神舟十六号(Shenzhou XVI 或 Shenzhou-16,简称:神十六),是
中国载人航天工程神舟系列载人飞船的第十六艘飞船。
中国空间站应用与发展阶段的首艘载人飞船。
研制历程
历史背景
1992年9月,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。
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,实现了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,标志着工程第二步第一阶段任务全面完成。
2010年,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,工程第二步任务目标全部完成。
空间站阶段: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。中国载人航天已全面迈入空间站时代,于2022年前后完成空间站在轨建造任务。
研制进程
2022年4月报道,新批次神舟十六号飞船进行了部分技术改进,研制交付工作正在稳步推进。
2022年6月,据中国载人航天工程办公室消息,神舟团队按计划执行返回、两船次交会对接、三船次应急救援待命任务,涉及神舟十三号至神舟十六号共四艘神舟飞船。
2022年10月6日,据央视军事消息,从酒泉卫星发射中心了解到:神舟十六号工作基本准备完毕,具备迎接飞船和火箭进场条件。
2022年12月,据央视军事消息,神舟十六号飞船已经在发射场完成了总装测试工作,进入应急救援待命状态。
北京时间2023年5月10日21时22分,搭载天舟六号货运飞船的长征七号遥七运载火箭,发射取得成功。据悉,天舟六号货运飞船装载了神舟十六号和神舟十七号6名航天员在轨驻留消耗品、推进剂、应用实(试)验装置等物资。
2023年5月22日,神舟十六号载人飞船与
长征二号F遥十六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,后续将开展发射前的各项功能检查、联合测试等工作,计划择机实施发射。
2023年5月26日,神舟十六号载人飞行任务展开发射场系统合练。该次全系统发射演练内容与正式发射程序基本相同,飞船进行系统功能检查,神舟十六号航天员进入飞船返回舱,开始人、船、箭、地联合检查测试。5月28日,神舟十六号载人飞船发射任务组织全区合练。发射任务各系统已经完成了相关功能检查,并做好发射前的各项准备工作。
飞行乘组
神舟十六号乘组是中国空间站进入应用与发展阶段迎来的首个乘组。景海鹏、朱杨柱、桂海潮3名航天员将执行神舟十六号载人飞行任务,由景海鹏担任指令长。其中,景海鹏执行过神舟七号、神舟九号、神舟十一号任务;朱杨柱、桂海潮均为首次飞行。
相比以往乘组,神舟十六号乘组有3个特点:
一是“全”:首次包含了航天驾驶员、航天飞行工程师、载荷专家3种类别的航天员类型;
二是“新”:第三批航天员首次执行飞行任务,也是航天飞行工程师和载荷专家首次执行飞行任务;
三是“多”:航天员景海鹏第四次执行飞行任务,是中国截至2023年为止“飞天”次数最多的航天员。此前,航天员景海鹏先后参加过神舟七号、九号、十一号载人飞行任务。
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。
为满足空间站任务需求,神舟十六号载人飞船在确保可靠性、安全性的前提下,以最短时间、最高标准完成了上百项器件更改和可靠性提升等验证工作,进一步增强自主健康管理功能,全面实现了神舟飞船在“空间站时代”的再升级。
火箭系统
神舟十六号飞船搭载的是中国研制长征二号F遥十六运载火箭。
长征二号F(CZ-2F)是捆绑四枚助推器的两级运载火箭,采用N2O4/UDMH推进剂,可安装上面级,起飞重量为480吨,火箭全长58.34米,一二级直径为3.35米,助推器直径为2.25米,整流罩直径为3.8米,近地轨道运载能力8500千克。由于承担载人运载任务,长征二号F运载火箭的高可靠性和安全性是它最大特点,其可靠性指标达到0.98,安全性指标达0.997。长征二号F运载火箭研制总体单位:中国运载火箭技术研究院;总指挥:
荆木春;总设计师:
容易。
执行神舟十六号发射任务的长征二号F火箭共有20项技术状态变化。研制团队重点围绕冗余度提升和工艺改进,持续提升火箭的可靠性,同时继续推进箭上多个电气系统元器件国产化工作。通过针对所有故障模式制定有效措施,如设置强制检验点等,长二F研制团队进一步降低了全箭故障发生的概率,提升了火箭可靠性。该次长二F遥十六运载火箭可靠性设计改进工作持续开展,继续从冗余度提升和工艺性能方面进行改进。例如进一步提升火工品的发火环节冗余程度,提升分离可靠性。
针对涉及控制系统、火工品、发动机等关键产品,影响飞行成败的点火、分离等关键环节,长二F运载火箭团队开展了设计指标闭合检查工作。针对点火—起飞、逃逸塔分离、助推器分离、级间分离、整流罩分离、船箭分离等多个正常飞行时序功能,4个逃逸程序和船箭应急分离飞行时序功能,开展指标闭合性检查。通过对火箭各系统射前地面工作流程和飞行时序的设计正确性,系统间时序动作协调匹配性,控制系统、火工品、发动机等重要产品的设计状态、实际指标等重要因素进行复查确认,保证全箭飞行动作的稳妥可靠。火箭的控制系统应用了起飞时间偏差修正技术,使火箭点火时间出现偏差时,可以在一定范围内自动修正轨道完成入轨和交会对接任务。同时,型号队伍对遥测系统也进行了升级迭代,使遥测精度得到进一步提升。
发射场区
酒泉卫星发射中心的载人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。
飞行历程
发射升空
2023年5月29日,据中国载人航天工程办公室消息,神舟十六号瞄准5月30日9时31分发射。神舟十六号航天员乘组由
景海鹏、
朱杨柱、
桂海潮3名航天员组成,计划11月返回东风着陆场。
北京时间2023年5月30日6时42分,神舟十六号载人飞行任务航天员乘组出征仪式在酒泉卫星发射中心问天阁圆梦园广场举行。6时44分,中国载人航天工程总指挥、空间站应用与发展阶段飞行任务总指挥部总指挥长许学强下达出发命令,景海鹏、朱杨柱、桂海潮3名航天员领命出征。
2023年5月30日9时31分,搭载神舟十六号载人飞船的长征二号F遥十六运载火箭在酒泉卫星发射中心发射升空,航天员乘组状态良好,发射取得成功。
交会对接
挑战百吨级交会对接。
神舟十六号发射入轨后就要去找空间站组合体并和它交会对接。该次交会对接,是8吨重的神舟飞船与百吨级的空间站组合体实施径向对接,任务难度高。神舟十六号发射后,将通过快速交会对接的模式,经过约6.5小时的飞行,从空间站径向对接口也就是空间站的“下方”与空间站对接,对接百吨级的航天器,为对接机构的研制带来了不小挑战。
径向交会对接约需6.5小时。
神舟十六号与火箭分离后,将进行多次变轨,来到与空间站相同的轨道上。飞船入轨后,通过北斗导航信息进行绝对的定位,然后控制飞船要执行6次轨道控制任务,这个过程大概是绕地球飞行3圈的时间。经过三圈的飞行,也就是约四个半小时后,神舟十六号飞船将来到相距空间站50千米位置。50千米的时候,飞船自己的交会测量敏感器,像微波雷达、空空通信设备这些就能跟空间站建立交互了。
接下来,神舟十六号飞船要不断地确认位置关系,调整自己的姿态和速度,逐渐靠近空间站,来到距离空间站约2千米的“中途瞄准点”,这是一个非常关键的节点。
神舟十六号从这个水平对地的飞行会逐渐将船头朝向上方完成一个90度的这样一个动作,然后到空间站的下方的200米处。此时,飞船将完成姿态调整,处于和空间站垂直的方向,到了这一步,神舟十六号还不能直接与空间站对接,而是还需要进行一个转身。在200米保持的期间,它还有一个滚动180度的这样一个调姿的动作,它要转个圈,主要是为了适应对接机构的方向。
在最后对接过程中,神舟十六号将不断靠近核心舱径向对接口,在相距19米的时候,飞船还要进行短暂的停留,对最终状态进行确认。 最后,神舟十六号缓缓靠近核心舱,此时飞船上的主动捕获装置,在对接时会提前伸出,就在与核心舱的对接机构接触的一瞬间,紧紧抓住并拉回再锁死,最终完成对接。这一系列动作全部都由飞船自主完成。
据中国载人航天工程办公室消息,神舟十六号载人飞船入轨后,于北京时间2023年5月30日16时29分,成功对接于空间站天和核心舱径向端口,整个对接过程历时约6.5小时。按任务计划,3名航天员随后将从神舟十六号载人飞船进入空间站天和核心舱。神舟十五号航天员乘组已做好迎接神舟十六号航天员乘组进驻各项准备工作。
进空间站
2023年5月30日,在载人飞船与空间站组合体成功实现自主快速交会对接后,神舟十六号航天员乘组从飞船返回舱进入轨道舱。
北京时间2023年5月30日18时22分,神舟十五号航天员乘组打开“家门”,欢迎远道而来的神舟十六号航天员乘组入驻“天宫”。随后,两个航天员乘组拍下“全家福”,共同向牵挂他们的全国人民报平安。后续,两个航天员乘组将在空间站进行在轨轮换。期间,6名航天员将共同在空间站工作生活约5天时间,完成各项既定工作。
2023年7月19日,据中国载人航天工程办公室消息,自北京时间2023年5月30日进驻空间站组合体以来,神舟十六号航天员乘组已在轨工作51天,为期5个月的太空科研之旅已完成近三分之一,承担的各项空间科学实(试)验任务扎实稳步推进,将于近日择机执行出舱活动。
北京时间2023年7月20日21时40分,经过约8小时的出舱活动,神舟十六号航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮密切协同,在空间站机械臂支持下,完成出舱活动全部既定任务,航天员景海鹏、朱杨柱已安全返回空间站问天实验舱,出舱活动取得成功。
2023年10月25日消息,神舟十六号飞行任务在航天员与地面科技人员密切配合下,空间应用项目正按计划稳步推进,共开展了70项航天医学、生命生态、生物技术、材料科学、流体物理、流体力学、航天技术等空间实(试)验和8项人因工程技术研究,获取了大量的实验数据,还有一些实验样品将随神舟十六号飞船下行,部分项目已取得阶段性应用成果,空间站作为国家太空实验室的综合效益正在逐步显现。该次任务期间,他们还完成了一次航天员出舱活动、一次“天宫课堂”太空授课、多次载荷出舱、配合完成天舟五号货运飞船分离撤离等工作。
空间实验
2023年10月25日消息,神舟十六号飞行任务在航天员与地面科技人员密切配合下,空间应用项目正按计划稳步推进,共开展了70项航天医学、生命生态、生物技术、材料科学、流体物理、流体力学、航天技术等空间实(试)验和8项人因工程技术研究,获取了大量的实验数据,还有一些实验样品将随神舟十六号飞船下行,部分项目已取得阶段性应用成果,空间站作为国家太空实验室的综合效益正在逐步显现。该次任务期间,他们还完成了一次航天员出舱活动、一次“天宫课堂”太空授课、多次载荷出舱、配合完成天舟五号货运飞船分离撤离等工作。
神舟十六号乘组各项在轨工作进展有序,航天员与地面科技人员密切配合,空间应用项目正按计划稳步推进,共开展了70项航天医学、生命生态、生物技术、材料科学、流体物理、流体力学、航天技术等空间实(试)验和8项人因工程技术研究,获取了大量的实验数据。值得期待的是,神舟十六号乘组返回前,还将视光照条件由航天员手持高清相机通过飞船绕飞拍摄空间站组合体,将有望在轨首次获取以地球为背景的空间站组合体全貌图像,这将是第一张反映空间站全构型的“工作照”。
返回着陆
神舟十六号航天员乘组在与神舟十七号航天员乘组完成在轨轮换任务后,瞄准2023年10月31日返回东风着陆场。
据中国载人航天工程办公室消息,北京时间2023年10月29日,神舟十六号、神舟十七号航天员乘组进行交接仪式,两个乘组移交了中国空间站的钥匙。
神舟十六号航天员乘组已完成全部既定任务,于10月31日乘坐神舟十六号载人飞船返回东风着陆场。着陆场及各参试系统正在紧锣密鼓做好迎接航天员回家的各项准备。
北京时间2023年10月30日20时37分,神舟十六号载人飞船与空间站组合体成功分离。
2023年10月31日清晨,神舟十六号载人飞船轨道舱与返回舱成功分离,神十六航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮踏上回家之路。
北京时间2023年10月31日8时11分,神舟十六号载人飞船返回舱在东风着陆场成功着陆,现场医监医保人员确认航天员景海鹏、朱杨柱、桂海潮身体健康状况良好,神舟十六号载人飞行任务取得成功。
2023年10月31日,神舟十六号航天员乘组安全出舱。
任务载荷
飞行任务
搭载物品
神舟十六号飞船共遴选出53个单位的136种份航天育种实验材料实施搭载。其中包括农作物47份(粮食作物种子12份、经济作物种子28份、耐盐碱植物7份);林草、花卉和药用植物76份(林木17份、饲草21份、花卉7份、药用植物31份);微生物和其它13种(农业微生物菌种2种、工业微生物菌种3种、食用菌3种、藻类和苔藓5种)。
2023年11月13日,载人空间站材料类科学实验样品交接仪式在嘉定举行。本批空间材料实验样品是空间站高温材料实验柜下行的第二批材料样品和无容器实验柜下行的第五批样品。材料样品于10月31日随神舟十六号载人飞船返回舱从中国空间站返回地面。本批次随高温材料货包返回的样品包括5盒高温材料实验样品和2盒无容器材料实验样品,分别来自中国科学院金属研究所、西北工业大学、清华大学和上海交通大学,本次返回的样品主要是以高温合金类材料为主;12月,搭乘“神舟十六”飞船遨游太空五个月的468克、799粒黑老虎太空种子移交湖南环境生物职业技术学院,意味着黑老虎太空种子育种实验在该校正式落地。
技术创新
整流罩解锁
发射神舟十六号载人飞船的长征二号F运载火箭,解锁打开整流罩两个半罩的方式与众不同。
中国
长征三号甲系列、
长征五号系列、
长征七号火箭等大多数火箭整流罩的“开门”动作,都是用火工品解锁分离。长二F火箭则比较特殊,它在中国国内首次使用一种机械锁式机构,该把“门锁”的特点是多点联动,有点像飞机的舱门。
选择机械锁解锁是由于机械锁承载力强,安全性、可靠性更高,具备可检、可测、可重复使用等优点。载人火箭的特殊性,决定了火箭整流罩解锁装置既要满足正常飞行,又要满足逃逸飞行,并在逃逸飞行时承受住一定的载荷压力。研制团队经过详尽计算,确定了锁的数量、连接力和空间位置布局,最终使用5种规格共计32把锁作为整流罩解锁机构。
32把锁分布的位置、大小、间距都不同,之间通过拉杆连接,每根拉杆就如同琴弦。相比火工品分离解锁,该套机构要控制解锁力不能太大,锁也要足够结实,不能在运输、起吊等过程中发生大的变形。在解锁时,这32把锁要在不大于0.1秒的时间内同步解开,整流罩才能“开门”。整流罩解锁机构直接关系到航天员安全,就像一把把“生命锁”。“针对该套机构全生命周期严格检验和测试,确保上箭的每把锁都满足功能性能要求。研制团队还会不断地通过技术改进和流程优化,持续提高载人火箭的安全性和可靠性。
径向对接
神舟十六号载人飞船采取径向对接的方式与空间站进行交会对接,停靠于空间站核心舱的径向端口。这是中国空间站应用与发展阶段首艘载人飞船的交会对接任务,也是在空间站三舱“T”字构型下实施的首次径向交会对接任务,相较于空间站建造阶段神舟十三号、十四号载人飞船实施的径向交会对接,神舟十六号载人飞船的交会对接任务有着不一样的难度。神舟十四号载人飞船径向停靠空间站,飞船的对接目标为47吨级,该次神舟十六号载人飞船将首次在空间站有人驻留情况下,与90吨级的空间站组合体进行径向对接。更大的组合体质量和尺寸无疑会带来新的难度,作为载人天地往返的关键核心产品,对接机构将再次面临与多构型、大吨位、大偏心对接目标的捕获、缓冲、刚性连接等全新挑战。
空间站组合体的尺寸、质量、惯量以及重心位置等影响姿态控制的核心要素与核心舱单舱相比变化较大,部分参数甚至存在跨数量级的增长。飞船交会对接特别是近距离对接时采用的是相对姿态位置控制方法,空间站运动特性的变化会直接影响飞船的交会对接控制过程。虽然此前神舟十五号已成功完成空间站“T”字构型的交会对接任务,但其对接的位置为空间站前向对接口。空间站在不同方向上运动特性有所区别,神舟十六号进行的径向对接,需要制导导航与控制系统依靠自身的能力克服上述变化带来的影响。
神舟十六号载人飞船在进行径向交会对接任务时,是沿着天和核心舱下方的径向对接口逐渐靠近空间站组合体。从飞船的视角看,天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱、天舟六号货运飞船以及神舟十五号载人飞船均会出现于神舟十六号载人飞船的视野中,这对于其上安装的需要以宇宙背景或太阳作为观测目标的测量敏感器来说,会产生视线上的遮挡。随着神舟十六号载人飞船和组合体距离逐渐逼近,遮挡会越来越多,需要依靠制导导航与控制系统配备的敏感器自身的抗干扰或目标特性识别能力加以区分和屏蔽,或采用不同测量方位、测量体制的备份测量敏感器来保证持续、准确的测量能力。
同时,空间站组合体尺寸的增大还会使得飞船和空间站组合体的发动机工作时,羽流间的相互影响相比以往发射和对接任务的情况变得更加复杂。飞船在近距离交会过程中需要频繁启动发动机进行相对姿态和位置的调整,这将对悬浮在太空中的空间站姿态产生影响。组合体舱段的增加,导致神舟十六号载人飞船任务中的上述特性更为复杂。此外,空间站的喷气控制也会影响飞船自身的控制。对于这一问题,神舟飞船制导导航与控制系统在发动机分组使用和控制方法上进行优化,并通过地面的仿真计算加以验证,确保任务成功。
文化特色
任务标识
2023年2月15日消息,中国载人航天工程办公室正式启动年度载人飞行任务标识征集活动,面向社会公开征集2023年两次载人飞行任务、一次货运飞船飞行任务任务标识。2月16日报道,计划5月发射神舟十六号载人飞船。3月21日,神舟十六号载人飞行任务标识发布。4月,国家知识产权局发布关于核准“神舟十六号载人飞行任务”等3件特殊标志登记的公告。
纪念邮品
2023年5月30日,为纪念神舟十六号载人飞船发射成功,中国航天集邮协会特印制纪念封一枚。
总体评价
神舟十六号任务是中国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段的首次载人飞行任务,在航天员乘组和地面科研人员密切配合下,开展了人因工程、航天医学、生命生态、生物技术、材料科学、流体物理、航天技术等多项空间科学实(试)验,在空间生命科学与人体研究、微重力物理和空间新技术等领域取得重要进展,迈出了载人航天工程从建设向应用、从投入向产出转变的重要一步。(中国载人航天工程网 评)
神舟十六号航天员乘组具有“全”“新”“多”的特点:首次包含“航天驾驶员、航天飞行工程师、载荷专家”三种航天员类型;第三批航天员首次执行飞行任务,也是中国航天飞行工程师和载荷专家的首次太空飞行;景海鹏成为中国首位四度飞天的航天员,也是中国迄今为止飞天次数最多的航天员。该次任务是中国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段的首次载人飞行任务。(北京科协 评)