研制历程
历史背景
•t发展战略
1992年9月,中共中央决策实施载人航天工程,并确定了中国载人航天“三步走”的发展战略。第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程,开展空间应用实验;第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题;第三步,建造空间站,解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。
•t前期实施
工程前期通过实施四次无人飞行任务,以及神舟五号、神舟六号载人飞行任务,突破和掌握了载人天地往返技术,使中国成为第三个具有独立开展载人航天活动能力的国家,实现工程第一步任务目标。通过实施神舟七号飞行任务,以及天宫一号与神舟八号、神舟九号、神舟十号交会对接任务,突破和掌握了航天员出舱活动技术和空间交会对接技术,建成中国首个试验性空间实验室,标志工程第二步第一阶段任务全面完成。
•t空间实验室
2010年,中共中央批准载人空间站工程立项,分为空间实验室任务和空间站任务两个阶段实施。
空间实验室阶段主要任务是:突破和掌握货物运输、航天员中长期驻留、推进剂补加、地面长时间任务支持和保障等技术,开展空间科学实验与技术试验,为空间站建造和运营奠定基础、积累经验。通过实施长征七号首飞任务,以及天宫二号与神舟十一号、天舟一号交会对接等任务,标志工程第二步任务目标全部完成。
•t空间站阶段
空间站阶段的主要任务是:建成和运营中国近地载人空间站,掌握近地空间长期载人飞行技术,具备长期开展近地空间有人参与科学实验、技术试验和综合开发利用太空资源能力。当前,中国载人航天已全面迈入空间站时代,预计于2022年前后完成空间站在轨建造任务。
研制进程
2021年6月报道,神舟十五号正在进行紧锣密鼓地组装和测试。
2022年4月17日,中国载人航天工程航天员系统总设计师、中国航天员科研训练中心研究员黄伟芬介绍,按照空间站建造阶段的任务安排,执行2次载人飞行任务的航天员乘组已经选定。中国载人航天工程办公室主任郝淳在国务院新闻办公室举行新闻发布会上表示,2022年将实施6次飞行任务。其中,将发射神舟十五号载人飞船,神舟十五号飞行乘组由3名航天员组成,与神舟十四号航天员在轨轮换后,在轨驻留6个月。
2022年6月4日,在神舟十四号载人飞行任务新闻发布会上,中国载人航天工程新闻发言人、中国载人航天工程办公室副主任林西强介绍,在轨驻留期间,神舟十四号乘组三名航天员将迎来空间站两个实验舱以及天舟五号货运飞船、神舟十五号载人飞船的来访对接,并与神舟十五号飞行乘组进行在轨轮换,天和核心舱与天舟三号、天舟四号组合体各项设备工作正常,具备交会对接和航天员进驻条件。
2022年8月,中国载人航天工程办公室正式发布神舟十五号载人飞船等后续三次飞行任务标识。
2022年10月23日报道,神舟十五号载人飞行任务已经全面进入准备阶段。
北京时间2022年11月21日,神舟十五号载人飞船与长征二号F遥十五运载火箭组合体已转运至发射区。发射场设施设备状态良好,后续将按计划开展发射前的各项功能检查、联合测试等工作 。
2022年11月27日,神舟十五号发射任务组织全区合练。发射任务各系统已经完成了飞船和火箭功能检查、匹配检查,组织了全系统发射演练,后续按程序进行火箭推进剂加注和发射工作。
2022年11月28日9时,神舟十五号载人飞行任务新闻发布会召开,航天员乘组将在轨工作生活6个月,计划于2023年5月返回东风着陆场。
系统组成
飞船系统
神舟载人飞船是中国自行研制的用于天地往返运输人员和物资的载人航天器,达到或优于国际第三代载人飞船技术,具有完全自主知识产权及鲜明的中国特色。飞船可一船多用,既可留轨观测又可作为交会对接飞行器,满足天地往返的需求。神舟系列载人飞船的研制总体单位是中国空间技术研究院,总指挥是何宇,总设计师是贾世锦。
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,是中国可靠性、安全性要求最严苛的航天器。神舟十五号载人飞船作为“打一备一”的应急救援船,曾在酒泉卫星发射中心与神舟十四号载人飞船同时准备待飞。随着任务进展,神舟十四号载人飞船在2022年6月份出征,神舟十五号载人飞船在地面继续待命。根据飞行任务计划,作为应急救援船时,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,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征二号F运载火箭合二为一。
作为神舟十二号至神舟十五号的同批次研制的4艘飞船在并行批产的基础上,神舟十五号与神舟十四号两艘飞船外观完全一致,研制人员为每艘飞船分别定制了信息“标识码”来进行区分、控制,并制定两船、六人的紧急撤离方案,确保航天员生命安全。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。
火箭系统
长征二号F运载火箭是在长征二号E运载火箭的基础上,按照发射载人飞船的要求,以提高可靠性、确保安全性为目标研制的火箭。火箭全长58.34米,起飞重量479.8吨,起飞推力约600吨。火箭一级芯级直径3.35米,捆绑4个直径2.25米的助推器。该火箭是中国仅有在役的载人运载火箭,火箭具有两种在役状态,即发射天宫实验室状态和发射载人飞船状态。长征二号F运载火箭的研制总体单位是中国运载火箭技术研究院,总指挥是荆木春,总设计师是容易。
作为中国航天史上技术最复杂的“航天员专列”,“神箭”长征二号F(简称长二F)运载火箭的每一次执行发射,其可靠性和安全性都会再度提升。长二F运载火箭上增加了逃逸系统和故障检测处理系统,其可靠性指标从0.91提升至0.97,安全性指标达0.997,完成了普通运载火箭到载人运载火箭的跨越。
长征二号F运载火箭享有“神箭”美誉,发射成功率达100%,在执行神舟十五号发射任务中,火箭进行了起飞时间偏差修正、遥测系统发射机和导航接收机等技术升级,启用了全新的地面设备,并开展了45项技术状态改进,可靠性指标进一步提升至0.9895,安全性指标达0.99996,确保火箭准时发射、稳定飞行、精确入轨,圆满完成发射任务。
发射场
中国航天发射场主要承担载人飞船和空间实验室的发射任务,是负责运载火箭、飞船、空间实验室、有效载荷和航天员系统装船设备在发射场的测试和发射,并提供相应保障条件。酒泉载人航天发射场于1998年正式投入使用,采用了具有国际先进水平的“垂直总装、垂直测试、垂直运输”及远距离测试发射控制的先进模式。酒泉发射场总体单位是中国酒泉卫星发射中心,总指挥是邹利鹏,总设计师是郑永煌。
酒泉发射场针对神舟十五号船箭组合体在低温严酷环境下执行载人飞行任务的情况,对地面设备已进行全面更新改造,对发射场配置的两套整流罩内送风设备保障性进行确认,并约定按照温度上限进行送风。
飞行历程
发射对接
2022年11月29日23时08分,搭载神舟十五号载人飞船的长征二号F遥十五运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射,约10分钟后,神舟十五号载人飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,航天员乘组状态良好,发射取得成功。。
北京时间2022年11月30日5时42分,神舟十五号成功自主对接于中国空间站天和核心舱的前向端口,整个对接过程历时约6.5小时。
太空会师
2022年11月30日7时33分,神舟十五号乘组费俊龙、邓清明、张陆顺利进驻中国空间站,与神舟十四号乘组陈冬、刘洋、蔡旭哲首次实现“太空会师”。随后,“胜利会师”的两个航天员乘组,一起在中国人自己的“太空家园”里留下了一张足以载入史册的太空合影。后续,两个航天员乘组将在空间站进行首次在轨轮换。其间,6名航天员将共同在空间站工作生活约5天时间,完成各项既定任务和交接工作。
乘组交接
从外观上神舟十四号、神舟十五号两艘飞船完全一样。在地面飞控中心,研制人员为了区分,给每艘飞船一个特定的标识符,像身份证号一样加在上行、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。
2022年12月2日晚,神舟十四、神舟十五号航天员乘组进行空间站交接仪式,两个乘组移交了中国空间站的钥匙。两个乘组的6名航天员分别在确认书上签字,中国空间站正式开启长期有人驻留模式。
在轨工作
神舟十五号航天员进驻后对空间站开展了持续的载人环境维护照料,完成了电解制氧补水、梦天舱二氧化碳净化器转运安装以及空气、水样和表面微生物真菌计数等工作,并在神舟十四号航天员乘组撤离后进行了轮换状态恢复和物资整理等。航天员乘组还在轨完成了问天实验舱 CMG(控制力矩陀螺) 设备在轨组装、梦天实验舱两相实验柜解锁安装、燃料科学实验柜插件安装、高温材料科学实验柜解锁安装等设备设施组装工作,并进行了十余项状态测试和性能测试。实(试)验主要以样本随载人飞船上行的、有时限要求的细胞学、植物学等实验项目为主,并行开展了操作力变化规律研究、眼手协调测试、在轨脑电实验、在轨情绪评价和应急决策能力评估等人因领域研究项目。
任务载荷
飞行任务
•t太空“会师”
神舟十五号、神舟十四号两个乘组6名航天员在太空“会师”,“面对面”进行在轨交接,是该次任务的首要看点。在轨交接将是未来中国空间站运营期间主要的任务交接模式,相较地面交接更加高效可靠。
•t长期驻留
神舟十五号乘组作为空间站完成在轨建造后到访的首个乘组,将开展空间站三舱状态长期驻留验证工作;航天员将完成15个科学实验机柜解锁、安装与测试,开展涵盖空间科学研究与应用、航天医学、航天技术等领域的40余项空间科学实验和技术试验;计划实施3~4次出舱活动,将首次使用梦天实验舱的货物气闸舱转移物品。
•t两船停靠
在空间飞行任务期间,神十四和神十五两艘载人飞船首次同时停靠空间站。神舟十五号停靠于天和核心舱前向端口,神舟十四号停靠于天和核心舱径向端口,两艘飞船同时与空间站进行信息代传、通风换热、并网供电等常态运行。
•t最大构型
神舟十五号载人飞行任务是中国空间站建造阶段的最后一次飞行任务,飞船与空间站组合体交会对接后,中国空间站将以独特造型,即由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱以及两艘载人飞船和天舟五号货运飞船组成“三舱三船”的组合体,是中国空间站的最大构型,总质量近百吨,向全世界展现中国载人航天工程的能力。
•t多种工作
神舟十五号飞行任务期间,神十五乘组将重点开展6个方面工作:
一是开展空间站三舱状态长期驻留验证工作;二是完成15个科学实验机柜解锁、安装与测试,开展空间科学研究与应用、航天医学、航天技术等领域的40余项空间科学实验和技术试验;三是实施3至4次出舱活动,完成梦天舱扩展泵组和载荷暴露平台设备安装等工作;四是验证货物气闸舱出舱工作模式,与地面协同完成6次货物出舱任务;五是开展常态化的平台测试、维护及站务管理工作;六是开展在轨健康防护锻炼、在轨训练与演练等工作。
设备载荷
2022年11月29日,由中国科学院牵头负责的中国载人航天工程空间应用系统研制、昵称为生命科学“小立方”的两项科学实验的样品及实验单元——“空间辐射计量及生物损伤评估技术”和“空间微重力环境调控植物细胞结构和功能的分子网络研究”,搭乘成功发射的神舟十五号载人飞船进入太空,前往中国空间站开展空间科学研究。
•t实验一载荷
“空间辐射计量及生物损伤评估技术”实验,将在中国空间站问天实验舱生命生态实验柜的小型通用培养实验模块中开展,通过微流控芯片流体控制的方式对单个线虫进行培养、光学监测和分析技术,实现辐射损伤标志物在轨检测,建立一种空间辐射计量及生物损伤评估的方法,为空间辐射损伤评估和医学诊断与防护提供重要支撑;通过对返回线虫样品进行系统生物学分析,揭示空间辐射对线虫辐射损伤与修复的分子机理,研究空间辐射和微重力生物学效应的协同作用机制。
•t实验二载荷
“空间微重力环境调控植物细胞结构和功能的分子网络研究”实验,则将在问天实验舱生命生态实验柜的通用生物培养实验模块中开展,通过研究空间微重力环境调控植物细胞结构和功能的分子网络,揭示植物感受微重力环境的信号转导机制及其调控网络;研究激素转运系统参与植物响应微重力的机理、微重力诱导的转录因子调控植物细胞壁形成机理,阐明植物对空间微重力环境适应的机理。
•t“时鲜”物资
在神舟十五号发射前6小时,飞船舱门打开,操作人员在飞船轨道舱内安装了一些“时鲜”物资,它们将跟随航天员一同出发,乘坐“特快专列”前往中国空间站。这批临时上船的物资里,有生物实验项目所需的线虫、植物,它们对环境要求很高,为此科研人员人工打造了一条运输“冷链”,在发射前快速装货,确保实验物品的时效性。享受类似待遇的还有新鲜水果,作为空间站里受航天员欢迎的食品之一,苹果、葡萄等时令鲜果也将以最新鲜饱满的状态抵达空间站。
航天育种实验项目清单
2023年1月12日,中国载人航天工程官方公布了公布神舟十四号和神舟十五号载人飞船航天育种实验项目清单。据悉,神舟十四号和神舟十五号载人飞船共搭载 112 家单位 1300 余份作物种子、微生物菌种等航天育种材料。
能源系统
神舟十五号的在轨能源管理系统负责载人飞船的并网供电策略,对于空间站的整体能量调配管理,并不仅是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,结合神舟十五号自身工作模式,设置一套既能维持飞船系统稳定停靠运行,又尽量给空间站‘减负’的动态用电模式。根据在轨飞行中太阳入射角的变化,梯次配置了4种用电模式,其中两种模式中,神舟十五号需要寻求空间站的并网援助,另两种模式可独立完成能源供应。
技术创新
快速对接
神舟十五号采用快速交会对接模式,首次与90吨级的空间站组合体在前向端口对接,实现刚性连接。核心舱上的对接口“满员”停靠,所有对接机构全部“上岗”工作。为了实现可靠对接、安全停靠,型号研制队伍在地面通过了31次捕获缓冲试验,验证了对接机构具备在单项极限偏差、组合偏差共31种工况下的捕获缓冲能力,使对接机构的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。
能源调控
中国空间站首次同时停靠两艘载人飞船,其中,神舟十五号停靠空间站节点舱前向对接口,神舟十四号停靠在空间站节点舱径向对接口。由于停靠位置的不同,看似状态相同的两艘飞船,无论是光照发电条件,还是天地通信条件,都是完全不同的。来自空间站四组超大柔性太阳电池翼和三个巨型舱体的遮挡,导致两船的能源需求和天地通信需求各不相同。为此,研制团队通过精细制定能源并网时机,精准调控能源并网功率,不仅可以让两艘载人飞船实现用电自由,还能避免能源过剩造成的用电风险。同时,两船在轨的天地通信可通过各种信息大联合,由空间站代传相关信息和指令,统一分配通信资源,实现两船天地测控无缝衔接。
新型装置
•t云测试飞控
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”的功能。“云测试”,使技术保障人员无论身处何处,都能为飞船做“体检”;“云飞控”,意味着能够在飞船完成关键动作期间,都能得到专家的全力支持。
•t新型仪表
神舟十五号的综合显示单元和时间单元、发声单元、手控左/右面板单元、编码指令设备等设备分别作为飞船终端显示仪表、终端语音仪表、手控终端仪表和终端控制仪表,为航天员提供飞船运行过程中的参数显示、语音播报、运动控制指令发送。在飞船飞行期间航天员着航天服被束缚时,手控右舱壁单元和开关指令板为其提供必要的操控界面,并具备声、光反馈功能。
针对神舟飞船任务要求,研制团队在以上仪表产品中应用了具备高可靠性和高安全性的处理器平台,研发了多项关键技术。其中最关键的处理器抗辐照加固技术,可以确保在复杂宇宙射线和高速粒子条件下,高速硬件系统正常的工作。该技术在有辐照环境的一些特殊工业领域中,存在非常有价值的技术应用前景。
•t仪板减震
仪表板作为飞船仪表设备的承重部件,其整体框架式构型不仅为仪表显示设备和主要手控设备提供独立的空间,而且为它们提供了准确可靠的安装接口。仪表板通过四个金属橡胶减振器实现与飞船舱壁的可靠联接,四个金属橡胶减振器结构上既有金属的固有特性,又有橡胶的弹性。在飞船发射、飞行和返回过程中遇到较大的振动、冲击等情况时,能够为飞船上的仪器设备提供必要的力学工作环境。
•t内外照明
神舟十五号载人飞船在轨飞行时会周期性经过地球阴影区,经历长时间的黑暗,因此在与空间站对接后的照明问题就很重要。为了适应外层空间的复杂环境,神舟十五号载人飞船舱内照明设备(近距离泛光照明)和交会对接照明设备(远距离透光照明)采用了先进的固态照明光源。该光源的优点是耐冲击、抗振动、功耗低、稳定性高,但受限于发光材料的性能,固态照明对高温环境和低温环境都比较敏感。研制团队先后突破了空间二次光学系统设计、在轨抗特殊空间环境设计、敏感器件抗力学环境设计等技术难题。
•t快速检漏
神舟十五号与空间站组合体对接后,航天员要进入到空间站,期间要经历多次穿舱活动,都需要打开和关闭舱门,因此精准快速检测舱门的密封性至关重要。舱门检漏仪的作用就是检测神舟飞船的舱门是否达到了密封状态,它通过内部的核心传感系统,感受压力和温度的变化,在短时间内判断舱门是否关闭完好,并向航天员发送“舱门已关好,可以脱航天服”的指令。
早期的神舟飞船是整舱加压,通过检测整舱舱压变化来判断舱门的密封性,这种方法虽准确、可靠,但缺点是耗时长。舱门快速检漏仪实现了对神舟飞船舱门和对接面的快速、准确检漏,填补了中国国内在该领域的空白。
•t微重开关
微波重力水平开关从神舟七号飞船开始,就成功应用到神舟系列飞船等各类型号任务中。返回舱的通信天线有两路,由于舱体落地后的姿态是不确定的,为保证通信质量,需要自动接通相对水平面较高的一路天线,同时断开另外一路。比起神舟系列飞船早期使用的进口单刀双掷汞开关,微波重力水平开关采用的是更为先进可靠的电控技术,通过测量天线敏感轴的重力分量,来表征天线敏感轴与水平面的夹角,实现自动切换通信天线方向,技术指标和安全性、可靠性均优于进口的汞开关。
文化特色
纪念邮票
为纪念神舟十五号载人飞船发射成功、6位中国航天员首次实现“太空会师”,中国载人航天工程办公室授权中国集邮有限公司发行了《中国空间站神舟十五号载人飞船发射成功》纪念封、《中国空间站神舟十五号载人飞行任务》纪念封、《中国空间站神舟十五号载人飞行任务》纪念邮折、《中国空间站神舟十五号载人飞行任务》纪念邮册等纪念邮品。
总体评价
神舟十五号飞行任务是中国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,具有承前启后的重要作用。
神舟十五号飞行是中国载人航天工程立项实施以来的第27次飞行任务,也是进入空间站阶段后的第4次载人飞行任务。此次发射成功标志着空间站关键技术验证和建造阶段规划的12次发射任务全部圆满完成。自2021年4月底天和核心舱发射以来,中国航天仅用不到20个月时间,先后在文昌、酒泉两个发射场成功组织3次空间站舱段、4次载人飞船和4次货运飞船发射,同一发射场两次任务最短间隔仅12天。三十而立的载人航天工程用连战连捷、任务全胜的优异战绩,在探索浩瀚宇宙的新征程上跑出了中国航天的“加速度”。(环球网、中国载人航天网 评)