中新網(wǎng)10月16日電題：神奇軌道艙--雙重功能建奇功
——中國(guó)神舟神箭研制的12大攻關(guān)奇跡之七
作者：周武
我國(guó)的神舟號(hào)飛船外形與俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船很像，在功能上卻有很大的不同，最主要的不同是在軌道艙上。神舟號(hào)飛船的軌道艙兼有宇航員生活艙和留軌試驗(yàn)艙兩種功能。與返回艙分離后，軌道艙還將在軌道上停留半年，相當(dāng)于一顆人造衛(wèi)星的功用，進(jìn)行一系列科學(xué)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)它還能作為未來(lái)空間交會(huì)對(duì)接的一個(gè)飛行器。
頗具中國(guó)特色的神奇軌道艙，主要是在艙外加了一對(duì)太陽(yáng)能電池陣，又在宇航員返回后單獨(dú)在軌道停留半年。這一“加”一“留”，說(shuō)起來(lái)輕巧，對(duì)科研人員來(lái)說(shuō)，卻是出了一大堆的難題。令人高興的是，在攻克一道道難題中，我國(guó)不但取得了一系列的技術(shù)突破，也為未來(lái)研制低軌道長(zhǎng)壽命飛行器打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三艙設(shè)計(jì)為留軌實(shí)驗(yàn)埋下伏筆
載人航天工程立項(xiàng)前后，有一段小插曲。這就是對(duì)我們自己的飛船做成兩艙還是三艙的爭(zhēng)論。
早期的飛船都是采用兩艙設(shè)計(jì)，如前蘇聯(lián)的東方號(hào)、上升號(hào)，美國(guó)的水星崐號(hào)、雙子星座號(hào)飛船都是采用兩艙設(shè)計(jì)。隨著技術(shù)的發(fā)展和飛船飛行任務(wù)的日益復(fù)雜，兩艙式飛船不能滿足航天員對(duì)活動(dòng)空間的需求，美國(guó)阿波羅飛船和俄羅斯(前蘇聯(lián))聯(lián)盟號(hào)飛船等第三代飛船都是按三艙方式設(shè)計(jì)。我國(guó)飛船到底從那起步呢?
據(jù)中國(guó)空間技術(shù)研究院的人員介紹，1991年4月，中國(guó)空間技術(shù)研究院成立了載人飛船論證組，由范劍峰任組長(zhǎng)，李頤黎任副組長(zhǎng)。在8個(gè)月的論證中，中國(guó)空間技術(shù)研究院出現(xiàn)了3種方案：三艙方案、兩艙方案和硬通道方案。
三艙方案就是現(xiàn)在神舟號(hào)飛船采用的，軌道艙在最上面，返回艙在中間，推進(jìn)艙在最下面。采用三艙結(jié)構(gòu)增加了一個(gè)軌道艙，它是航天員在太空自由飛行時(shí)的生活艙和工作艙，航天員返回地面之前將其分離掉，這樣返回艙就可以適當(dāng)減小尺寸，以供航天員上升和返回使用。這種方案的缺點(diǎn)是發(fā)射段救生復(fù)雜。
兩艙方案是沒(méi)有軌道艙，從救生的角度來(lái)說(shuō)，逃逸系統(tǒng)只需帶走兩艙，救生簡(jiǎn)單。但如果載3名航天員的話，他們生活用品必須都放在返回艙中，返回艙直徑必須做到3米以上，這會(huì)帶來(lái)一系列技術(shù)難點(diǎn)：發(fā)射時(shí)火箭整流罩也要加大，對(duì)火箭來(lái)說(shuō)，頭大意味著不穩(wěn)定;返回時(shí)的降落傘也要加大，現(xiàn)在2.5米直徑的神舟號(hào)飛船返回艙就需1200平方米的降落傘；而且，返回艙把不需要帶回的都帶回了，無(wú)形中加大返回艙的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。
硬通道方案也是采用三艙，但返回艙在最上面，它采用一個(gè)外置剛性通道來(lái)連接返回艙和軌道艙，航天員可以通過(guò)通道進(jìn)入軌道艙。這種方案因?yàn)榉祷嘏撛谧钌厦�，救生最容易，但這種通道的設(shè)計(jì)很難在技術(shù)上做到實(shí)用可靠，通道太大了，影響發(fā)射，太小了達(dá)不到目的。有趣的是專(zhuān)家們還真設(shè)計(jì)了這種通道,有的專(zhuān)家還專(zhuān)門(mén)爬過(guò)，事后覺(jué)得太困難了，想想航天員身穿航天服爬起來(lái)恐怕更難。
最后，中國(guó)空間技術(shù)研究院論證的結(jié)果主要集中在三艙方案和兩艙方案之爭(zhēng)上。在中國(guó)空間技術(shù)研究院上報(bào)方案的同時(shí),上海航天技術(shù)研究院和中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院也把自己的方案報(bào)到了航天部。上海航天技術(shù)研究院和中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院都報(bào)的是三艙模式,中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的方案中還設(shè)計(jì)了一個(gè)大軌道艙，用作留軌實(shí)驗(yàn)。航天部專(zhuān)家評(píng)審組經(jīng)過(guò)一番比較,最終采納了三艙方案，并形成了神舟模式--軌道艙＋返回艙＋推進(jìn)艙、兩對(duì)太陽(yáng)電池陣構(gòu)型和升力控制返回、圓頂降落傘回收方案。
根據(jù)國(guó)情需要軌道艙留軌半年
軌道艙位于飛船的前部，為密封結(jié)構(gòu)，其外形為兩端帶有錐角的圓柱形，在兩側(cè)各裝有可繞單軸旋轉(zhuǎn)的太陽(yáng)電池陣，在外部還裝有太陽(yáng)敏感器和各種天線等，在不執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)，軌道艙前端安裝的是附加段，在執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)時(shí)軌道艙前部安裝一個(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)。其功能和用途為：航天員在軌道飛行期間的生活艙；有效載荷試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)艙；交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)時(shí)的目標(biāo)飛行器；航天員出艙活動(dòng)時(shí)的氣閘艙；以及作為天地往返運(yùn)輸器時(shí)的貨艙。軌道艙內(nèi)裝有船上各分系統(tǒng)為飛船自主飛行和留軌飛行工作所需的設(shè)備及有效載荷，有效載荷包括用來(lái)進(jìn)行空間環(huán)境觀測(cè)的各種相機(jī)、多模態(tài)微波遙感器和空間物理觀測(cè)設(shè)備。這些設(shè)備分裝于軌道艙內(nèi)兩側(cè)，中間可作為航天員在太空中的生活空間。
我國(guó)的國(guó)情是物盡其用，一次試驗(yàn)，多方收效。神舟飛船的目的不僅僅是為了載人，它還有一系列的對(duì)地觀測(cè)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：除繼續(xù)進(jìn)行對(duì)地觀測(cè)和空間試驗(yàn)外，重點(diǎn)完成出艙活動(dòng)、交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)和發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室。利用留軌艙進(jìn)行交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，可充分利用飛船的技術(shù)成果，研制出一個(gè)空間實(shí)驗(yàn)室，解決我國(guó)一定規(guī)模的空間應(yīng)用問(wèn)題，以彌補(bǔ)飛船的有效載荷少、飛行時(shí)間短、單位有效載荷發(fā)射成本太高的缺陷，使我國(guó)盡早建立起相對(duì)完整配套的載人航天工程體系。以載人飛船為天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，使之能長(zhǎng)期運(yùn)行，短期內(nèi)有人照料，可以進(jìn)行較大規(guī)模的空間應(yīng)用活動(dòng)。
早在1987年~1988年，載人航天工程早期論證中，航天部老專(zhuān)家任新民去508所視察時(shí)，就對(duì)508所參與論證的人員提出能不能搞一個(gè)留軌方案，要不航天員飛行7天返回后，軌道艙就被扔掉太可惜。在載人航天工程立項(xiàng)后，我國(guó)航天專(zhuān)家進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，給軌道艙安上了一對(duì)太陽(yáng)電池陣，讓它具備180天的留軌能力。
從已發(fā)射的神舟飛船情況看，我國(guó)飛船留軌實(shí)驗(yàn)已取得豐碩成果。如神舟四號(hào)留軌的8臺(tái)空間環(huán)境探測(cè)儀器隨軌道艙在軌運(yùn)行期間，對(duì)飛船運(yùn)行軌道進(jìn)行了更詳細(xì)的監(jiān)測(cè)，為研究和預(yù)報(bào)空間環(huán)境，改進(jìn)飛船設(shè)計(jì)等提供數(shù)據(jù)服務(wù)，為載人飛船的正式飛行充當(dāng)了“偵察兵”的作用。地球有60%-70%被云層覆蓋，由微波輻射計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)、雷達(dá)散射計(jì)三種模態(tài)儀器構(gòu)成的多模態(tài)微波遙感崐器，不論刮風(fēng)下雨和白天黑夜都能全天候全天時(shí)的工作，彌補(bǔ)了可見(jiàn)光、紅外技術(shù)在惡劣天氣下不能工作等缺陷。這種遙感器的上天和正常運(yùn)行，結(jié)束了我國(guó)航天沒(méi)有多模態(tài)微波遙感的歷史。中國(guó)科學(xué)院的專(zhuān)家認(rèn)為，如果這種遙感器用于今后的海洋和氣象衛(wèi)星上，對(duì)進(jìn)一步分析海洋災(zāi)害、資源、風(fēng)場(chǎng)，海洋動(dòng)力環(huán)境和海氣能量的轉(zhuǎn)換等方面都會(huì)產(chǎn)生重要的作用和影響。在攻關(guān)中獲得一系列技術(shù)突破
留軌半年，軌道艙相當(dāng)于一顆衛(wèi)星，但又不同于我國(guó)以前的衛(wèi)星。它的軌道高度大約在350千米~400千米，而我國(guó)通信衛(wèi)星的軌道高度在36000千米；返回式衛(wèi)星軌道高度在180千米~400千米，但運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)也不過(guò)15天，可以說(shuō)，在低軌道長(zhǎng)壽命衛(wèi)星研制方面，我國(guó)并無(wú)太多的經(jīng)驗(yàn)，因此軌道艙留軌狀態(tài)下的崐設(shè)計(jì)也必須在摸索中完善。由于任務(wù)的特殊性，軌道艙在設(shè)計(jì)時(shí)帶來(lái)了許多的特殊要求。為使軌道艙長(zhǎng)期保持對(duì)地定向狀態(tài)又不消耗過(guò)多推進(jìn)劑，采用了動(dòng)量輪姿態(tài)控制技術(shù)。
在載人時(shí)，軌道艙是航天員的生活艙，艙內(nèi)溫度要求保持在21℃±4℃，而留軌實(shí)驗(yàn)后，卻不需要保持這種溫度。如何解決軌道艙任務(wù)不同時(shí)的溫差問(wèn)題？據(jù)中國(guó)空間技術(shù)研究院飛船總體室副主任朱樅鵬介紹，衛(wèi)星都采用被動(dòng)溫控，類(lèi)似穿“棉衣”的辦法，以“棉衣”來(lái)保溫，熱了敞開(kāi)扣子。軌道艙則采用主動(dòng)溫控，類(lèi)似于空調(diào)的辦法，采用流體工質(zhì)通過(guò)回路從高到低散熱，來(lái)保持載人時(shí)艙內(nèi)恒溫。針對(duì)留軌時(shí)的要求，專(zhuān)家們還想出了一個(gè)類(lèi)似“百葉窗”的辦法，在軌道艙艙壁兩側(cè)安裝了散熱裝置，載人階段，“百葉窗”關(guān)閉，留軌時(shí)打開(kāi)進(jìn)行散熱。
考慮到長(zhǎng)達(dá)半年的宇宙輻射累計(jì)下來(lái)會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)造成影響，在芯片材料和軟件方面，我國(guó)已采取了相應(yīng)的措施，從神舟二號(hào)飛船到神舟四號(hào)的情況看，留軌艙上的計(jì)算機(jī)表現(xiàn)正常。
而長(zhǎng)時(shí)間的空間輻射卻給太陽(yáng)能電池壽命帶來(lái)了一些問(wèn)題，并引起整個(gè)軌道艙壽命降低。據(jù)飛船副總設(shè)計(jì)師鄭松輝介紹，衛(wèi)星在軌運(yùn)行中，當(dāng)處在陽(yáng)照區(qū)時(shí)，電池充電，在陰影區(qū)時(shí)放電，通信衛(wèi)星由于軌道位置高，大部分時(shí)間位于陽(yáng)照區(qū)，可以靠太陽(yáng)能直接供電，充放電次數(shù)很少；而軌道艙的軌道周期約為90分鐘，陽(yáng)照區(qū)和陰影區(qū)不斷交替，電池需要不斷地充放電，這對(duì)電池壽命影響很大。而且，由于對(duì)空間環(huán)境的認(rèn)識(shí)不足，加上在地面上無(wú)法完全模擬空間環(huán)境，在幾艘飛船的太陽(yáng)能電池陣的設(shè)計(jì)中，中國(guó)空間技術(shù)研究院和上海航天技術(shù)研究院的專(zhuān)家通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，逐漸認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的癥結(jié)：高空原子氧對(duì)飛行器表面的腐蝕和氧化作用造成了太陽(yáng)電池壽命降低。現(xiàn)在專(zhuān)家們已通過(guò)在太陽(yáng)電池陣上貼膜來(lái)逐步解決。
通過(guò)對(duì)留軌試驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題的解決，我國(guó)航天專(zhuān)家已對(duì)長(zhǎng)壽命低軌道衛(wèi)星設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)我國(guó)載人航天工程來(lái)說(shuō)，最終目的不僅僅是載人，而是在人的參與下對(duì)空間資源的開(kāi)發(fā)利用，留軌實(shí)驗(yàn)將為這一切打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
