详解神舟16号飞行任务

2023年5月30日9时31分，我国的长征2号F遥16运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，将载有3名航天员的神舟16号载人飞船精准送入预定轨道。经过约6.5小时的飞行，神舟16号飞船成功对接于空间站“天和”核心舱径向端口。

神舟16号是中国空间站进入应用与发展阶段的首个载人飞行任务，其乘组将迎来两次对接和撤离返回，即神舟15号载人飞船返回、天舟5号货运飞船的再对接和撤离，以及神舟17号载人飞船对接。

神舟16号乘组将开展电推进气瓶安装、舱外相机抬升等平台照料工作；将完成辐射生物学暴露实验装置、元器件与组件舱外通用试验装置等舱外应用设施的安装，按计划开展多领域大规模在轨实（试）验，有望在新奇量子现象研究、高精度空间时频系统、广义相对论验证以及生命起源研究等方面产出高水平科学成果。此外，航天员还将开展天宫课堂太空授课活动，让载人航天再次走进中小学生课堂。

由于这次飞行有很高的科技“含金量”，因而格外引人瞩目。

迎接交会对接挑战 2023年5月30日，神舟16号载人飞船成功发射并停靠中国空间站核心舱节点舱的径向对接口，标志着由航天五院自主研发的我国空间交会对接制导导航与控制技术进一步成熟。因为这是中国空间站三舱“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13号、14号载人飞船实施的径向交会对接，神舟16号的交会对接任务难度最大。

据航天五院介绍，神舟16号的交会对接任务难度之所以最大，原因有三点。

一是要对接更大质量的组合体。

随着空间站建造完成，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，与此前空间站单舱或两舱状态相比的变化较大，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将直接影响飞船的交会对接控制过程。虽然此前神舟15号也成功完成了与由3舱2船组成的“T”字构型空间站组合体的交会对接，但神舟15号对接的位置为空间站前向对接口，由于空间站在不同方向上运动特性有所区别，神舟16号进行的径向对接时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。

二是要对接更大尺寸的组合体。

神舟16号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、神舟15号载人飞船以及天舟6号货运飞船均会出现在神舟16号飞船的视野中，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，且随着神舟16号飞船和组合体距离的逐渐逼近，遮挡会越来越多，这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。

三是会受到更复杂的羽流影响。

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在工作时，羽流间的相互影响比以往进行交会对接时变得更加复杂。飞船在近距离与空间站交会过程中，需要频繁启动发动机进行相对姿态和位置的调整，这会对悬浮在太空中的空间站姿态产生影响，由于组合体舱段的增加，使得神舟16号任务中的上述特性更为复杂。同样，空间站的喷气控制也会影响飞船自身的控制。为此，需要制导导航与控制系统在发动机分组使用和控制方法上优化，并通过地面的仿真计算加以验证，确保交会对接过程在诸多影响下仍能确保任务成功。针对神舟16号径向交会对接任务过程中的羽流影响和敏感器视场遮挡影响等，航天五院还进行了专项分析和仿真复核，并对神舟16号制导导航与控制分系统进行针对性优化和针对性设计，确保影响均在分系统可控范围之内。

由于所有技术措施到位，神舟16号最终按时顺利地完成了与空间站的交会对接。神舟16号入轨后，先通过“北斗”导航卫星进行准确定位，确定自身与空间站的相对位置。基于空间位置信息，神舟16号进行了6次轨道控制，然后飞到距离空间站50km的地方，这个过程耗时大约4.5h。接着，神舟16号进入自主控制段，通过多种测量设备与空间站进行交互，不断接近空间站。当神舟16号飞到距离空间站只有2km的“中途瞄准点”时，就开始调整自身的姿态。直到飞到空间站下方200m的位置，神舟16号（8.1t）开始向上靠近空间站，同时继续调姿，直至最终成功与空间站（近100t）“天和”核心舱的径向端口对接。整个对接过程历时约6.5h，全自动完成。

北京时间2023年5月30日18时22分，翘盼已久的神舟15号航天员乘组顺利打开“家门”，欢迎远道而来的神舟16号航天员乘组入驻“天宫”，两个乘组顺利“会师”。

不断改进飞船火箭

随着中国空间站全面建成进入常态化运营，“神舟”系列载人飞船也迎来了新批次（6艘飞船）密集的组批生产和发射任务。进行组批生产可以提高飞船质量、降低研制成本、缩短研制周期。因为采用组批生产模式可以让生产、测试过程更为标准化、规范化，更有利于人员掌握产品状态、保证产品质量，同时提高了物资采购集中度，便于供应链的管控和备货周期的把控。

神舟16号载人飞船则是第二批次6艘飞船的首发船，也是我国空间站应用与发展阶段发射的首个载人飞船，承担着“一次验证、组批投产”的使命，起到了承前启后的关键作用。

为满足空间站任务需求，神舟16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，通过国家重大工程全力支持“北斗”卫星导航定位系统，进一步增强了自主健康管理功能，不断提高了飞船上自主健康管理水平，并从分系统级、单机级、部组件级三个层次建立了数据包络分析机制，全力推进了产品数据互联信息化、线缆总装布局数字化、关键参数检测智能化，全面实现了“神舟”飞船在空间站时代的再升级，为“神舟”踏上新征程打下了坚实基础。

在此次任务中，设计人员从使用者的角度出发，把神舟16号仪表的数据显示化繁为简，为航天员执行任务提供了更加清晰、直观、舒适的显示界面。在神舟16号上共有50余幅页面，显示飞船各部分的情况，这些都是由作为智能管理员的仪表控制器应用软件来提供的。使用这一独特的图形显示技术，不仅能得到新颖的仪表控制器显示效果，而且实现了空间智能化仪表中的图形、文字的处理与显示，为航天员执行任务提供了清晰、直观、舒适的显示界面。另外，研制团队为神舟16号研制了具备集成程度更高（产品质量由36kg减至27kg）、处理能力更强（处理一项工作由需几个芯片共同完成减至用一个芯片来完成）、国产化率更高（超过95%）三大优势的升级版中继终端，实现了飞船与地面通信的畅通无阻，确保地面测试人员实时掌握飞船的飞行状态，以更小更优的产品为中国空间站稳定高效的运行贡献力量。

相比此前发射神舟15号的长征2号F遥15运载火箭，长征2号F遥16运载火箭共有20项技术改进。研制团队重点围绕冗余度进行了提升和工艺改进，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，不断提升产品自主可控水平。

同时，还提升了火箭系统的数字化和信息化水平。依靠远程测发支持系统的持续建设，实现了长征2号F运载火箭测试数据前后方实时互通，使后方设计人员能够更加便捷、全面地了解火箭相关数据，开展实时监测判读与数据分析，并同步在大屏上可视化展示。不仅如此，后方强大的数据自动判读与分析工具以及完善的专家团队，也更好地保证数据判读的覆盖性和可靠性，提高工作效率。

不同于以往的三类航天员

此次神舟16号的航天员乘组成员格外耀眼，因为其是由航天驾驶员、航天飞行工程师、载荷专家三种类型的航天员组成，这在我国尚属首次。其中，景海鹏是指令长兼航天驾驶员，朱杨柱是航天飞行工程师，非军人出身的北航教授桂海潮是载荷专家，这是我国航天飞行工程师和载荷专家的“首秀”。另外，朱杨柱和桂海潮是我国选拔的第三批航天员，所以此次也是第三批航天员首次执行飞行任务。尤其是戴着眼镜的载荷专家桂海潮，引起了公众的广泛关注和极大兴趣，激发了具有高水平但近视的科学家上太空进行科研的欲望。

目前，航天员主要分航天驾驶员（又叫飞行专家）、航天飞行工程师（又叫任务专家或随船工程师）和载荷专家三类。 我国从2020年选拔第三批航天员开始，除了继续选拔了航天驾驶员外，还选拔了航天飞行工程师和载荷专家。这是因为从2023年起，我国空间站要进入应用与发展阶段了，需要派更专业的工程师和科学家上天来保障空间站长期稳定的运行，以及开展更复杂、更尖端的空间科学实验及航天技术试验，提高空间站的应用效益。据悉，神舟16号乘组需要承担非常繁重的空间科学实（试）验任务，将是我国目前为止开展在轨实（试）验项目最多的乘组。

由于这三类航天员分别执行不同的任务，所以对他们在身体条件、工作技能、训练重点和任务完成等方面的要求也是不一样的。其中，对航天驾驶员的身体素质要求最高，对航天飞行工程师的身体素质要求次之，对载荷专家的身体素质要求相对最低。例如，在航天环境耐力与适应性选拔中，航天驾驶员超重耐力检查的负荷比航天飞行工程师和载荷专家更高；与之相对，对航天飞行工程师和载荷专家的知识结构、工程技能、科研水平的要求比航天驾驶员更高。在后来的训练中也是如此，每一名航天员在全面训练的基础上，会更加侧重个人负责任务方面的训练。此外，根据受训航天员个人的基础和专业背景不同，在训练科目、内容和学时等要求方面也会有所不同。

从全球来看，至今航天驾驶员大多为男航天员，只有几名女航天员当过航天驾驶员，但男女航天员都可以胜任航天飞行工程师和载荷专家。

所以尽管神舟16号乘组中的三类航天员在职责上有分工，但是他们都是一专多能，均进行过有主有次的全面训练，所以在太空工作时都可以互为备份，共同完成任务。

为满足载人航天工程后续飞行任务需要，我国第四批预备航天员选拔工作已于2022年启动。本次共选拔12～14名预备航天员，包括航天驾驶员7～8名，航天飞行工程师和载荷专家共5～6名，并首次在港澳地区选拔载荷专家。

神舟16号飞行任务的创新成果举不胜举，今后还会有许多。其最终都是为了一个目的，就是以“多、快、好、省”的方式，使我国空间站能够早日取得具有重大科学价值的研究成果和具有重大战略意义的应用成果，为人类和平开发太空资源做出更多、更大、更好的贡献。