神舟八号 (航天器)

神舟八号是中国“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。

名称
神舟八号飞船
制造商
中国航天科技集团公司
发射日期
2011年11月1日5时58分10秒
发射地点
酒泉卫星发射中心
运载火箭
长征二号F火箭
纬度
40°57′28″N
经度
100°17′30″E

1简介

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神舟八号神舟八号

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2011年11月17日19时许返回地面。

2结构特点

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神舟八号神舟八号

神舟八号是中国神舟系列飞船的第八个,简称神八,飞船为三舱结构,由轨道舱、返回舱和推进舱组成。本次飞行无人驾驶。神舟八号为改进型飞船,全长9米,最大直径2.8米,起飞质量8082公斤。神舟八号飞船进行了较大的技术改进,它发射升空后,与天宫一号对接,成为一座小型空间站。

神舟八号飞船为三舱结构,由轨道舱返回舱推进舱组成。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我国的标准型空间渡船,未来实现批量生产。

神舟八号为改进型飞船,全长9米,最大直径2.8米,起飞质量8130公斤。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。中德两国科学家将在神八上开展17项空间生命科学实验。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。

3研制历程

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2005年底,神舟八号首次对接缓冲试验在上海获得圆满成功。2011年9月24日,运载神舟八号的火箭抵达酒泉航天城

2011年10月26日,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遥八火箭在酒泉卫星发射中心载人航天发射场顺利转运至发射区,这标志着神舟八号飞船发射已进入倒计时。

2011年10月27日,已进入发射塔架的神舟八号进行了首次发射演练。同时进行的还有推进器加注演练和陆场搜救演练。

首次发射演练是每次发射前的必要演练,除了测试飞船、火箭的性能有无异常之外,更重要的是通过演练来衔接各系统的配合默契程度。神舟八号虽然是无人搭乘的飞船,但回收系统仍然按照高标准设计,因此,有关方面还进行了陆场搜救演练,即演练发现目标飞船、救援、回收等工序。首次演练顺利完成,标志着神舟八号船箭组合体已具备了发射条件。

2011年10月31日,实施运载火箭推进剂加注。

2011年11月1日5时58分07秒,点火。5时58分10秒430毫秒,发射升空。

4使用情况

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涵盖微生物、植物和动物等33种生物样品将装在40个有光照的容器中,随神舟八号飞船遨游太空。此次在飞船上进行的空间生命科学研究最大的亮点在于是中外首次合作。

2011年10月30日,中国科学院空间科学与应用总体部总体室主任设计师赵黎平介绍,2008年5月中德双方签订了《关于在神舟八号飞船上使用德国培养装置进行空间生命科学实验的协议书》,明确了双方的合作形式、分工以及重要的计划节点。由德方提供生物培养箱,中方负责电源箱,开展17项生命科学实验项目。其中,中方10项,德方6项,中德合作1项,涉及中方7家单位,德方6个大学。

同时,此次“神八”的主要任务是与此前发射的“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。

5型号演变

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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:

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。

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。

神舟飞船是中国自行研制,具有完全自主知识产权,达到或优于国际第三代载人飞船技术的飞船。神舟飞船系列分为:非载人试验:神舟一号、神舟二号、神舟三号、神舟四号;载人飞行:神舟五号、神舟六号、神舟七号;空间实验室:神舟八号;计划中的空间实验室:神舟九号、神舟十号。

6搭载物品

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神舟八号神舟八号

此次神八返回舱搭载的物品共八大类12个品种,包括作物种子、科学试剂、微生物菌种、邮品、书画作品及旗帜等八大类12个品种,包括:中国科学技术协会等单位主办的“开启天宫的梦想”系列科普活动征集青少年搭载实验方案光盘,湖南省委省政府的《锦绣潇湘》系列作品,总装备部政治部宣传部组织创作的人民科学家钱学森肖像,中国邮政集团公司制作发行的《当代传奇》贺卡,北京市科学技术委员会的农作物种子,中国国际红色文化交流促进会的《2009年中美老兵和平论坛书法作品》,中国航天报社等单位主办的“携手神八搭载梦想”活动征集作品芯片,神舟天辰实业公司的《番茄试管苗空间开花结实》实验装置以及河南省洛阳市的牡丹和芍药种子。 

7水稻生长实验

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空间微重力样品空间微重力样品

水稻是我国的主要农作物,是高等植物研究的模式植物,也是空间生命支持系统中重要的食物和氧气来源。此次神州八号飞船搭载的物品中有中科院植物研究所的实验材料——水稻种子。实验是中德合作的通用生物培养箱BBX中完成的,实验专用单元EUE为III型标准型植物生长容器,具有光照和透气不透水的生物膜,种子在太空萌发,生长成水稻幼苗。

光合作用是植物物质合成的关键反应,是影响植物生物量的主要限制因子,也是受控生态生命保障系统(CELSS)建立的理论基础。在空间环境中长时间保持较高水平的光合作用效率,是提高植物生物量的必要条件。阐明光合作用对空间环境的响应机理是空间植物学研究的重要课题,也是CELSS研究的关键步骤。本次实验的研究目标是通过空间飞行实验,研究水稻幼苗在空间环境下的生长发育以及空间飞行对植物代谢过程的影响,重点分析微重力等空间条件对植物光合系统结构和功能,特别是光合膜蛋白质组的影响。

实验初期的观察及分析显示,经过空间飞行,水稻幼苗能够正常生长,发芽率达到91%以上,与地面实验一致。初步的光合生理实验结果显示,微重力等空间环境对水稻幼苗光合系统的功能造成了一定的影响,光系统Ⅰ和光系统II的光合活性均有所降低。 

接下来,植物所的研究员将深入分析得到的光合生理数据,并进行叶片和根尖的亚显微结构分析,以及叶片的蛋白质组学研究等,深入研究空间飞行对水稻幼苗蛋白质组的影响,特别是与光合作用相关的代谢过程以及与光合能量传递相关的蛋白的影响,探讨空间环境下植物光合系统的变化规律。

8舱外试验

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交会对接大事记

交会对接交会对接 

11月1日清晨

“神舟八号”飞船在酒泉卫星发射中心成功“零窗口”发射升空

11月3日 

“神舟八号”飞船与“天宫一号”完美实现首次空间交会对接

11月14日 

“天宫一号”与“神舟八号”组合体成功分离并完成第二次对接

11月17日晚 

“神舟八号”飞船返回舱在内蒙古中部预定区域返回着陆

11月19日中午 

 “神舟八号”返回舱回到“出生地”——中国空间技术研究院

交会对接总体技术

交会对接任务总体技术涉及工程的各个方面,包括运载火箭、目标飞行器和追踪飞行器方案,及其发射入轨、变轨调相、交会对接轨道设计、测控网布局和飞行控制、故障对策等。在空间站运行阶段,还涉及与空间站人员轮换和物资补给密切相关的任务规划。

各国交会对接飞行阶段均划分为远距离和近距离导引两个阶段,前者的飞行控制由地面飞行控制中心根据飞行控制方案及测定轨和轨道预报结果实施,后者则由飞船自动控制,或由飞船或目标飞行器上的航天员人工控制实施。美国和俄罗斯上世纪六、七十年代进行交会对接时,主要以地面站为主进行测控,并采用数据中继卫星作为辅助手段,而欧洲和日本进行首次交会对接时均采用测控覆盖率和精度更高的GPS加数据中继卫星的天基测控网进行测控。

在近距离接近段,美国和前苏联分别采用了人控为主和自控为主的方案。人控具有系统简单、可靠的特点,缺点是仅适用于载人航天器(当然,现在的技术发展也使得人控能够通过遥操作实现),自控系统可以适用载人和不载人航天器,可以规避人员操作失误的风险,但系统更复杂。为提高可靠性,联盟和进步系列飞船均采用了自控为主、手控备份的交会控制系统,并且备份系统在数次飞行任务中发挥了重要作用。

对接过程有两种实现途径。一种是对接机构,典型的如“锥-杆”和“周边”式对接机构,这类机构均由主、被动两部分组成,作为被动的一端安装在目标飞行器上,而主动的一端则安装在追踪飞行器上,两飞行器进入对接走廊后利用其相对接近速度实现捕获,然后由对接机构完成锁紧等操作。另一种是利用机械臂完成捕获并送到指定对接口完成对接锁定操作。

交会对接五道关卡

神八飞抵太空,从自主控制,到与天宫的对接机构接触,再到两者连为一体,严丝合缝,全程约160分钟,每分每秒,都惊心动魄。在交会对接的全过程中,有5道关卡是横在神八面前,需要稳扎稳打,过五关,方能入住天宫。

关卡1 点火关:正负误差不超1秒

从神八发射起就必须精打细算。神八发射时间正负误差不超1秒,一旦超过1秒误差,就将导致神八与天宫的轨道面极大偏差。轻则将消耗大量燃料,降低航天器寿命,重则因燃料不足而无法交会。1968年前苏联的一次交会对接,燃料就在两个飞行器相距仅30厘米时耗尽,以失败告终。因此,神八发射前4小时,综合考量发射场风速、火箭起飞重量等数据,最终点火时刻锁定11月1日5时58分07秒。前15分钟,根据天文台授时的自动点火系统,神八准时点火,分秒不差起飞。同时,托举它的长征二号F遥八火箭,在飞行时不断修正轨道,创下入轨精度的最新纪录。

关卡2 追赶关:两天追上1万公里

如果相距遥远,需加大速度追赶,然而在太空中,飞船追赶天宫的最优方案,不是加速,却是不断减速。这是因为,在轨道周期不变的情况下,轨道越低,飞行器飞得越快。正是基于这样的物理原理,神八入轨时位于天宫下方,距地面330公里的椭圆轨道,然后一边抬升,一边降速。在进入轨道那一刻,神八与天宫相距约1万公里,且不在同一轨道平面。怎么才能在短短两天内追上天宫?这就需要严密的计算和超一流的飞控能力。为此,作为“指挥中枢”的北京飞控中心,早在07年7月就开始研发新一代飞控软件,经数年攻关,两年前初启用。这套拥有1100多万行代码的庞大软件系统,能够多目标同时测控,确保飞船和天宫协调每个动作。同时,原本覆盖率仅17%的航天测控网,也因中继卫星和测控站点的增加,提升到70%。连续连天5次变轨,神八与天宫恰好达到同一高度、同一位置。

关卡3 防撞关:走走停停防相撞

美俄两国早期的交会对接试验中,碰撞事故层出不穷。1997年,俄罗斯进步飞船与和平号空间站还曾相撞,使空间站上的光谱号舱被迫关闭,加速空间站失效坠毁的进程。当神八在地面引导控制下,抵达天宫一号后下方52公里处时,二者打通通信联系,直接“对话”。此时,飞船通过自身的计算机自主控制,继续接近天宫,途中4次“刹车”。为此,神八专门加装4台反推发动机,紧急时刻能启动避让。当二者相距5公里以外时,如果关掉发动机,会在各自的轨道上越离越远,不会相撞,但也将无法交会对接。一旦进入5公里之内,即使没有任何动力,也可能越飞越近,导致相撞。4个停泊点就像轮船入港前的锚地,是重要的可靠性备份措施。走走停停,可避免走得太快发生碰撞,也提供处置突发故障的时间。

关卡4 精控关:测量设备有序接力

在3公里的高空高速飞行的航天器,即使用航天测控站的光学望远镜,也难以清晰观测到。在这样的条件下,想让两个8吨多的庞然大物,对接机构挨近时误差仅在18厘米内,姿态小于5度,就好比神八拿着一根线,要穿进天宫一号那根绣花针的针眼里。所以,神八新增8台平移发动机,遍布周身,可从各个角度和方向提供推力。而航天器相对位置的精确测量,是发动机提供精确推力的前提,敏感器们将一棒接一棒。从相距52公里直至交会对接,作用距离较远的微波雷达率先工作;进入20公里后,精度较高的激光雷达开始工作;进入100米时,更加精确的CCD光学敏感器开始介入。这3台交会对接测量设备,完全由我国自主研制。由于在地面无法完全模拟太空中的阳光强度,为避免强光对测量设备的干扰,首次交会对接计划在地球阴影区进行。组合体飞行12天后,第二次试验则将选择阳光照耀的地方,充分验证测量设备的抗干扰能力。

关卡5 分离关:4重备份确保能返回

当神八准备返回时,这也是一个重要关口。特别是在载人情况下,一旦分离不成功,就意味着航天员不能返回。因此对接完成后,捕获锁要退到初始位置,只保留结构锁,才可保证随时分离。分离的最初动力来自于对接机构上对称的两对分离弹簧。同时飞船提供4重备份。若飞船锁钩自动解锁失效,则由天宫锁钩解锁,如仍不行,则用火工品炸断飞船锁钩,仍无效,最后的选择就是把天宫的锁钩炸毁。不过天宫的对接机构将永远失效,无法迎接下一艘飞船。

只图分得开也不成,同时还要分得好,保证分离带来的误差,不致导致航天器翻滚,这就需控制姿态相对稳定,锁紧机构依次解开。首次倾情相会,由此暂告一段落。   

9舱里试验

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神八实验任务研究方向

本次神舟八号搭载的科学实验主要围绕基础生物学、空间生物技术、先进生命支持系统中的生物学以及空间辐射生物学等科学问题开展研究,旨在为推进空间生命科学研究和技术发展探索新的途径。

四大研究方向的具体目标如下:

基础生物学——以深化认知生物现象和生命过程为目标,开展蛋白质基因组学、细胞生物学代谢生物学等研究。

空间生物技术——以服务人类健康、探索疑难疾病诊断、治疗的新方法和新药物为目的,开展生物大分子及蛋白质空间晶体生长实验,发展先进生物工程技术。

先进生命支持系统中的生物学——为研发保障人类长期驻留太空的“先进密闭受控生态生命支持系统(CELSS)”提供理论依据和积累技术。

空间辐射生物学——深化认知空间辐射与微重力综合生物学效应,为太空生命安全保障设计提供理论和技术依据。

实验项目 

围绕四大研究方向,神舟八号飞船将利用中德双方研制的实验设备,开展17项空间生命科学实验。其中,中方实验项目10项,德方科学实验项目6项,中德联合实验项目1项。

实验难点 

作为中国载人航天工程中首次开展的空间科学实验研究的国际合作项目,神舟八号搭载的17项科学实验在实施的过程中面对诸多的难点。主要有以下四点:

(一)中德空间生命科学方面的合作是载人航天工程首次开展空间科学应用的国际间合作,由于国内外工程研制体系、文化风俗存在比较大的差异,工程的组织管理方面面对诸多挑战;

(二)通用生物培养箱是第二次执行在轨飞行任务,属于再飞产品,再飞件的验收、测试、安全性可靠性保证方法研究是新课题,没有现成的经验可以借鉴;

(三)空间科学实验涉及30多种样品,样品种类多样,科学需求差异大,且需求之间互相约束,整体科学目标的实现难度较大;

实验重点 

结合科学实验的任务特点和研制要求,冷静面对实验过程中面对的诸多挑战,理性把握实验阶段的重点因素和环境,积极开创载人航天史上的新纪元。需要把握的重点如下:

(一)对于通用生物培养箱发射件,针对其再飞产品的特点,须合理确定其再飞试验条件,验证其对SZ-8任务的环境适应性,严格控制两次飞行状态差异对安全性可靠性的影响,严格控制其试验项目和技术状态,保证其作为飞行产品的安全性和可靠性;

(二)全流程统筹考虑正样整合匹配试验、发射场准备、在轨试验、样品回收和地面比对实验的方案,整合科学实验的需求,加强流程演练,保证任务流程合理有序。

中德合作开展实验

神舟八号飞船利用中德双方研制的实验设备进行基础生物学、空间生物技术、先进生命支持系统中的生物学以及空间辐射生物学等科学问题的研究,开展17项空间生命科学实验,为推进空间生命科学研究和技术发展探索新的途径。

实验内容 

以探索认知各类生物个体或组织的空间微重力效应、辐射效应和生物技术等研究为主。

合作模式 

围绕既定的实验目标,神舟八号飞船返回舱安排进行中德合作开展的空间生命科学实验。为满足科学实验的要求,装船有效载荷3件,其中通用生物培养箱由德方提供,中方开发实验装置控制设备。 

项目安排 

中方10项: 

植物细胞微重力效应的转录组学研究;

有效载荷控制装置(中)有效载荷控制装置(中) 

植物细胞骨架作用的分子生物学研究; 

水稻响应微重力变化的蛋白质组研究; 

空间生物大分子组装与应用研究; 

空间辐射与微重力协同生物学效应研究; 

微生物在空间的生长与代谢研究; 

动物的空间行为和发育研究; 

藻类在空间封闭系统的代谢生物学研究; 

高等植物在空间的代谢生物学研究; 

高等植物在空间的发育遗传学研究。 

德方6项: 

纤细裸藻对微重力的分子适应性研究;

通用生物培养箱(德)通用生物培养箱(德)

人类神经胶质瘤细胞在微重力下的分化研究; 

微重力对人类甲状腺癌细胞的影响研究; 

单细胞或巨噬细胞微重力激活影响和功能研究; 

微重力下植物基因和蛋白质表达研究; 

拟南芥微重力调制基因网络分析。 

10神八实验设备

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为了满足神舟八号搭载的17项科学实验的具体要求,中德双方研制了相关实验设备,包括各类实验专用单元、通用生物培养箱、通用生物电控箱和有效载荷控制装置。

通用生物培养箱

通用生物培养箱主要用于在空间特殊环境条件下,研究各类生物对象的生物学响应的通用实验装置。该装置具有很强的通用性,实验容器40个;有1g模拟重力水平对照功能;提供温度、光照等生保条件;可对实验对象进行生物学固定;每个实验容器均可灵活的独立配置功能,也可以进行多组合实验研究。此次神州八号搭载的通用生物培养箱,由德国阿斯特里姆(EADS Astrium Space Transportation)公司为主承包商,按国际空间站标准实验模块设计和制造。 

有效载荷控制装置

为了与我国神舟飞船实现机电热的接口,中方开发研制了与德方实验装置接口的电控设备2件,保障德方通用生物培养箱与平台接口的兼容。

11评价

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此次神舟八号搭载的17项科学实验,是中国载人航天工程中,首次开展的空间科学实验研究的国际合作项目。它展示了中国载人航天工程的开放姿态,为世界了解中国开展载人航天事业,提供了交流窗口;为开展更广泛的国际间合作,提供了组织管理经验。在科学意义上,为中国科学家创造了在国际同等水平上,开展对空间特殊环境的生物学基础研究,共同为人类拓殖太空、开发利用太空资源服务于人类生活与健康的关键科学技术问题的突破,做出贡献。

参考资料

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[1].环球军事网:神舟八号
[2].中国科普博览:神舟八号搭载物品
[3].中国科普博览:神舟八号

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标签: 卫星 航天器 航天

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  • 更新时间:2015-05-05
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