我國載人航天器應急救生技術發(fā)展

李頤黎 陳偉躍

(1 北京空間機電研究所，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

1992年9月21日，中共中央政治局常委會議決定我國載人航天工程從發(fā)展載人飛船起步，確定了我國載人航天工程“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略，批準了載人飛船工程上馬，從此我國載人飛船工程進入全面實施階段[1-2]。

我國載人航天工程實際發(fā)展過程分為以下“三步走”。

第一步，研制和發(fā)射神舟一號至神舟四號無人飛船和神舟五號、神舟六號載人飛船，初步建立載人飛船的工程體系。

第二步第一階段，研制和發(fā)射神舟七號載人飛船，完成航天員艙外活動試驗；研制和發(fā)射神舟八號、神舟九號、神舟十號飛船和天宮一號目標飛行器，完成上述3艘飛船與目標飛行器的交會對接飛行試驗。

第二步第二階段，研制和發(fā)射天宮二號空間實驗室、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船，掌握航天員中期在軌駐留、推進劑在軌補加等關鍵技術。

第三步，建造和運營我國空間站任務。包括建造以天和核心艙、問天實驗艙和夢天實驗艙為基本構型、長期在軌運行的載人空間站，開展多領域空間科學實驗與技術試驗。在我國空間站建造階段，發(fā)射神舟十二號至神舟十五號載人飛船和天舟二號至天舟五號貨運飛船，以及我國空間站的天和、問天、夢天3個艙段。

載人航天器應急救生系統(tǒng)是帶有載人航天器應急救生總體性質的一個系統(tǒng)。它是涉及面廣、技術復雜、接口很多的一個系統(tǒng)，也是載人航天器必不可缺的一個系統(tǒng)。該系統(tǒng)在正常飛行狀態(tài)下，待命值班，隨時準備在危急時刻啟動，保證航天員安全。在出現非致命性故障狀態(tài)下，能夠排除故障，保證航天員的安全和航天任務的完成；在出現致命性故障的狀態(tài)下，采取相應的應急救生措施，以挽救航天員的生命。我國載人飛船科研人員在綜合國外載人航天器應急救生技術成果的基礎上，集中國內優(yōu)勢力量，獨立自主、刻苦攻關、勇于創(chuàng)新，突破了一批關鍵技術，取得了多項重大科技成果[3-4]，引領了我國載人航天器應急救生技術的跨越式發(fā)展。

1 載人航天器應急救生系統(tǒng)組成

1.1 載人飛船應急救生系統(tǒng)組成

由于神舟載人飛船應急救生系統(tǒng)是按不同的飛行階段設計的，因此按照飛行階段劃分，主要由待發(fā)段應急救生、發(fā)射段大氣層內應急救生、發(fā)射段大氣層外應急救生、軌道運行段應急救生、返回段應急救生、著陸段應急救生組成，具體如圖1所示[3,5]。神舟載人飛船應急救生系統(tǒng)的組成也可以按照其硬件和軟件的性質劃分，如圖2所示。在我國載人飛船工程中，運載火箭系統(tǒng)承擔發(fā)射段出現故障時實施逃逸的任務，飛船系統(tǒng)承擔救生的任務，因此飛船系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口，特別是飛船系統(tǒng)與運載火箭系統(tǒng)的接口設計與試驗十分重要。由圖1可見：從神舟飛船的待發(fā)段至返回艙著陸后的全過程都有應急救生方案的設計和試驗，因此可以滿足載人飛船系統(tǒng)總體對應急救生系統(tǒng)的設計要求。由圖2可見：飛船的應急救生專用軟件絕大部分在飛船正常飛行使用的硬件上運行，因此可以大大減小飛船的質量。

圖1 神舟飛船應急救生系統(tǒng)(按工作階段劃分)Fig.1 Emergency rescue system of Shenzhou spacecraft (according to work phases)

圖2 神舟飛船應急救生系統(tǒng)組成(按軟硬件類型劃分)Fig.2 Emergency rescue system of Shenzhou spacecraft (according to kinds of hardware and software)

載人飛船工程總體要求飛船的可靠度是0.97，安全度是0.997(或者說，一艘飛船在軌任務的全過程中航天員的安全概率為99.7%)，這已是很高的安全度標準了[6]，但為了確保航天員的安全，必須達到這一安全度標準。

1.2 天宮一號目標飛行器應急救生方案

天宮一號目標飛行器用于神舟八號至神舟十號飛船的空間交會對接試驗。天宮二號空間實驗室構型和主要設備與天宮一號相同。天宮一號目標飛行器在與載人飛船組合體飛行期間，一旦發(fā)生故障，首先按照故障預案進行處置。如果故障無法排除，且危及航天員，那么以神舟載人飛船作為救生飛行器，航天員緊急撤離至載人飛船，應急提前返回地面。

1.3 空間站應急救生方案

我國空間站應急救生方案包括：①空間站的故障預案；②天舟貨運飛船的故障預案；③神舟載人飛船的故障預案；④作為軌道救生艇的神舟飛船；⑤地面的應急救援飛船。上述④的含義是將一個航天乘組送達空間站之后，該艘飛船就停靠在空間站上，一旦空間站發(fā)生致命性故障(如有的航天員生了重病)，可以用這艘飛船載著乘組返回地面。上述⑤的含義是在軌道救生艇因故障不能安全接航天乘組返回地面時，則由地面發(fā)射一艘不載人的應急救援飛船代替軌道救生艇將航天乘組接回地面。我國空間站的應急救生系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 我國空間站應急救生系統(tǒng)組成Fig.3 Emergency rescue system of China Space Station

2 載人航天器應急救生系統(tǒng)主要特點

2.1 載人飛船應急救生系統(tǒng)主要特點

神舟飛船應急救生系統(tǒng)的主要特點如下[3,5,7]。

(1)針對長征2F運載火箭系統(tǒng)的特點，設計了發(fā)射段8種應急救生模式，即救生模式I至救生模式VIII，并給出了詳細的判別準則。救生模式合理，可實施性強，能有效地保障航天員的安全。

(2)在救生模式I狀態(tài)下，當飛船系統(tǒng)收到逃逸指令后，飛船采用制導導航與控制(GNC)分系統(tǒng)根據導航參數實施軌道計算、實時確定返回艙從逃逸塔分離時刻的方法，有效地滿足了救生模式I情況下返回艙的開傘條件。

(3)創(chuàng)造性地提出了發(fā)射段大氣層外救生模式VI狀態(tài)下采用飛船變軌發(fā)動機推力進行返回艙落點調整的方案，使返回艙濺落在總長度僅為2200 km的3個海上救生區(qū)，從而大大減少了海上救生用搜救船隊的數量，滿足了搜救時間的要求。這個方案稱作海上定區(qū)濺落方案，其飛行過程如圖4所示[5]。

(4)根據不同情況設計采用8臺大姿態(tài)控制發(fā)動機制動返回、手控半自動返回等多種應急救生飛行程序和飛行軌道，提高了航天員的安全度。

(5)根據神舟載人飛船的特點，提出了自主應急返回控制方案，簡化上行注入量，使自主應急返回方案具有工程上的可實施性。

圖4 海上定區(qū)濺落方案飛行過程示意Fig.4 Flight process sketch of splash down plan of fixed region on sea

2.2 天宮一號應急救生系統(tǒng)主要特點

天宮一號的應急救生設計體現在可靠性設計和安全性設計中，設計了200余項故障預案。天宮一號的安全性設計包括保障航天員的安全和保障長期自主飛行的平臺安全。其中，設計了顯示及報警功能，對關系到航天員生命安全的數據進行顯示，當數據越限時，產生報警音及時通知航天員。同時，航天員可以通過手控指令對影響航天員安全的事件進行控制。為了保證天宮一號的安全運行，設計了自主安全模式。當在軌出現影響平臺安全、實時性處理要求較高的故障時，天宮一號自主進行處置，轉入安全模式運行，以確保航天器供電安全、姿態(tài)安全、軌跡安全、推進劑安全、通信鏈路安全和載人環(huán)境安全。

天宮一號的應急救生設計融入了可靠性設計和安全性設計之中。載人飛船增加了彈道式全自主返回模式，對火箭發(fā)射過程中的重大故障處理進行了完善，并對彈道式返回的控制參數進行了優(yōu)化。在此階段，不同航天器采用了應急救生的設計理念，載人飛船的應急救生得了完善和發(fā)展。

2.3 空間站應急救生系統(tǒng)主要特點

空間站的應急救生設計體現于在軌健康管理技術中，設計了數千項故障預案?？臻g站集成健康管理體系一般分為7個層次。其中，數據獲取層、數據處理層、狀態(tài)監(jiān)測層和健康評估層位于航天器平臺上，是空間站集成健康管理系統(tǒng)的站載組成部分。數據通過信息系統(tǒng)的遙測設備組幀下行到地面，由地面進行異常判讀、故障診斷、預測及故障決策。針對組/部件的全壽命周期健康管理，需要更強的計算處理資源、仿真計算和地面專家干預，以及更加廣泛、完整、全局性的數據資料和歷史性檔案，因此預測、決策支持和顯示層的功能由地面系統(tǒng)來實現。

緊急故障處置需要由空間站站載系統(tǒng)自動完成，由地面系統(tǒng)作為備份。為滿足故障處置的實時性要求，在經過健康評估后，在預測之前選用并執(zhí)行預置的對策程序避免故障擴散。對于故障擴散較慢的故障，失效傳播慢，對應狀態(tài)參數的取值變化慢，判讀故障往往需要進行趨勢分析，還需要綜合多個系統(tǒng)的測量信息，對計算機內存要求較高，容易出現漏判誤判的情況，因此主要由地面系統(tǒng)完成。

空間站的健康管理系統(tǒng)一般分為站載健康管理系統(tǒng)和地面健康管理系統(tǒng)2個部分。其中，站載健康管理系統(tǒng)包括站載自主健康管理系統(tǒng)和站載儀表顯示與告警系統(tǒng)。站載自主健康管理系統(tǒng)具備健康管理體系架構中的數據獲取、數據處理、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估和決策支持5層功能。地面健康管理系統(tǒng)具備狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預測、決策支持層次的功能，在全數字仿真驗證平臺和半物理仿真驗證平臺的支持下，具備最準確的健康評估和決策支持能力。

空間站階段，空間站的應急救生設計體現于在軌健康管理技術中；載人飛船對大氣層外救生模式進行了優(yōu)化，以與著陸區(qū)設置匹配；提高了安全性，實現了一艘飛船?？吭诳臻g站上作為軌道救生艇的同時，地面上還準備了另一艘救援飛船作為備份使用。在此階段，應急救生的設計思想得到了進一步發(fā)展，應急救生技術得到了進一步完善。

3 載人航天器應急救生系統(tǒng)的主要成就

3.1 載人飛船應急救生系統(tǒng)的主要成就

神舟載人飛船應急救生系統(tǒng)是先后在神舟飛船逃逸救生分離動力學試驗與分析、零高度逃逸救生飛行試驗、神舟四號無人飛船飛行試驗等項任務獲得成功的基礎上，最終在神舟五號、神舟六號和神舟七號載人飛船上應用并獲得成功。

3.1.1 神舟飛船逃逸救生分離動力學試驗與分析

神舟飛船在發(fā)射段大氣層內飛行中，如果運載火箭發(fā)生致命性故障，將采用逃逸塔救生模式實施逃逸與救生。其中的一個環(huán)節(jié)是返回艙從逃逸塔中分離出來。在分離過程中，逃逸塔(前體)尾部產生一種包括回流在內的低壓尾流區(qū)。這種尾流區(qū)使得前體與返回艙(后體)在分離過程中后體的動能明顯減小，從而可能導致前體、后體在分離后再次接觸，分離失敗。為此，運載火箭系統(tǒng)與飛船系統(tǒng)聯合完成了飛船返回艙在逃逸塔尾流區(qū)中的風洞測力試驗，并在此基礎上由飛船系統(tǒng)完成了神舟飛船逃逸救生分離動力學分析[8]，為飛船應急救生系統(tǒng)的設計提供了依據。

3.1.2 長征2F運載火箭-神舟飛船零高度逃逸救生飛行試驗

1998年10月19日9時30分，在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心進行了長征2F運載火箭-神舟飛船的零高度逃逸救生飛行試驗[9]。試驗模擬了真實的飛行程序，返回艙著陸點準確，飛行試驗取得圓滿成功，如圖5所示。

圖5 零高度逃逸救生飛行試驗實況Fig.5 Truth state of escape-rescue flight test at zero-altitude and zero-velocity

3.1.3 神舟四號無人飛船的飛行試驗

神舟四號無人飛船是一艘完善型的無人飛船。對飛船應急救生系統(tǒng)而言，它具有發(fā)射段救生功能，運行段故障模式與對策完善，增加了自主應急返回功能、整船對日定向功能等。在發(fā)射段，飛船按預定飛行時間進入相應的4種大氣層內救生模式值班狀態(tài)，4種發(fā)射段大氣層外救生模式狀態(tài)正常，沒有出現誤信號[10]。神舟四號發(fā)射段救生功能以值班狀態(tài)通過了飛行試驗的考核。飛船在運行到第8圈至第9圈進行了整船對日定向飛行試驗，試驗取得圓滿成功。整船對日定向用于飛船發(fā)生某些故障的情況，例如，一旦發(fā)生推進艙太陽翼展開正常但不能轉動的情況，則可以采用整船對日定向的方案，使得飛船具有足夠的電源，仍可按預定時間返回地面。飛船在整個飛行期間共進行了89次各種數據的注入，包括自主應急返回支持數據注入17次，均第1次注入就獲得成功，數據注入、接收和轉發(fā)給GNC分系統(tǒng)、數管分系統(tǒng)和有效載荷分系統(tǒng)的數據正確。

神舟四號無人飛船的飛行試驗取得圓滿成功，包括飛船應急救生功能在值班狀態(tài)下通過了飛行試驗的考核，為神舟五號載人飛船的成功飛行奠定了堅實的基礎。

3.1.4 神舟五號首次載人飛行任務

在整個神舟五號飛船在軌飛行的約14圈中，進行了近百次各種數據注入，包括自主應急返回地面支持數據的注入，均第1次注入數據就獲得成功，數據注入、接收及轉發(fā)給GNC分系統(tǒng)、數據管理分系統(tǒng)的數據正確[10]。飛船在待發(fā)段、發(fā)射段及運行段的應急救生在值班狀態(tài)下獲得了考核。

在神舟五號飛船應急救生系統(tǒng)編寫的《航天員應急與故障處理手冊》文件中，規(guī)定了航天員在陸地上著陸后最長等待24 h的故障對策。神舟五號載人飛船航天員楊利偉乘坐返回艙著陸后，處在頭朝下的倒置狀態(tài)。他按照《航天員應急與故障處理手冊》的規(guī)定自行松開固定帶，等待地面搜救隊伍到來后，安全自主出艙。

3.1.5 神舟七號載人飛船執(zhí)行航天員艙外活動任務

2008年9月，航天員翟志剛身著我國自主研制的飛天艙外航天服完成了首次航天員艙外活動任務。他打開氣閘艙(由軌道艙兼任)艙門時，由于艙內生活設施水汽升華，在測控弧段內壓力沒有降到開門壓力[11]。這時，航天員翟志剛按照如下故障預案進行處置[12]：①打開軌道艙艙門困難。在航天員打開軌道艙艙門時，航天員使用了艙門輔助工具進行了開門操作。②艙門密封圈保護罩套不上。航天員打開艙門操作超時，在地面指揮下取消了安裝艙門密封圈保護罩工作，進出艙過程未刮碰到艙門密封圈。③按艙外活動任務段超時的預案處理。采取2項對策后，航天員完成了出艙展示，揮舞國旗，按照預定的時間回到了軌道艙內。

3.2 天宮一號應急救生系統(tǒng)的主要成就

在天宮一號階段，突破并掌握了交會對接技術，實現了神舟八號、神舟九號和神舟十號與天宮一號的交會對接，完成了組合體控制，初步建立了能夠短期載人、長期無人獨立可靠運行的空間實驗平臺。載人飛船建立了完備的交會對接技術體系，設計了200余項故障預案，由航天員自主處置，確保航天員安全。在天宮一號載人組合體飛行階段，神舟九號和神舟十號載人飛船應急救生系統(tǒng)處于值班狀態(tài)，完成了任務。

3.3 空間站應急救生系統(tǒng)的主要成就

在空間站階段，突破并掌握了長期在軌駐留技術，實現了有人載人空間站長期在軌運行。在空間站階段實現了載人飛船“滾動待命”，即一艘飛船從發(fā)射起至返回地面為止，另外一艘飛船處于地面應急待命狀態(tài)，若遇緊急情況可快速發(fā)射進行救援[13]。

4 結束語

載人航天器應急救生系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)工程，狀態(tài)復雜，可靠度要求高，安全度要求高，技術難度大。我國載人航天器應急救生系統(tǒng)充分利用了現代航天器的先進技術，并結合我國實際進行了卓有成效的技術創(chuàng)新，使我國載人飛船的應急救生技術水平達到了世界先進水平。我國載人航天器技術的不斷發(fā)展，載人航天器種類的不斷增加，運行時間的不斷增長，儀器設備的品種和數量的不斷增多，必然導致載人航天器的故障預案(包括故障模式、故障判據及故障處理對策)不斷增多。應急救援飛船的設置與值班狀態(tài)的成功實踐，體現了載人航天工程以人為本，將航天員安全放在首位的設計理念。載人航天器應急救生技術及應用成果為后續(xù)空間站運營、載人月球探測的應急救生系統(tǒng)研制奠定了堅實的基礎，為載人航天器應急救生技術的發(fā)展提供了十分寶貴的經驗。

致謝

在本文撰寫過程中得到了中國空間技術研究院空間站系統(tǒng)楊宏總設計師、新一代飛船系統(tǒng)馬曉兵總設計師、巡天望遠鏡系統(tǒng)茍仲秋主任設計師、空間站系統(tǒng)李偉設計師等人的幫助，特此致謝！

參考文獻(References)

[1] 朱增泉.決策[M]//朱增泉.飛天夢圓：來自中國載人航天工程的內部報告.北京：華藝出版社，2003:10-16

Zhu Zengquan. Make a strategic decision[M]//Zhu Zengquan. Dream of fly in space become a reality: a publication about manned astronautical engineering of China. Beijing: Huayi Press, 2003: 10-16 (in Chinese)

[2] 張柏楠.中國載人航天開啟新征程[J].中國航天，2021(8)：9-13

Zhang Bainan. China’s manned spaceflight embarks a new road [J]. Aerospace China， 2021(8): 9-13 (in Chinese)

[3] 李頤黎，張書庭，柯倫.神舟飛船應急救生分系統(tǒng)研制與飛行結果評價[J].航天器工程，2004，13(1)：104-110

Li Yili, Zhang Shuting, Ke Lun. Development and flight result appraise of emergency rescue system of Shenzhou spaceship of China [J]. Spacecraft Engineering, 2004， 13(1)： 104-110 (in Chinese)

[4] 陳偉躍，張治國.應急救生技術[M]//楊宏.載人航天器技術.北京：北京理工大學出版社，2018:417-443

Chen Weiyue, Zhang Zhiguo. Technology of emergency rescue [M]//Yang Hong. Human spacecraft technology. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2018: 417-443 (in Chinese)

[5] 李頤黎.神舟號載人飛船的應急救生分系統(tǒng)[M]//李頤黎.航天技術先鋒：北京空間機電研究所火箭和航天技術的發(fā)展與成就.北京：北京理工大學出版社，2019:284-295

Li Yili. Emergency rescue system of Shenzhou spaceship of China [M]//Li Yili. Pioneers of Spaceflight Techno￣logy: Development and Achievement of Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity in Rocket and Spacecraft. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 2019: 284-295 (in Chinese)

[6] 李頤黎.飛船的可靠性與航天員的安全性[M]//戚發(fā)軔，李頤黎.巡天神舟——揭秘載人航天器.北京：中國宇航出版社，2011:230-231

Li Yili. Reliability of spacecraft and safety of astronaut[M]//Qi Faren, Li Yili. Spaceflight Shenzhou space￣ship: published manned spacecraft. Beijing: China Astronautic Publishing House, 2011: 230-231 (in Chinese)

[7] 李頤黎.航天器返回與進入的軌道設計[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2014:157

Li Yili. Trajectory design of spacecraft at return and entry [M]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press, 2014: 157 (in Chinese)

[8] 朱仁璋，湯溢，李頤黎，等.神舟飛船逃逸救生分離動力學分析[J].航天器工程，2004,13(1):132-140

Zhu Renzhang, Tang Yi, Li Yili, et al. Separate dynamics analysis of escape-rescue of Shenzhou spaceship in China [J]. Spacecraft Engineering, 2004， 13(1): 132-140 (in Chinese)

[9] 李頤黎.飛船的應急救生[M]//戚發(fā)軔，李頤黎.巡天神舟——揭秘載人航天器.北京：中國宇航出版社，2011:205-209

Li Yili. Emergency rescue of spaceship [M]//Qi Faren, Li Yili. Spaceflight Shenzhou spaceship: published manned spacecraft. Beijing: China Astronautic Publishing House, 2011: 205-209 (in Chinese)

[10] 李頤黎.飛行試驗[M]//朱增泉.飛天夢圓：來自中國載人航天工程的內部報告.北京：華藝出版社，2003:129-135

Li Yili. Flight test [M]//Zhu Zengquan. Dream of fly in space become a reality: a publication about manned astronautical engineering of China. Beijing: Huayi Press, 2003: 129-135 (in Chinese)

[11] 李頤黎.為什么航天員打開艙門時非常吃力[M]//石磊，左賽春.神舟巡天：中國載人航天新故事.北京：中國宇航出版社，2009:122

Li Yili. Why very difficult to open the module door for astronaut[M]//Shi Lei, Zuo Saichun. Shenzhou spaceship flight in space: a new story about China’s manned spaceflight. Beijing: China Astronautic Publishing House, 2009: 122 (in Chinese)

[12] 于瀟，馬曉兵，茍仲秋.神舟飛船出艙活動故障模式和對策的設計與實踐[J].航天器工程，2010，19(6)：56-60

Yu Xiao, Ma Xiaobing, Gou Zhongqiu. Design and practice of breakdown model and countermeasure of outside the module activity for Shenzhou spaceship [J]. Spacecraft Engineering, 2010， 19(6): 56-60 (in Chinese)

[13] 錢航.“神舟十四”就位，我國載人航天還有大動作[J].科普時報，2022-06-03(1)

Qian Hang. Shenzhou 14 spaceship takes its place, and there is a big action about China’s manned spaceflight [J]. Popular Science Daily, 2022-06-03(1) (in Chinese)