭的POGO振动（纵向耦合振动）上。

找到问题根源后，长二F火箭研制团队着手改进火箭性能。首先，研制人员通过减少火箭助推器蓄压器上的膜盒，减小振动量级和时间，但振动问题仍未完全解决。研制团队再次优化设计，将助推器蓄压器改为变能量蓄压器。这个装置能够吸收燃料振动时产生的能量，改变燃料的振动频率。燃料的振动频率和火箭结构的振动频率不再接近，火箭因此就不会产生POGO振动。

逃逸系统安全可靠为“生命之舟”保驾护航

与其他型号火箭不同，长二F火箭顶部有一根瘦长的“避雷针”——逃逸系统。假如火箭突发意外情况，逃逸飞行器会像“拔萝卜”一样带着返回舱飞离故障火箭。但开伞过程中，返回舱会受到地面低空风的极大影响。

此前，逃逸飞行器只能往一个固定的方向逃逸，存在安全风险。“如果逃逸飞行器只能向东逃逸，正好这时地面吹来一股向西的风，这样，返回舱处于开伞状态时，很可能又被吹回到故障火箭附近，航天员就会陷入危险。”长二F火箭副总师刘烽说。

为确保航天员安全，研制人员对长二F火箭逃逸安控体制进行改进，提高了保密安全性能和抗干扰性能。研制人员在现有控制逃逸发动机的基础上，新增发动机点火功能，使逃逸飞行器可以向垂直于地面风的方向逃逸，更加安全、灵活。

比如，地面刮的是南北风，现在逃逸能力提升了，可以提前选择与南北风垂直的方向逃逸，避开地面风。逃逸系统改进后，长二F火箭的安全性指标评估值达到0.999 96的国际先进水平，即发射10万次，才会有4次逃逸失败。

“原材料是用在逃逸发动机上的关键组分，组分虽小，作用却很大，可以保证配方的稳定性和可靠性，这就要求我们精益求精，确保原材料生产质量万无一失。”航天四院42所的研制人员说。从神舟一号到神舟十三号，航天四院42所提供的逃逸系统发动机动力源均圆满完成任务。

飞船舱体密封件100%合格率保证航天员的生命安全

作为飞船内空气环境和航天员生命安全的“保护神”，航天四院42所研制的飞船舱体密封件是飞船舱体结构密封的关键部件。

自1999年神舟系列载人飞船飞行以来，航天四院42所已为飞船总体单位提供万余件密封件，一次性检验合格率均为100%。虽然是“成熟产品”，但是航天四院42所的研发人员知道，“必须精益求精、100%完美，才能保证航天员的生命安全”。

由于太空条件极其苛刻，长期在轨工作对空间站动、静结构与机构的密封件使用寿命和性能都提出了更高要求，这些密封件产品误差不能超过0.01毫米，相当于一根头发丝1/5的精度。“哪怕是一个细小的零部件，都关乎航天员的生命安全，容不得半点马虎。”密封件研制负责人之一王凡说。

空间站各舱体是独立的“房间”，舱门是连接和隔离空间站各舱体的重要机构，频繁关闭舱门，要求舱门密封件既要严丝合缝，更要经久耐用，对舱门密封件的密封性能和耐久性提出了极高要求。

密封材料对空间环境下的使用性能有着严苛的考核，一个舱门密封材料就有低温、老化、撕裂强度、气味、防霉等考核指标近20项。王凡和同事们一起，对标各项指标稳扎稳打、步步为营，研制的产品成功经受了地面8万次的疲劳试验，并通过多重环境试验，满足在轨长寿命要求。

与此同时，在王凡看来，出舱活动时舱外航天服活动关节的灵活性显得尤其重要，航天四院42所还承担了舱外航天服上连接处密封件的研制与生产。“我们的航天服连接处密封件，能够耐受空间环境的考验，确保密封严丝合缝、航天服关节灵活自如、空间环境适应性良好，各项空间环境耐受性能均达到国外同类材料水平，满足空间飞行器卫生学标准。”王凡介绍。

“万里穿针”再次上演径向对接首次太空验证

神舟十三号载人飞船采用自主快速交会对接模式，成功对接于天和核心舱径向端口，径向对接技术首次得到太空验证。

专家解释，所谓“径向对接”，就是指航天器从空间站组合体的下方垂直向上对接。在这之前，我国在太空进行的飞船交会对接都是水平方向的，包括前方交会和后方交会。

专家表示，径向交会技术难度极大，我国此前还未在太空中进行过验证。在太空中的对接是“万里穿针”的难度。从神舟十二号开始，我国的载人飞船新增了自主快速交会对接、径向交会对接和180天在轨停靠能力。在太空中“相遇”后，两个航天器会在空间轨道上合并在结构上连成一个整体，这是载人航天活动的三大基本技术之一，是实现空间站和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨服务的先决条件。

在神舟十二号之前，神舟飞船及航天员已经掌握了自动交会对接和手动交会对接技术。神舟十三号为什么要采用径向对接的方式？

专家介绍，神舟十三号之所以选择径向对接的方式与天和核心舱进行对接，是因为空间站接口有限，在前后对接上后，径向对接就成为一种选择，可以充分利用核心舱下的空间，不仅有节约燃料的考虑，还可以为2021年已经“安排上了”的实验舱发射和搭建作准备。“虽然是‘万里穿针，但一定会越‘穿越熟练。这一次交会对接的时间缩短到6.5小时就是个明证。”专家表示。

根据发射日程，大约在2021年底，我国将要发射太空实验舱。届时，“丁”字形的实验舱组合，将在搭建时也用上径向对接技术。空间站核心舱的对接口也不会完全在同一个水平方向上，因此，径向对接是航天器必须要掌握的一项对接技术。

创新综合测试模式完成“神舟筑梦”密码

在神舟飞船试验队中，通过创新变革带来效率提升的例子很多，综合测试就是其中的典型代表。

综合测试是指从总装到发射对整船工作进行数据判读，确保每一个时间节点都达到相应的状态。“如果达不到，可能会触发故障机制，严重时甚至中止发射。”神舟飞船综合测试主任设计师刁伟鹤说。

当前，神舟飞船的高密度发射对综合测试的专业能力提出了较高要求。靠人海战术去拼显然不可取，再说，哪来这么多测试人员？

经过几年探索，“神舟”团队找到一种新的测试模式。神舟十二号飞船电测之前，研制团队把所有分系统相关人员召集过来，专门花了4个月时间对6 000多个参数进行了判据的设计、推演和验证。不仅验证了正常数据，还通过“钓鱼执法”人为制造了一些故障数据，结果被一一识破。

累计1 800多个小时的验证，最终打消了各方的疑虑。“不会漏判、不会错判，因为每一条我们都做了验证。”刁伟鹤说。

新模式变革带来的效益非常显著。完成一艘飞船的综合测试，神舟十一号需要40人，神舟十二号是30人，到了神舟十三号仅需20人。时间也压缩了，神舟十一号是70天，神舟十二号任务时两艘船仅需70天，神舟十三号任务时两艘船进一步压缩到45天。

刁伟鹤说：“在自动化判读上，我们追求‘一劳永逸，因为我们面对的是空间站10年运营的考验。同时我也相信，别的型号不会有这么大的驱动力。”

神舟飞船的每一次发射升空都是全國人民关注的焦点。随着中国空间站建造任务的推进，“神舟”团队面临空前的考验，他们正以最大的努力、最积极的思考、最主动的行为、最广泛的智慧去推动航天制造业的变革。

或许，这才是这支队伍能够接下一个个难如登天的任务、顺利完成中华民族“神舟筑梦”的密码。