中新网10月16日电题：神奇轨道舱--双重功能建奇功
——中国神舟神箭研制的12大攻关奇迹之七
作者：周武
我国的神舟号飞船外形与俄罗斯联盟号飞船很像，在功能上却有很大的不同，最主要的不同是在轨道舱上。神舟号飞船的轨道舱兼有宇航员生活舱和留轨试验舱两种功能。与返回舱分离后，轨道舱还将在轨道上停留半年，相当于一颗人造卫星的功用，进行一系列科学实验，同时它还能作为未来空间交会对接的一个飞行器。
颇具中国特色的神奇轨道舱，主要是在舱外加了一对太阳能电池阵，又在宇航员返回后单独在轨道停留半年。这一“加”一“留”，说起来轻巧，对科研人员来说，却是出了一大堆的难题。令人高兴的是，在攻克一道道难题中，我国不但取得了一系列的技术突破，也为未来研制低轨道长寿命飞行器打下了坚实的基础。三舱设计为留轨实验埋下伏笔
载人航天工程立项前后，有一段小插曲。这就是对我们自己的飞船做成两舱还是三舱的争论。
早期的飞船都是采用两舱设计，如前苏联的东方号、上升号，美国的水星崐号、双子星座号飞船都是采用两舱设计。随着技术的发展和飞船飞行任务的日益复杂，两舱式飞船不能满足航天员对活动空间的需求，美国阿波罗飞船和俄罗斯(前苏联)联盟号飞船等第三代飞船都是按三舱方式设计。我国飞船到底从那起步呢?
据中国空间技术研究院的人员介绍，1991年4月，中国空间技术研究院成立了载人飞船论证组，由范剑峰任组长，李颐黎任副组长。在8个月的论证中，中国空间技术研究院出现了3种方案：三舱方案、两舱方案和硬通道方案。
三舱方案就是现在神舟号飞船采用的，轨道舱在最上面，返回舱在中间，推进舱在最下面。采用三舱结构增加了一个轨道舱，它是航天员在太空自由飞行时的生活舱和工作舱，航天员返回地面之前将其分离掉，这样返回舱就可以适当减小尺寸，以供航天员上升和返回使用。这种方案的缺点是发射段救生复杂。
两舱方案是没有轨道舱，从救生的角度来说，逃逸系统只需带走两舱，救生简单。但如果载3名航天员的话，他们生活用品必须都放在返回舱中，返回舱直径必须做到3米以上，这会带来一系列技术难点：发射时火箭整流罩也要加大，对火箭来说，头大意味着不稳定;返回时的降落伞也要加大，现在2.5米直径的神舟号飞船返回舱就需1200平方米的降落��；而且，返回舱把不需要带回的都带回了，无形中加大返回舱的结构质量。
硬通道方案也是采用三舱，但返回舱在最上面，它采用一个外置刚性通道来连接返回舱和轨道舱，航天员可以通过通道进入轨道舱。这种方案因为返回舱在最上面，救生最容易，但这种通道的设计很难在技术上做到实用可靠，通道太大了，影响发射，太小了达不到目的。有趣的是专家们还真设计了这种通道,有的专家还专门爬过，事后觉得太困难了，想想航天员身穿航天服爬起来恐怕更难。
最后，中国空间技术研究院论证的结果主要集中在三舱方案和两舱方案之争上。在中国空间技术研究院上报方案的同时,上海航天技术研究院和中国运载火箭技术研究院也把自己的方案报到了航天部。上海航天技术研究院和中国运载火箭技术研究院都报的是三舱模式,中国运载火箭技术研究院的方案中还设计了一个大轨道舱，用作留轨实验。航天部专家评审组经过一番比较,最终采纳了三舱方案，并形成了神舟模式--轨道舱＋返回舱＋推进舱、两对太阳电池阵构型和升力控制返回、圆顶降落伞回收方案。
根据国情需要轨道舱留轨半年
轨道舱位于飞船的前部，为密封结构，其外形为两端带有锥角的圆柱形，在两侧各装有可绕单轴旋转的太阳电池阵，在外部还装有太阳敏感器和各种天线等，在不执行交会对接任务时，轨道舱前端安装的是附加段，在执行交会对接任务时轨道舱前部安装一个对接机构。其功能和用途为：航天员在轨道飞行期间的生活舱；有效载荷试验时的试验舱；交会对接试验时的目标飞行器；航天员出舱活动时的气闸舱；以及作为天地往返运输器时的货舱。轨道舱内装有船上各分系统为飞船自主飞行和留轨飞行工作所需的设备及有效载荷，有效载荷包括用来进行空间环境观测的各种相机、多模态微波遥感器和空间物理观测设备。这些设备分装于轨道舱内两侧，中间可作为航天员在太空中的生活空间。
我国的国情是物尽其用，一次试验，多方收效。神舟飞船的目的不仅仅是为了载人，它还有一系列的对地观测和科学实验任务：除继续进行对地观测和空间试验外，重点完成出舱活动、交会对接试验和发射空间实验室。利用留轨舱进行交会对接试验，可充分利用飞船的技术成果，研制出一个空间实验室，解决我国一定规模的空间应用问题，以弥补飞船的有效载荷少、飞行时间短、单位有效载荷发射成本太高的缺陷，使我国尽早建立起相对完整配套的载人航天工程体系。以载人飞船为天地往返运输系统，使之能长期运行，短期内有人照料，可以进行较大规模的空间应用活动。
早在1987年~1988年，载人航天工程早期论证中，航天部老专家任新民去508所视察时，就对508所参与论证的人员提出能不能搞一个留轨方案，要不航天员飞行7天返回后，轨道舱就被扔掉太可惜。在载人航天工程立项后，我国航天专家进行了创新设计，给轨道舱安上了一对太阳电池阵，让它具备180天的留轨能力。
从已发射的神舟飞船情况看，我国飞船留轨实验已取得丰硕成果。如神舟四号留轨的8台空间环境探测仪器随轨道舱在轨运行期间，对飞船运行轨道进行了更详细的监测，为研究和预报空间环境，改进飞船设计等提供数据服务，为载人飞船的正式飞行充当了“侦察兵”的作用。地球有60%-70%被云层覆盖，由微波辐射计、雷达高度计、雷达散射计三种模态仪器构成的多模态微波遥感崐器，不论刮风下雨和白天黑夜都能全天候全天时的工作，弥补了可见光、红外技术在恶劣天气下不能工作等缺陷。这种遥感器的上天和正常运行，结束了我国航天没有多模态微波遥感的历史。中国科学院的专家认为，如果这种遥感器用于今后的海洋和气象卫星上，对进一步分析海洋灾害、资源、风场，海洋动力环境和海气能量的转换等方面都会产生重要的作用和影响。在攻关中获得一系列技术突破
留轨半年，轨道舱相当于一颗卫星，但又不同于我国以前的卫星。它的轨道高度大约在350千米~400千米，而我国通信卫星的轨道高度在36000千米；返回式卫星轨道高度在180千米~400千米，但运行时间最长也不过15天，可以说，在低轨道长寿命卫星研制方面，我国并无太多的经验，因此轨道舱留轨状态下的崐设计也必须在摸索中完善。由于任务的特殊性，轨道舱在设计时带来了许多的特殊要求。为使轨道舱长期保持对地定向状态又不消耗过多推进剂，采用了动量轮姿态控制技术。
在载人时，轨道舱是航天员的生活舱，舱内温度要求保持在21℃±4℃，而留轨实验后，却不需要保持这种温度。如何解决轨道舱任务不同时的温差问题？据中国空间技术研究院飞船总体室副主任朱枞鹏介绍，卫星都采用被动温控，类似穿“棉衣”的办法，以“棉衣”来保温，热了敞开扣子。轨道舱则采用主动温控，类似于空调的办法，采用流体工质通过回路从高到低散热，来保持载人时舱内恒温。针对留轨时的要求，专家们还想出了一个类似“百叶窗”的办法，在轨道舱舱壁两侧安装了散热装置，载人阶段，“百叶窗”关闭，留轨时打开进行散热。
考虑到长达半年的宇宙辐射累计下来会对计算机造成影响，在芯片材料和软件方面，我国已采取了相应的措施，从神舟二号飞船到神舟四号的情况看，留轨舱上的计算机表现正常。
而长时间的空间辐射却给太阳能电池寿命带来了一些问题，并引起整个轨道舱寿命降低。据飞船副总设计师郑松辉介绍，卫星在轨运行中，当处在阳照区时，电池充电，在阴影区时放电，通信卫星由于轨道位置高，大部分时间位于阳照区，可以靠太阳能直接供电，充放电次数很少；而轨道舱的轨道周期约为90分钟，阳照区和阴影区不断交替，电池需要不断地充放电，这对电池寿命影响很大。而且，由于对空间环境的认识不足，加上在地面上无法完全模拟空间环境，在几艘飞船的太阳能电池阵的设计中，中国空间技术研究院和上海航天技术研究院的专家通过多次实验，逐渐认识到问题的症结：高空原子氧对飞行器表面的腐蚀和氧化作用造成了太阳电池寿命降低。现在专家们已通过在太阳电池阵上贴膜来逐步解决。
通过对留轨试验中出现的问题的解决，我国航天专家已对长寿命低轨道卫星设计积累了一定的经验。对我国载人航天工程来说，最终目的不仅仅是载人，而是在人的参与下对空间资源的开发利用，留轨实验将为这一切打下坚实的基础。
