2024年4月25日20时59分，神舟十八号载人飞船在长征二号F运载火箭的托举下，搭乘着叶光富、李聪、李广苏三名航天员，从酒泉卫星发射中心点火升空。神舟十八号载人飞船是中国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段的第三艘载人飞船，此次任务也是2024年首发载人飞行任务、我国第13次载人航天飞行任务。
图源：@新华社“神箭”送“神舟”，我国2024年度首次载人发射任务告捷
从1999年首飞至今，“神箭”长二F火箭持续优化升级。据长二F火箭总体副主任设计师秦曈介绍，目前长二F火箭的可靠性评估值已提升至0.9896，安全性评估值达0.99996。与遥十七火箭相比，遥十八火箭进行了30余项技术状态改进，进一步提升全箭可靠性和安全性。
记者从火箭院获悉，从空间站建造任务启动以来，长二F火箭就进入了常态化快节奏发射状态。为了将航天员又快又稳送入太空，自执行长二F遥十二火箭发射任务起，研制团队围绕发射场流程优化持续探索，经过多次任务的不断积累，长二F火箭发射场流程已由空间站建造初期的49天缩减到35天，并将瞄准30天目标继续优化改进。
不仅如此，研制团队还借助远程测发支持系统等数字化手段，实现火箭测试数据前后方实时互联互通，让数据判读更加高效准确，同时将发射场人员缩减了40%左右，进一步提升了工作效率。
据了解，载人火箭顶部有一个标志性的装置——火箭逃逸塔。一旦高速发射的载人火箭出现意外，这个逃逸塔将以比火箭发射更快的速度逃逸到安全位置，所以被称为“生命之塔”。
作为中国第一型载人运载火箭，也是我国现役唯一的载人运载火箭，长二F火箭专门设计了独有的故障检测系统和逃逸救生系统。20多年间，长二F保持了100%的发射成功率，尽管逃逸救生系统从未启用过，但在这条看不见的战线上，研制人员针对逃逸救生策略制定、故障模式修订等做了大量改进与完善工作，只为更好地保障航天员生命安全。
火箭院有关负责人介绍，未来几年，长二F火箭继续执行空间站应用与发展阶段神舟载人飞船发射任务，为空间站开展常态化运营提供坚实保障。
两秒左右，逃逸系统能将航天员带到安全地带
在神舟十八号飞船发射任务中，中国航天科技集团有限公司四院承担了火箭逃逸救生系统的全部动力装置。据悉，整个逃逸系统由低空和高空两组发动机组成，共有大小10台。
由于头顶标志性的形似“避雷针”的装置——火箭逃逸塔，长征二号F火箭成为长征系列家族中辨识度最高的一款火箭。记者从中国航天科技集团有限公司四院获悉，整个逃逸系统全部采用固体火箭发动机，具有瞬间产生巨大推力的特点。
据介绍，一旦火箭在发射升空阶段出现危及航天员生命安全的重大故障，逃逸系统能够按指令点火工作，在2秒左右的时间内，迅速将载有航天员的飞船舱体带到2千米至3千米以外的安全地带，帮助航天员安全逃生，因此也被形象地称为火箭上的“救生艇”。逃逸系统的两组发动机，分别承担从火箭起飞前30分钟到起飞后120秒，起飞后120秒至200秒左右两个时间段内的救生任务。
第一阶段为低空逃逸，救生任务主要由逃逸塔完成，被称为“有塔逃逸”。逃逸塔由大小6台固体发动机组成，包括1台逃逸主发动机、1台分离发动机和4台偏航俯仰控制发动机。在火箭起飞前30分钟到起飞后120秒内，飞行高度39千米以下时，如果发生危及航天员生命安全的重大故障，逃逸主发动机会按指令点火工作，配合偏航俯仰控制发动机，像拔萝卜一样，将航天员乘坐的轨道舱、返回舱从火箭整流罩中拖拽到1500米至2000米外的安全区域，再通过携带的降落伞减速，安全着陆到地面。而如果这一阶段火箭飞行一切顺利，120秒后分离发动机和2台偏航俯仰发动机则会点火工作，实现逃逸塔与箭体的自行分离。
第二阶段为高空逃逸，救生任务主要由安装在飞船整流罩上的4台高空逃逸发动机完成，被称为“无塔逃逸”。火箭飞行时间 120秒至200 秒、飞行高度39公里至110公里期间，一旦逃逸系统检测出火箭发生了威胁航天员生命安全的重大故障，逃逸系统会自动发出，或者航天员和地面工作人员手动发出逃逸指令，高空逃逸发动机就会点火工作来完成救生任务。如果火箭飞行一切顺利，200秒左右后，高空逃逸发动机会与整流罩一起与箭船分离。
记者了解到，自1992年中国载人航天工程正式开展以来，中国航天科技集团有限公司四院研制的火箭逃逸救生系统固体发动机随同长征二号F火箭一起，先后参加了从“神舟一号”到“神舟十八号”的多次无人、载人飞行和交会对接任务，助力完成了历次完美飞行。
再次实施径向交会对接，航天五院解读其对接难点
据中国载人航天工程办公室副主任、中国载人航天工程新闻发言人林西强此前介绍，按计划，神舟十八号载人飞船入轨后，将采用自主快速交会对接模式，约6.5小时后对接于天和核心舱径向端口，形成三船三舱组合体。
据了解，此次交会对接将采用径向交会。神舟十八号载人飞船在与空间站组合体径向交会对接后，3 名航天员将进驻空间站核心舱，与神舟十七号乘组进行在轨轮换，6名航天员将实现“太空会师”。两组航天员在太空中“面对面”在轨交接，将延续“神舟家族太空接力”的新常态。
神舟十八号载人飞船计划停靠飞行时间为6个月，在轨期间将继续实施航天员出舱活动和货物气闸舱出舱任务，开展空间科学实验和技术试验，开展平台管理工作、航天员保障相关工作以及科普教育等重要活动。
2023年5月30日，中国空间站应用与发展阶段首艘载人飞船神舟十六号就与中国空间站成功实现了首次径向对接。记者从中国航天科技集团五院（简称航天五院）获悉，相比前向和后向交会对接任务，径向交会对接的难度更高。
据航天五院介绍，GNC系统（制导导航与控制）是神舟飞船的核心分系统，被研制人员亲切称为“神舟舵手”。这个名字的得来，源于该系统负责了飞船从发射时与火箭分离开始，到与空间站的交会对接，再到飞船从空间站的撤离和返回地球的全过程控制，同时还负责独立飞行过程中的姿态与轨道控制、太阳翼帆板控制等。因此尽管径向交会对接难度较大，飞船在GNC系统的自主操控下，依然能够圆满完成交会对接全过程。
此次径向交会对接有哪些难点？首先是面对组合体的大质量。神舟载人飞船在与由天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱以及神舟载人飞船、天舟货运飞船等更多舱段和飞船组成的空间站组合体进行径向交会对接时，须充分考虑到空间站的尺寸、质量、惯量以及重心位置等影响姿态控制的核心要素。特别是近距离逼近时，飞船交会对接采用的是相对姿态、相对位置六自由度控制方法，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，因此每一次径向对接都需要GNC系统（制导导航与控制）依靠自身的能力克服上述变化带来的影响。
其次是要面对组合体的大尺寸。神舟十八号载人飞船在进行径向交会对接任务时，将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、天舟七号货运飞船以及神舟十七号载人飞船均会出现在神舟十八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，将产生视线上的遮挡，且随着神舟十八号飞船和组合体距离的逐渐逼近，遮挡会越来越多，需要依靠GNC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，或采用不同测量特性、测量体制的备份测量敏感器来保证持续、准确的测量能力。
最后是要面对复杂的羽流影响。空间站组合体尺寸的增大还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时变得更加复杂。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，由于组合体舱段的增加，使得神舟十八号载人飞船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。对于这一问题，需要GNC系统在发动机分组使用和控制方法上优化，并通过地面仿真计算加以验证，确保交会对接过程在诸多影响下仍能圆满完成。
神十八多个分系统升级，电池扩容量图像更高清
神舟飞船由轨道舱、返回舱和推进舱构成，共有14个分系统，是我国可靠性、安全性要求最严格的航天器。记者从中国航天科技集团获悉，此次神舟十八号载人飞船多个系统有了优化升级，给神舟十八号载人飞行任务执行提供了保障。
电源系统升级，神十八的电池容量更大了
在神舟飞船上，电源至关重要。整船在轨飞行提供电能的主电源、关键阶段可确保航天员安全的应急电源、为返回舱提供电能的返回着陆电源、为轨道舱和返回舱提供火工控制能源的火工品电源等，这些堪称飞船的“心脏”。
相较于神舟十六号和神舟十七号载人飞船，神舟十八号的电池容量更大、系统可靠性更高，将更好地支持载人飞行任务。在神舟十八号载人飞船上，主电源储能电池由镉镍电池更改为锂离子电池，电池扩容达30%。
神舟飞船采用的长寿命大容量锂离子蓄电池，已成功在空间站、货运飞船等航天器上应用，安全性可靠性得到了广泛的验证。据中国航天科技集团八院811所神舟飞船主任设计师钟丹华介绍，锂离子蓄电池比能量更高、循环寿命更长、高倍率充电更佳，且为整船减重了50公斤左右，进一步满足了空间站应用与发展阶段神舟飞船的任务需求。
值得一提的是，神舟十八号不仅仅迭代升级了主电源的蓄电池及其充电控制方式，更是将返回电源、应急电源、火工品电源使用的锌银电池进行了再次延寿。“锌银电池的使用寿命增加20%，可以支撑神舟飞船在轨更长时间的停靠任务。通过电源产品能力的逐步提升，不断拓宽任务的使用边界，更好地助力整个空间站工程任务。”钟丹华说。
电源全新升级也给推进舱总装带来不小的影响。神舟飞船的推进舱内除了安装有40台大大小小的发动机外，还安装了电源分系统和其他用于天地通信、姿轨控制、温度控制、环境控制等多个关键系统的重要设备。为了适应各分系统的变化，相关研制团队将推进舱仪器盘上的设备重新布局，让电源设备在推进舱内工作可靠、稳定运行。
经多发载人飞船的飞行验证，太阳电池翼在轨可实现8秒左右的快速稳定展开并锁定，证明了太阳电池翼的“超长待机”能力，有效验证了“应急待命”状态下的产品寿命与环境适应性。
返回舱画质升级，航天员面部细节将更丰富
中国空间站已经进入常态化运营模式，目前空间站及货运飞船中的相机已升级到1080P高清视频，但载人飞船由于整体方案沿用，且受测控体制及信道制约，仍维持原有的标清视频。
为了提升返回舱图像质量，2023年，中国航天科技集团有限公司八院804所图像团队在不影响任务进度的前提下，按照任务书技术指标要求，尝试通过更迭软件来实现画质升级。实际上，这对编码单元的软件算法而言，是个巨大挑战。
记者从该院804所获悉，由于相机原有资源均为针对较小分辨率图像的处理传输而设计，面对因画面升级而倍增的原始数据，传输信道、处理能力、调度策略均出现瓶颈，为顺利完成升级，804 所图像团队围绕着需求、安全性、可靠性、资源余量等问题，不断优化算法、反复迭代论证，最终使得图像清晰度显著提升，人物面部细节也更加丰富。
据介绍，经过近半年的软硬件测试，更改后设备功能、性能满足研制任务书的要求，并成功搭载在神舟十八号返回舱内。
此外，神舟十八号进入太空后，作为“交会对接联络员”的空空通信机也将开始进入工作状态。空空通信机包括追踪端空空通信机和目标端空空通信机，目标端空空通信机位于空间站核心舱节点舱舱内，担负着交会对接段以及撤离段核心舱与神舟飞船的状态、定位及控制等数据传输任务。正是因为它的存在，搭载了追踪端空空通信机的神舟十八号飞船可以顺利找到核心舱，完成“太空之吻”。
记者了解到，804所研制的两代空空通信机经历了三代人的共同努力，相比于第一代产品，搭载在神舟十八号上的第二代空空通信机重量减轻了37%，在通用化、轻型化、低功耗、高性能方面表现优异。
中继终端升级，让“感觉良好”持续在线
在过去半年的太空生活中，神舟十七号飞船乘组按计划完成了多项科学实验与技术试验以及多次航天员乘组出舱活动和应用载荷出舱任务，飞船上的测控和通信信号是通过中继终端与中继卫星配合来完成。
在神舟十八号载人飞船任务中，飞船继续通过中继终端以及为中继卫星研制的有效载荷搭建“太空天路”，实现了飞船与地面通信的畅通无阻，确保了地面测试人员实时掌握飞船的飞行状态。
据了解，此次飞船上采用了具备三大优势的升级版中继终端，这些产品均按目前最新技术要求进行了优化升级，以更好更优的功能，为中国空间站稳定高效的运行贡献力量。据中国航天科技集团五院西安分院载人航天工程任务负责人介绍，在目前的中国空间站任务中，我国空间站六舱（船）均配备了中继终端，它们与中继卫星紧密配合、高效协作，让“感觉良好”持续在线。
在本次任务中，隶属于仪表与照明分系统的仪表控制器应用软件依然发挥着智慧随身“秘书”的重要作用。神舟十八号载人飞船上所有分系统的参数内容都要通过数管分系统转发到飞船仪表上来显示，而要想将复杂的参数变成航天员可以掌握的直观数值，仪表控制器应用软件功不可没。
当飞船各分系统开始运行时，产生的数据会汇集到数管分系统，由航天员的随身智能“秘书”对数据进行汇总，转换为航天员可以直观识别和操作的内容，并在仪表上显示出来。这样，航天员通过飞船上的仪表就可以直观地了解与飞船有关的所有参数，时刻掌握飞船各个部分的运行状态。仪表控制器应用软件作为航天员的随身智能“秘书”，是与航天员直接实现交互的重要系统。
据中国航天科技集团五院西安分院神舟十八号载人飞船仪表控制器应用软件设计师介绍，“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。”
记者/张建林
编辑/刘茜贤
