神舟八号飞船,是一艘无人飞船,是中国“神舟”系列飞船的第八艘飞船,于2011年11月1日5时58分10秒由改进型“长征二号”F遥八火箭顺利发射升空。升空后2天,“神八”与此前发射的“天宫一号”目标飞行器进行了空间交会对接。组合体运行12天后,神舟八号飞船脱离天宫一号并再次与之进行交会对接试验,这标志着我国已经成功突破了空间交会对接及组合体运行等一系列关键技术。2011年11月16日18时30分,神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功分离,返回舱于11月17日19时许返回地面。

中文名

神舟八号飞船

发射地点

酒泉卫星发射中心

所属国家

中华人民共和国

发射时间

2011年11月1日5时58分10秒

返回时间

2011年11月17日19点32分30秒

主要任务

与天宫一号对接

概述

神舟八号与天宫一号对接示意图

神舟八号飞船,是中国神舟系列飞船的第八个,是一艘无人飞船,它发射升空后,与天宫一号对接,成为一座小型空间站。2005年底,神舟八号首次对接缓冲试验在上海成功。

神舟六号返回后,中国载人航天工程进入第二阶段,包括三步骤:第一步是航天员出舱,由神舟七号完成;第二步是交会对接,这是神八的目标;而第三步则是建立空间实验室。[1]

基本信息

飞行器名称:神舟八号飞船   

飞行器生产国家:中华人民共和国   

发射时间:2011年11月

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发射地点:酒泉卫星发射中心载人航天发射场(内蒙古自治区阿拉善盟额济纳旗境内) 

发射目的:属于航天发射第二步第二阶段空间实验室阶段任务,建成中国首个空间实验室,为中国航天第三步建设空间站做准备。 

发射项目:发射后数天内与天宫一号目标飞行器完成两次对接任务,并返回地球。

飞船结构

神舟八号结构示意图

神舟八号飞船为三舱结构,由轨道舱、返回舱和推进舱组成。

飞船轨道舱前端安装自动式对接机构,具备自动和手动交会对接与分离功能。

神舟八号将基本成为中国的标准型空间渡船,未来实现批量生产。

构造参数

天神对接

 “神八”为改进型飞船,全长9米,最大直径2.8米,起飞质量8082公斤。 [2]

发射神舟八号飞船的改进型“长征二号”F遥八火箭,全长58.3米,起飞质量497吨,运载能力为8130公斤。

与以往飞船发射不同,这次交会对接任务要求飞船“零窗口”发射。

技术特点

神舟八号飞船在前期飞船的基础上,进行了较大的技术改进,全船一共有600多台套的设备,一半以上发生了技术状态的变化,在这中间,新研制的设备、新增加的设备就占了15%,主要变化是两个方面: 

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具备了自动和手动交会对接功能,为此新增加和改进了一些设备。比如新研制了异体同构周边式构型和多种交会对接测量设备,用于交会对接自主控制的飞行软件、控制软件,也是全新设计和研发的。为了满足交会对接的任务,飞船上增加配置了平移和反推发动机。同时,航天员的手动控制设备也进行了改进。 

现在的飞船在前期具备57天自主飞行的能力基础上,已具备停靠180天的能力。神舟八号飞船电源帆板因为采用了新的太阳电池片,发电能力提高了50%。飞船的降落伞系统和着陆缓冲系统也进行了技术上的改进,提高了使用的可靠性

发射计划

2011年10月26日上午,神舟八号飞船、长征二号F遥八火箭,开始进行垂直转运,标志着神八发射已进入倒计时。

“神舟八号”飞船11月1日升空,与9月底发射的“天宫一号”目标飞行器实现交会对接。

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“神舟八号”飞船发射采用的是“零窗口”发射,这还是神舟飞船首次“零窗口”发射。 “神八”与“天宫一号”交会对接飞行过程分为远距离段引段、自主控制段、对接段、组合体飞行段和分离撤离段。

2011年11月1日5时58分,中国“长征二号F”遥八运载火箭在酒泉卫星发射中心点火起飞,“神舟八号”飞船发射升空。

四大看点

看点一 交会对接 

执行中国首次空间交会对接任务的神舟八号飞船、长征二号F遥八火箭

神舟八号飞船为改进型载人飞船,具备自动和手动交会对接功能。 升空后的神舟八号与天宫一号目标飞行器在地面人员控制将进行下首次进行空间交会对接,突破和验证组合体工作模式,并将开展空间科学实验。

神舟八号飞船在2011年11月3日凌晨与9月29日升空的天宫一号进行第一次对接。组合飞行12天之后,11月14号,神八将撤离天宫一号,再次进行对接。

看点二 飞船定型     

天宫一号发射成功后,中国神舟系列飞船将在神舟八号基本定型,成为标准型空间渡船,其外形等基本要素都将保持不变。 

看点三 升空时间  

神舟八号飞船在北京时间2011年11月1日5时58分发射,10月31日当天实施运载火箭推进剂加注。

看点四 飞船类型  

神舟八号发射目标飞行器,不载人。

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发射意义

标志着中国已经初步掌握空间交会对接能力,拥有建设简易空间实验室,即短期无人照料的空间站的能力。

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对接实录

首次对接

2011年11月3日00:34  飞船从5公里停泊点向400米停泊点前进。

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00:41  用于交会对接的目标飞行器天宫一号,经过第4圈和第13圈两次变轨,目前位于距地球343公里的近圆轨道上。

00:42  北京飞控中心预报:神舟八号飞船将于01时07分进入400米停泊点。

00:46  远距离导引段自神舟八号飞船入轨后开始,在地面测控通信系统的导引下,飞船经过5次变轨控制,于2日深夜飞抵天宫一号后下方约52公里处,转入自主控制飞行状态。

00:48  神舟八号万里追赶天宫一号。天宫一号在固定的轨道上运行,发动机并不工作;而神舟八号则通过不断的变轨来拉近两者之间的距离。

01:01  飞船对接机构对接准备。

01:03  神舟八号对接环推出。

01:05  神舟八号对接准备完成。

01:05  飞船第30圈,天宫第541圈,进入马林迪站和天链01星跟踪弧段内,飞船进入400米停泊点。

01:06  地面对神舟八号对接机构的推出和准备情况进行确认后,飞船再次前进。

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01:10  神舟八号与天宫一号的距离正不断缩短。相对导航状态正常。

01:10  空空通信正常。

01:11  天宫一号、神舟八号相对距离目前为270米。

01:16  交会对接的接近段已经结束,即将进入平移靠拢段,飞船经过两天多的飞行,与天宫一号的距离只剩最后的140米。

01:19  激光雷达导航。

01:20  CCD导航。

01:20  神舟八号从140米停泊点开始前进,正沿直线缓缓接近天宫一号。

01:21  天宫一号目标飞行器是倒飞状态,神舟八号是正飞。

01:21  飞船正在接近30米停泊点。

01:22  飞船激光雷达切近场合作目标。

01:23  飞船自主进入30米停泊点,稍做停泊。

01:27  飞船转最后靠拢。

01:29  对接环接触。

01:29  神舟八号对接机构上的5个环失衡传感器实时下传的数据表明,两个航天器已经成功接触。

01:29  飞船尾部4台发动机随即点火,给飞船提供一个对接推力。

01:29  对接机构捕获。

01:29  飞船对接机构上的3把捕获锁与天宫一号对接机构上的3个卡板器咬合。

01:30  完成捕获。飞船发动机旋即关机。

01:30  两个航天器完成柔性连接,连接后仍能相互移动。

01:30  飞船对接机构的机械缓冲系统完成缓冲和校正,在缓冲过程中,储存和消耗能量,校正对接换姿态,使其处于水平位置。

01:30  对接锁锁紧开始。

01:30  神舟八号对接机构的对接换环收回,拉近两航天器,两对接机构前端框面互相贴合。

01:34  对接机构端面密封完成。

01:35  两航天器完成刚性连接。

01:35  飞船和天宫一号对接机构上各分布12个对接锁,每个锁由能活动的主动钩和固定的被动钩组成。

01:36  对接机构锁紧完成。

01:37  组合体启控。

01:38  组合体消除姿态偏差。

01:41  组合体消除偏完成。

01:42  北京飞控中心宣布:对接机构锁紧,天宫一号启控,天宫一号、神舟八号交会对接完成。

第二次对接

2011年11月14日20时,在北京航天飞行控制中心的精确控制下,天宫一号与神舟八号成功进行了第二次交会对接。这次对接进一步考核检验了交会对接测量设备和对接机构的功能与性能,获取了相关数据,达到了预期目的。

背后故事

抵达距“天宫一号”约5公里的对接入口点。随后,从对接机构接触开始,经过捕获、缓冲、拉近、锁紧4个步骤,实现了刚性连接,形成组合体,开始了为时两天的整体飞行。

两个8吨重“庞然大物”的高精度对接,对接机构中小到指甲大小的齿轮和针头大小的接口都要严丝合缝,无异于“针尖对针尖”。首次交会对接任务的成功,意味着继美、俄之后,中国成为第三个独立掌握交会对接技术的国家,这为我国今后开展更大规模的空间探索奠定了扎实的技术基础。

在接下来的12天中,“天宫一号”与“神舟八号”还将进行第二次交会对接试验。

早在“神舟八号”发射之前,记者便来到酒泉卫星发射中心探营,见证了这一场太空中的“穿针引线”背后的艰辛。

突发事件

“‘天宫’在天上等着‘神八’赴约,这对飞船的发射窗口提出了非常严格的要求。”中国航天科技集团公司载人航天工程办公室主任童旭东道破了紧张氛围的缘由。

然而,正当转场工作紧锣密鼓地准备时,从北京传来的一个突如其来的消息让每个人的心情变得暗淡下来。

“神九”上的CTU(计算机核心单元)在一个特定的温度段发出指令时,遥测信号丢失。“这意味着如果飞船在这样的情况下接收这样特殊的指令,飞船瞬间会与地面失去联系。一旦出现这样的意外,后果不堪设想。”童旭东告诉本刊记者。

按照原定计划,再过两天,“神舟八号”船箭组合体将结束测试区的各项工作,运往发射阵地,火箭发射进入“倒计时”状态。根据航天质量管理条例,相同批次的产品出现问题,要开展举一反三工作,及时剥离问题,确保飞行无隐患。而当这个消息传来时,距离船箭组合体转运时间只剩3天了。

怎么办?是“冻结状态”全力举一反三,还是边查问题边推进工作?此前,在“长二丙”失利后,目标飞行器和火箭试验队冻结了10天的工作,等待“长二丙”的事故调查。此刻,“天宫”已经在太空调整好姿态等待“神八”到来。交会对接任务对追踪飞行器,即“神舟八号”飞船的发射窗口有非常严格的要求。而首次对接任务选择在阴影区,11月份只有1号、3号和5号有发射窗口,一旦错过,下次“太空约会”就要顺延到12月底了。

在第一时间,中国航天科技集团公司组织了“两总”迅速研讨,并组织西安的专家迅速攻关。在问题发生当天,“神九”上的CTU被立即运抵西安,同时在酒泉卫星发射中心执行任务的专家连夜返回西安,进行集智攻关。大家达成一致,当前一方面是要继续对该问题进行定位、复现,找到问题所在,同时做好“神舟八号”相关预案。

一场“三地大协同”的攻关战役就此打响。北京、西安迅速启动了对“神舟系列”其他产品的验证试验;在酒泉卫星发射中心执行“神舟八号”任务的试验队员很快启动了“拆神八”的预案。

“拆卸工作非常复杂,抛开操作上的风险不说,仅仅从正常的操作工艺程序来说,就需要4天的时间。那将意味着将错过11月1号和3号的发射窗口,发射日期将顺延到5号。假如再受天气等因素的影响,将会给决策带来重大风险。”童旭东解释道。

时间一分一秒走过,每个人都在等待西安试验的结果。原定在10月25日上午10点举行的CTU归零会议一推再推,从10点推到下午3点,又从下午3点推到5点,又从5点推到晚上8点。

晚上9点半,当北京、上海、西安、酒泉卫星发射中心四地的专家都悉数到场时,报告人带着“新鲜出炉”的报告还在路上。大家都在焦急地等待着。

会议很顺利。经过前后方试验队员3天3夜的鏖战,得出了两个结论:一是出现问题的只是一个特定的温度段,只会出如今地面试验上,飞船在飞行中不会遇到;二是不会给飞船发出该条指令。而即便出现故障,飞船团队也有预案能够顺利解决这个问题。

经过来自4地150多位专家的“集体会诊”,作出了“不拆卸神八CTU”的决定,保持了“神舟八号”的原有状态。当大家集体鼓掌通过时,人们的脸上才露出了久违的笑容。

“如今回头来看。这个决定非常有价值。尽管该问题是由于我们的产品不够‘强壮’所致,但是从大家的应急反应来看,证明了载人航天团队特别能战斗,在关键时刻,基于对产品、系统的全面试验,做了一个非常果断的决策。”童旭东说,只有工作做细了,才能有这种果断“拍板”的勇气和自信。

第九次出征

在首次交会对接任务中,已经圆满执行过7次任务的长二F火箭将再次两度执行飞行任务,分别将“天宫一号”和“神舟八号”送入太空。

“在首次交会对接任务中,针对‘天宫一号’和‘神舟八号’的不同使命,我们共研制了两枚火箭。从硬件来讲,我们尽量保持两枚火箭状态的一致性,能够通用的技术全部通用,确保研制生产过程全程可控。”火箭总设计师荆木春告诉记者,依据如今载人航天工程的发展速度,承担着“载人使命”的长征二号F火箭即将迎来批量生产时代,确保火箭技术状态的稳定可靠是“第一要务”。

相比于之前承担的载人航天任务,此次遥八火箭要在1个月内执行两次发射任务,这对长二F而言是一个不小的挑战。而“神舟八号”任务对发射精度更是提出了严格要求。

为了实现“高精度”的目标,此次火箭首次采取了迭代制导的控制手段,能更好地减小入轨误差。荆木春告诉记者,不同于摄动制导,迭代制导的入轨方式更加灵活智能。值得一提的是,这是该项技术首次应用在长征火箭之中。

为什么要在发射“神舟八号”时采取迭代制导的入轨方式呢?火箭副总师宋征宇形象地给记者举例。“如果把‘天宫一号’和‘神舟八号’的对接看成是一场接力比赛,运动员沿着直线追上被对接的队员显然比绕着追赶更加省力。对运动中的个体而言,横向机动很困难。这对‘神舟八号’飞船和‘天宫一号’目标飞行器的对接也是如此,必须确保‘神八’与‘天宫’在一个轨道面。”

迭代制导的入轨方式将打破常规火箭的轨道计算模式。“以前火箭发射的入轨模式就像飞机飞行一样,按照既定的航道飞行,当偏离航道后,自行进行调整。采用迭代制导方式后,火箭将实现一边飞行一边计算最适合当前状态的入轨点,同时设计飞行轨迹,并控制火箭按照设计的轨迹飞行,这样能够最大程度保证火箭的入轨精度,尤其是轨道面的精度,从而实现火箭入轨的智能化控制。”宋征宇告诉记者,采取迭代制导后,火箭每0.02秒就要作一次入轨点预计和轨道修正,计算量比传统制导方式增加了30多倍。

同样举飞机飞行的例子,受气流因素,飞机航行时发生颠簸偏离航道是正常情况。对于火箭而言,受大气、结构设计、发动机等因素的干扰,火箭在飞行中也很难做到完全按照预定的轨迹飞行,这就需要火箭在飞行中不断修正轨道,从而最大程度地保证入轨点的精度。“此次迭代制导大概在火箭点火350秒后发挥作用,让火箭在飞行的过程中实时作出轨道修正,确保把‘神舟八号’精确送入轨道。”宋征宇说。

搞火箭的人都知道,在测定发射窗口之前,首先要明确“乘客”的目的地,即卫星(飞船)的入轨点。“以前飞行器的入轨点一般在发射前1个月就能确定。此次发射“神舟八号”飞船,为了确保入轨点的精度,在发射前6小时进行最后一次测轨,并在射前4小时才最终确定要对接的‘天宫一号’在空间的轨道参数,此时我们才能知道要把“神舟八号”送到哪里。这对我们的适应能力是一个极大的考验。”宋征宇解释道。

零窗口要求

执行过发射任务的人都知道,发射时刻有一个时间段,如果在发射前出现问题需要推迟,发射时间可以顺延。这意味着在这个区间内的任何一个时间点内发射,都能满足发射要求。此次“神舟八号”肩负对接使命,为了与“天宫一号”实现精确对接,工程总指挥部提出了“零窗口”的发射要求。这意味着火箭在当天的发射时间只有“一秒”的机会,错过了就需要再择机。

“‘天宫’在宇宙中以每秒7.8公里的第一宇宙速度在做相对运动,这意味着错过一秒,‘天宫’就已经在天上了‘前进’了7.8公里,“神舟八号”要通过消耗自身燃料去‘追赶’目标飞行器。”荆木春形象地说。飞行器上天后靠消耗自身燃料调轨是航天发射“没有办法的办法”。

“这次发射活动和之前发射卫星不同,以前的发射只需考虑卫星上天后能够尽快把太阳能帆板对准太阳,以便能够在第一时间获取能量。而这次发射“神舟八号”飞船的第一任务是要为对接做准备,与‘天宫一号’这个在宇宙中运动着的庞然大物对接。”据荆木春介绍,在这样的情况下,“零窗口”发射就显得尤为重要。

从发射“天宫一号”起,长征二号F火箭结束了技术上“小修小补”的时代,在继承了当今电子、信息处理、计算机等领域的技术革新成果后,在确保可靠性的前提下,长二F火箭完成了转型,一枚性能更加优良、运载能力更加强大、载人环境更加舒适的火箭应运而生。

在2012年6月16日,神舟九号发射成功。

2013年6月中旬神舟十号飞船将搭载三位航天员飞向太空,空间站建设大幕即将拉开对于航天人来说,“大考”即将接踵而至。

回收任务

概要

中国载人航天工程新闻发言人2011年11月16日宣布,神舟八号飞船返回舱将于17日19时许返回地面。

2011年11月16日18时30分,神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功分离。完成返回前状态检查测试和一系列准备工作后,北京航天飞行控制中心将于17日对飞船实施返回控制。

当前主着陆场区准备就绪,气象条件符合飞船返回。17日飞船回收当天“窗口”,无小雪,雷暴、沙尘暴等恶劣天气,地面风力4-6米/秒,满足飞船着陆气象条件。

神舟八号飞船于19点32分30秒平稳着陆,顺利回归到祖国怀抱。

特点

神八任务与神六、神七相比,虽然不载人,但是任务工作量增加了,工作标准提高了。主要体如今以下几个方面:

一是应急待命时间增加。应急待命时间取决于飞船在轨时间,神六在轨运行了5天,神七在轨运行了3天,神八在轨运行17天。按照任务要求,在飞船运行过程中,着陆场每天都要处于回收待命准备状态。

二是搜索回收区域扩大。按照总体方案要求,飞船每天都有回收的可能性。由于回收的着陆点不同,所以搜索区域就变大了。

三是搜索回收时间要求缩短。神七回收时在正常情况下搜索时间要求是6小时,如今提高到2.5小时。

四是夜间搜索回收难度增加。夜间搜索和白天完全不同。通过演练发现,夜间漆黑一片,伸手不见五指,直升机起飞、降落、返回舱寻找都具有一定难度。

五是飞船的有效载荷回收转运要求严格。返回舱的有效载荷是中德合作研制的通用生物培养装置,里面有许多微生物,对环境、温度有要求,必须在返回后第一时间送到北京处理。

过程

返回舱回收过程主要包括四个阶段。

一、跟踪测量阶段。当飞船制动发动机点火26分钟后,返回舱就会飞到着陆场上空,白云鄂博场区的雷达首先捕获目标,并对其弹道进行测量,引导后续测控设备跟踪。[3]

二、搜索寻找阶段。飞船落地前直升机就起飞到待命空域,利用直升机上装备的定向设备接收飞船发射的信号,确认飞船的位置。

三、现场处置阶段。此时地面分队陆续赶到,按照工作流程对返回舱进行处置,主要包括外观检查、舱内气体检测、微生物检测、有效载荷的拆卸。 

四、回收转运阶段。将有效载荷快速运到中科院,将返回舱运到呼市火车站再到北京交给有关单位。