中新網(wǎng)10月16日電題：神奇軌道艙--雙重功能建奇功
——中國神舟神箭研制的12大攻關(guān)奇跡之七
作者：周武
我國的神舟號飛船外形與俄羅斯聯(lián)盟號飛船很像，在功能上卻有很大的不同，最主要的不同是在軌道艙上。神舟號飛船的軌道艙兼有宇航員生活艙和留軌試驗艙兩種功能。與返回艙分離后，軌道艙還將在軌道上停留半年，相當于一顆人造衛星的功用，進(jìn)行一系列科學(xué)實(shí)驗，同時(shí)它還能作為未來(lái)空間交會(huì )對接的一個(gè)飛行器。
頗具中國特色的神奇軌道艙，主要是在艙外加了一對太陽(yáng)能電池陣，又在宇航員返回后單獨在軌道停留半年。這一“加”一“留”，說(shuō)起來(lái)輕巧，對科研人員來(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(cháng)壽命飛行器打下了堅實(shí)的基礎。三艙設計為留軌實(shí)驗埋下伏筆
載人航天工程立項前后，有一段小插曲。這就是對我們自己的飛船做成兩艙還是三艙的爭論。
早期的飛船都是采用兩艙設計，如前蘇聯(lián)的東方號、上升號，美國的水星崐號、雙子星座號飛船都是采用兩艙設計。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展和飛船飛行任務(wù)的日益復雜，兩艙式飛船不能滿(mǎn)足航天員對活動(dòng)空間的需求，美國阿波羅飛船和俄羅斯(前蘇聯(lián))聯(lián)盟號飛船等第三代飛船都是按三艙方式設計。我國飛船到底從那起步呢?
據中國空間技術(shù)研究院的人員介紹，1991年4月，中國空間技術(shù)研究院成立了載人飛船論證組，由范劍峰任組長(cháng)，李頤黎任副組長(cháng)。在8個(gè)月的論證中，中國空間技術(shù)研究院出現了3種方案：三艙方案、兩艙方案和硬通道方案。
三艙方案就是現在神舟號飛船采用的，軌道艙在最上面，返回艙在中間，推進(jìn)艙在最下面。采用三艙結構增加了一個(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)，逃逸系統只需帶走兩艙，救生簡(jiǎn)單。但如果載3名航天員的話(huà)，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，對火箭來(lái)說(shuō)，頭大意味著(zhù)不穩定;返回時(shí)的降落傘也要加大，現在2.5米直徑的神舟號飛船返回艙就需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構質(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。這種方案因為返回艙在最上面，救生最容易，但這種通道的設計很難在技術(shù)上做到實(shí)用可靠，通道太大了，影響發(fā)射，太小了達不到目的。有趣的是專(zhuān)家們還真設計了這種通道,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，中國空間技術(shù)研究院論證的結果主要集中在三艙方案和兩艙方案之爭上。在中國空間技術(shù)研究院上報方案的同時(shí),上海航天技術(shù)研究院和中國運載火箭技術(shù)研究院也把自己的方案報到了航天部。上海航天技術(shù)研究院和中國運載火箭技術(shù)研究院都報的是三艙模式,中國運載火箭技術(shù)研究院的方案中還設計了一個(gè)大軌道艙，用作留軌實(shí)驗。航天部專(zhuān)家評審組經(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、兩對太陽(yáng)電池陣構型和升力控制返回、圓頂降落傘回收方案。
根據國情需要軌道艙留軌半年
軌道艙位于飛船的前部，為密封結構，其外形為兩端帶有錐角的圓柱形，在兩側各裝有可繞單軸旋轉的太陽(yáng)電池陣，在外部還裝有太陽(yáng)敏感器和各種天線(xiàn)等，在不執行交會(huì )對接任務(wù)時(shí)，軌道艙前端安裝的是附加段，在執行交會(huì )對接任務(wù)時(shí)軌道艙前部安裝一個(gè)對接機構。其功能和用途為：航天員在軌道飛行期間的生活艙；有效載荷試驗時(shí)的試驗艙；交會(huì )對接試驗時(shí)的目標飛行器；航天員出艙活動(dòng)時(shí)的氣閘艙；以及作為天地往返運輸器時(shí)的貨艙。軌道艙內裝有船上各分系統為飛船自主飛行和留軌飛行工作所需的設備及有效載荷，有效載荷包括用來(lái)進(jìn)行空間環(huán)境觀(guān)測的各種相機、多模態(tài)微波遙感器和空間物理觀(guān)測設備。這些設備分裝于軌道艙內兩側，中間可作為航天員在太空中的生活空間。
我國的國情是物盡其用，一次試驗，多方收效。神舟飛船的目的不僅僅是為了載人，它還有一系列的對地觀(guān)測和科學(xué)實(shí)驗任務(wù)：除繼續進(jìn)行對地觀(guān)測和空間試驗外，重點(diǎn)完成出艙活動(dòng)、交會(huì )對接試驗和發(fā)射空間實(shí)驗室。利用留軌艙進(jìn)行交會(huì )對接試驗，可充分利用飛船的技術(shù)成果，研制出一個(gè)空間實(shí)驗室，解決我國一定規模的空間應用問(wèn)題，以彌補飛船的有效載荷少、飛行時(shí)間短、單位有效載荷發(fā)射成本太高的缺陷，使我國盡早建立起相對完整配套的載人航天工程體系。以載人飛船為天地往返運輸系統，使之能長(cháng)期運行，短期內有人照料，可以進(jìn)行較大規模的空間應用活動(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后，我國航天專(zhuān)家進(jìn)行了創(chuàng )新設計，給軌道艙安上了一對太陽(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，我國飛船留軌實(shí)驗已取得豐碩成果。如神舟四號留軌的8臺空間環(huán)境探測儀器隨軌道艙在軌運行期間，對飛船運行軌道進(jìn)行了更詳細的監測，為研究和預報空間環(huán)境，改進(jìn)飛船設計等提供數據服務(wù)，為載人飛船的正式飛行充當了“偵察兵”的作用。地球有60%-70%被云層覆蓋，由微波輻射計、雷達高度計、雷達散射計三種模態(tài)儀器構成的多模態(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行，結束了我國航天沒(méi)有多模態(tài)微波遙感的歷史。中國科學(xué)院的專(zhuān)家認為，如果這種遙感器用于今后的海洋和氣象衛星上，對進(jìn)一步分析海洋災害、資源、風(fēng)場(chǎng)，海洋動(dòng)力環(huán)境和海氣能量的轉換等方面都會(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，軌道艙相當于一顆衛星，但又不同于我國以前的衛星。它的軌道高度大約在350千米~400千米，而我國通信衛星的軌道高度在36000千米；返回式衛星軌道高度在180千米~400千米，但運行時(shí)間最長(cháng)也不過(guò)15天，可以說(shuō)，在低軌道長(cháng)壽命衛星研制方面，我國并無(wú)太多的經(jīng)驗，因此軌道艙留軌狀態(tài)下的崐設計也必須在摸索中完善。由于任務(wù)的特殊性，軌道艙在設計時(shí)帶來(lái)了許多的特殊要求。為使軌道艙長(cháng)期保持對地定向狀態(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，艙內溫度要求保持在21℃±4℃，而留軌實(shí)驗后，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？據中國空間技術(shù)研究院飛船總體室副主任朱樅鵬介紹，衛星都采用被動(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)艙內恒溫。針對留軌時(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(cháng)達半年的宇宙輻射累計下來(lái)會(huì )對計算機造成影響，在芯片材料和軟件方面，我國已采取了相應的措施，從神舟二號飛船到神舟四號的情況看，留軌艙上的計算機表現正常。
而長(cháng)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。據飛船副總設計師鄭松輝介紹，衛星在軌運行中，當處在陽(yáng)照區時(shí)，電池充電，在陰影區時(shí)放電，通信衛星由于軌道位置高，大部分時(shí)間位于陽(yáng)照區，可以靠太陽(yáng)能直接供電，充放電次數很少；而軌道艙的軌道周期約為90分鐘，陽(yáng)照區和陰影區不斷交替，電池需要不斷地充放電，這對電池壽命影響很大。而且，由于對空間環(huán)境的認識不足，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)能電池陣的設計中，中國空間技術(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，逐漸認識到問(wèn)題的癥結：高空原子氧對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�，F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)對留軌試驗中出現的問(wèn)題的解決，我國航天專(zhuān)家已對長(cháng)壽命低軌道衛星設計積累了一定的經(jīng)驗。對我國載人航天工程來(lái)說(shuō)，最終目的不僅僅是載人，而是在人的參與下對空間資源的開(kāi)發(fā)利用，留軌實(shí)驗將為這一切打下堅實(shí)的基礎。
