神舟十五号任务：空间站建造与应用关键“交接棒”

文/胡蓝月 戴敬宜

2022年11月29日23时08分，长征二号F运载火箭托举神舟十五号载人飞船起飞，飞船顺利进入预定轨道并与空间站对接。11月30日7时33分，神舟十五号载人飞船舱门开启，航天员费俊龙、邓清明、张陆进入“天宫”，与神舟十四号乘组3名同事激动拥抱。中国首次实现空间站三舱三船构型及6名航天员“太空会师”。

这是中国开展的第十次载人航天飞行任务，可以说是空间站建造阶段的“最后一棒”，也是空间站应用与发展阶段的“第一棒”。“神十五”乘组将在轨生活6个月，开展空间站三舱状态长期驻留的验证工作，进行40余项空间科学实验和技术试验，验证货物气闸舱出舱工作模式，还将迎接天舟六号货运飞船、神舟十六号载人飞船，计划于2023年5月返回地面。

▲ 两批航天员在轨交接

“生命之舟”天上聚首

神舟系列载人飞船由轨道舱、返回舱和推进舱构成，共有14个分系统，是我国可靠性、安全性要求最严苛的航天器。

神舟十五号载人飞船曾是“打一备一”的应急救援飞船。其实，每艘神舟飞船在上天前都要经历“转正”的过程。作为应急救援飞船时，神舟十五号载人飞船已经具备发射条件，被封存在恒温恒湿的洁净软罩里。正式进入发射流程后，在完成检查、测试、加注等一系列工作后，飞船被装入整流罩内，与竖立在厂房中的长二F火箭合二为一。

“神十五”发射面临着接近零下20摄氏度的严寒挑战，发射场配置了两套整流罩内送风设备，按照温度上限进行送风，为航天员提供温暖舒适的环境。同时，针对待发段可能出现送风温度偏低的故障情况，团队制定了风险控制预案，保证返回舱和推进舱推进剂温度满足发射要求。

发射前6个小时，操作人员在飞船轨道舱内安装了一些“时鲜”物资，包括生物实验项目所需的线虫、植物，对环境要求很高。为此，科研人员打造了一条运输“冷链”，在发射前快速装货，确保时效性。享受类似待遇的还有新鲜水果，作为空间站里最受航天员欢迎的食品之一，苹果、葡萄等以最新鲜饱满的状态抵达空间站。飞船内还有食品加热装置，可以保证航天员享用饮食更舒心。

神舟十五号载人飞船与空间站组合体前向对接，与“神十二”任务相同，但空间站组合体的重量从约40吨增至近百吨，对接过程中的撞击力更强，风险更大。为此，研制队伍在地面通过捕获缓冲试验，验证了对接机构在31种工况下的捕获缓冲能力，运动精度横向偏差可以控制在1毫米以内，角度偏差控制在0.1度以内。这个批次4艘神舟飞船的对接能力从8吨级覆盖至180吨级，在交会对接微波雷达、声表滤波器、高精度加速度计等一系列设备助力下，可以安全对接空间站。

▲ 长征二号F运载火箭托举神舟十五号载人飞船升空

本次任务中，中国空间站第一次同时停靠2艘神舟飞船在轨工作，给飞船身份识别和在轨控制带来了新挑战。从外观看，“神十四”“神十五”完全一样。在空间站内，航天员交接期间在舱门口贴了“门牌号”，确保不会进错门。在飞控中心，研制人员为区分“两兄弟”，给每艘飞船一个特定的标识符，像身份证号一样加入上行、下行的信息中，避免天地数据传输混淆，清晰高效地同时控制两艘飞船在轨工作。

航天员轮换期间，空间站通过不同的对接总线代传两船遥测，确保两船信息传输的唯一性和正确性。空间站系统同时向两船通风热支持，送风量根据两船不同的热环境进行合理分配，且可根据需求进行分档调节。此外，研制人员为两船在轨制定了紧急撤离方案，统筹考虑6名航天员与2艘载人飞船的撤离时序，通过大量模拟推演保障航天员的生命安全。

在轨任务期间，“神十五”采用并网供电工作模式，可根据任务适时进行调整。值得注意的是，飞船的并网供电策略不是一味地要求空间站提供最大的能量，而是根据空间站组合体不同的运行状态和飞船太阳帆板遮挡情况，结合飞船工作模式，既能维持飞船系统稳定停靠运行，又尽量给空间站“减负”，属于动态用电模式。

为了高效满足神舟飞船滚动生产、“打一备一”的任务需求，研制人员实现了酒泉-北京异地“云测试”和“云飞控”。所谓“云测试”，就是团队技术骨干无论身处何处，都能为飞船做“体检”；所谓“云飞控”，意味着飞船完成关键动作期间能得到权威专家全力支持。

▲ 两批乘组“太空会师”期间，空间站实现三舱三船构型

后续，“打一备一”、两船同时停靠、6名航天员在轨交接的运行模式将成为空间站新常态。神舟载人飞船研制团队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，使载人飞船出厂前的研制流程由17个月减少至14个月，发射场测发流程由59天优化至46天。

新一批次6艘神舟飞船将在不久后以崭新的姿态亮相航天舞台。目前，神舟十六号飞船已经总装测试完毕，作为应急救援飞船在酒泉卫星发射中心待命；神舟十七号、神舟十八号、神舟十九号飞船正在滚动研制中。

从2021年4月天和核心舱发射到此次任务实施，在19个月内，中国密集实施11次发射、7次航天员出舱，4个乘组12名航天员接续在轨工作，如期完成空间站“T”字基本构型组装建造。接下来，空间站将转入为期10年以上的应用与发展阶段，初步计划每年发射2艘载人飞船和2艘货运飞船。

如何管好用好中国空间站？除了天地加强沟通协作外，航天科技集团五院总体设计部建立了全寿命周期数字化空间站模型，将数字空间站与在轨空间站、地面电性空间站共同构成运营体系，提供任务前的仿真预示、任务中的数字伴飞、任务后的状态评估等支持，助力飞行任务成功，极大提升了空间站研制和运营效率，相关成果已直接推广应用于后续载人登月与深空探测任务。

▲ 神舟十五号载人飞船测试中

▲ 飞往空间站途中的航天员

▲ 神舟十五号载人飞船对接空间站组合体

关键之“战”“神箭”再升级

长征二号F运载火箭是中国第一型载人火箭，也是中国现役唯一具有故障检测系统和逃逸系统的火箭。自1999年首飞以来，它已成功发射15艘神舟飞船和1个目标飞行器、1个空间实验室，成功率达100%，享有“神箭”美誉。

载人航天工程实施中有两个阶段最危险，一是火箭上升段，二是飞船返回段。在火箭上升段，长二F火箭要经受最恶劣的力、热等环境考验，温度高，震动量级大，飞行时间短，干预手段有限。曾经，长二F火箭在创新突破的道路上大步向前，它是中国最早实现“三垂一远”发射模式的火箭，被新一代运载火箭沿用；为长二F火箭制定的元器件筛选等级是名副其实的高标准、严要求，促使一批生产厂家提升水平；长二F火箭还是最早推行软件工程化的型号，为后续火箭信息化、智能化发展打下了基础。如今，长二F火箭的改进更加谨慎，许多技术在其他型号上反复打磨验证后才使用，确保安全可靠地把航天员送上太空。

据悉，这是新批次长二F火箭和全新的地面设备首次应用于载人发射任务，对比上一发火箭，进行了全面升级优化，其中技术状态改进45项，测发控、供配气等地面设备改进11项。火箭研制人员重点消除一些发现和认识到的薄弱环节，在提高可靠性方面进行了26项技术状态变化和更改。目前，火箭的可靠性指标提升至0.9895，安全性指标达0.99996。

一直以来，长二F火箭都是“零窗口”发射。长二F火箭副总设计师刘烽介绍，本次任务采用起飞时间偏差修正技术，即便火箭点火时间出现偏差时，仍可以在一定范围内自动修正轨道，完成入轨和交会对接任务。通过调整火箭飞行参数，保证入轨点的指标要求，确保火箭入轨精度，为拓宽火箭发射窗口打下了基础。

研制人员还对火箭的遥测系统发射机、导航接收机完成了改进升级，进一步拓展了北斗导航卫星的接收通道数量，火箭的入轨精度也更高。

长二F火箭控制系统主任设计师周涛介绍，从长二F火箭遥八开始，火箭制导技术不断迭代，在近地点高度200千米的位置，火箭精度能达到米级。

此外，发射场地面测发控设备实现了更新换代。升级后的地面设备继续沿用1.5千米远距离发控方案，试验队对射前关键设备采取冗余设计，减少单点的风险，确保火箭顺利上天。同时，云技术使得信息浏览、站点布设更加方便，极大提升了工作效率和工作体验。

在控制系统上，通过产品化设计，多个型号可共用，减少了重复试验和分析。在确保可靠性、安全性、冗余度的基础上，测发控系统地面设备由50多台整合为30多台，体量、体积进一步减少。控制系统和利用系统融合为一，使岗位人员减少一半。总之，火箭的可靠性、安全性和抗风险能力有所提高，射前发射流程操作更加自动化、更简便，降低了人为操作失误风险。

在空间站运营阶段，长二F火箭将继续采用“发射1发、备份1发”的模式，2发火箭轮流“站岗”。进入值班状态的火箭如果接到应急救援命令，将迅速完成8.5天发射流程，实施应急救援发射，保障航天员的生命安全。