气动设计的研制手段是通过风洞试验、数字计算模拟、飞行试验来实现的。考虑到经验少、时间紧，像飞船外型要求的大攻角飞行飞流场结构复杂、机理复杂以及有限的经费，因而飞船的外型既有俄罗斯联盟号的影子，又参考了美国阿波罗飞船的特点，选定了倒锥体的大钝头外型。尽管现在大家看到的这个外型像是在“嚼别人嚼过的馍”，但实际上，当初，飞船的气动设计人员手里除了世界上已知的飞船返回舱的照片外，一无所有。在确定了这个外型的大致方案后，气动设计人员还是进行了三类9个外型的预选方案筛选。因为确定返回舱外型的条件相当苛刻，要对外型的每一个尺寸进行优化设计。优化设计时需要考虑到这种外型的周围热流分布是否可减少防热结构的设计难度，还要考虑该外型在飞行时能否保持稳定的平衡状态等等，方方面面不下几十项。攻关的过程是枯燥的，但当神舟一号飞船成功返回时，气动设计人员因为这个外型设计捧回了国防科学技术进步二等奖。这时，记者从向记者描述这段过程的飞船气动设计主管方芳的脸上，看到了枯燥和辛苦之后的甘甜。

　　确定了返回舱外型之后，下一个任务就是为各个分系统提供气动力和气动热参数。前者是为返回轨道设计、返回导航和控制设计提供参数，后者的数据是为飞船返回舱的防热结构做参谋。

　　飞船的气动设计一开始就面临试验设备、技术设备不能满足设计要求的难题。有谁能想到，飞船研制之初，气动设计所需的最重要的试验设备———大型风洞在国内还找不到。在如此艰难的情况下，设计人员从零开始着手开发和研制相应的数值模拟软件，多数试验都是以国内小风洞设备为主进行的。直到飞船的气动设计完成后三年的2001年，一座大型风洞才在四川绵阳建成。

　　今天，我们很难想象当初飞船气动设计所需的大部分亚跨音速风洞试验、高跨音速风洞试验等只是在小型风洞完成的。在进行返回舱局部气动试验时，就遇到了热环境参数的规律相对不好把握的难题。反反复复的试验加在一起达上千小时。无数大量的计算是在701所等单位多方合作下完成的。但是也正因为飞船的气动设计的起点差，逼着设计人员从一开始就“跑”着起步，并在8年的研制历程中一直保持着奔跑的姿势。这中间，当然少不了国防科工委、科技集团公司领导和气动界老前辈庄逢甘总师、崔尔杰院士、张函信院士等的直接把关。

　　随着他们的“奔跑”，目前，飞船的气动技术和风洞试验设备已相继建立起来，并达到了国际90年代水平。硬件上去了，软件上也没有落后，飞船气动设计软件的计算精度已达到国际先进水平，超过当初俄罗斯联盟号的软件水平，尤其是气动设计软件系统和风洞试验数据库的建立使飞船气动设计达到规范化。他们的领跑还带动了一大批年轻人。在国内一次次大型气动专业研讨会上，气动界的院士、专家不止一次地对神舟飞船气动设计人员树起大拇指。

　　为飞船铺就平安路

　　飞船从上天到返回的长长的一条轨道，实际分成三个不同的路径，分别叫发射轨道、运行轨道和返回轨道。船箭分离前的轨迹叫发射轨道；飞船入轨后，进入的是运行轨道；而当飞船完成太空任务，返回舱走的就是返回轨道了。用一个形象点的说法，返回轨道设计就好比为飞船的返回铺就了一条平安大道。这条平安大道可以帮助航天员闯过道道鬼门关。

　　返回轨道的设计是项复杂而细致的工作。从载人防热和防过载的需要考虑，飞船的返回航程要比返回式卫星的航程平缓得多。飞船的返回轨道航程大约1万多公里，而返回式卫星的返回航程只有2000多公里；同时，与返回式卫星的无控的弹道式返回轨道不同，飞船的返回轨道是有控的。所谓有控，就是飞船在降落过程中有一定机动能力。

　　返回轨道的精度直接影响到飞船着陆时落点的精度。返回轨道精度要高，设计起关键的作用。返回轨道设计时考虑到的大气的高度、密度、压力、湿度等都在标准状态下，换句话说，就是这条飞船返回的平安大道是在理想的大气状态下设计的。但实际上空中的情况千变万化，影响返回轨道精度的还有实施设备和各个环节，像控制姿态、发动机偏差、运行轨道的误差、总体参数的偏差、甚至安装误差等等，误差因素多达20多个，如果再细分的话，误差因素能找到200多项。设计返回轨道的过程就是在进行艰苦的误差分析。

　　在载人飞船总体设计室，记者不能相信飞船返回轨道的设计主管竟是一位柔弱的女性。谈起设计过程，记者从中感受到轨道设计时的艰难和不易。从神舟一号到神舟五号飞船，飞船返回轨道的技术方案基本没有改变，只是不断改进设计分析和方法，不断提高轨道的精度。

　　返回轨道设计的如何，神舟一号飞船到神舟五号飞船的落点散布数据是有利的说明。落点散布设计时的理论范围是±8～±15公里，实际范围是±10公里。在飞船之前，我国返回式卫星的落点散布范围是±110～±380公里。

　　飞船的总体设计室成立于1991年12月，人员不少来自我国返回式卫星研制队伍。

　　设计人员在吃透有限的资料的基础上经过刻苦的攻关，当8年后的1999年11月21日，神舟一号飞船顺利返回时，设计人员一颗忐忑的心才放了下来。但是当次年，准备发射神舟二号飞船时，远在南大西洋的远望号测量船上传来信息，由于神舟飞船返回轨道路经此区域的海况差，不利于测量船停靠，船的位置需要调整5～6度。虽然只是几度的调整，但这几度在返回轨道上体现的就是上千公里。返回轨道的方案就得重新做，带来的就是大量的分析计算。

　　从神舟三号飞船开始增加了航天员应急自主返回功能，要求返回轨道增加设计一条3～6小时之内就能保证飞船返回的非标准轨道。也就是说，在飞船运行段，要求飞船每绕地球运行一周，都要设计有一条返回通道，保证飞船在整个在轨飞行期间发生故障时，航天员都可安全返回。年轻的设计师在老同志的支持下提出了再入过程时过载可保证、落点散布可控的等再入角方案。尽管这项方案目前还没有机会用实践验证，但是设计人员看似繁琐的设计却是为了保证飞船的绝对安全。

　　飞船具备“超人”的大脑

　　在神舟二号飞船返回的前一圈，曾经出现过这样一幕：由于轨道舱泄压造成干扰，飞船姿态突然发生震荡，此时距离飞船的返回只有一个半小时了。所有人的目光都集中在GNC的研制人员身上。而他们却临危不乱，因为他们知道，尽管存在较大的干扰，飞船仍会严格地按照GNC姿态控制的规律运动，随着泄压的完成，飞船姿态会逐渐恢复。他们为指挥员及时提供了可信的数据，并用自信担保此时可以发出“回收”的命令。果然，过了一会儿，飞船返回舱的姿态完全恢复了稳定，飞船成功回收。

　　GNC是制导、导航和控制的英文简称。在飞船系统中，GNC负责飞船飞行全过程的姿态和轨道控制，以及在轨太阳帆板对日定向，也就是说，飞船如何运动，怎么运动都是由GNC决定的。正因为此，有人将GNC比喻为飞船的眼睛和大脑。有位专家曾说过这样一句话：如果没有GNC，飞船只能停靠在科学幻想里。

　　在飞船发射和运行的过程中，飞船姿态、轨道、控制部件、飞船环境等等不可避免会产生误差，返回控制就是把飞行过程中产生的所有的误差都“吃掉”，保证飞船回来。听起来有点像“超人”的工作。的确，飞船确实得具备“超人”的大脑来应付可能发生的任何问题。

　　计算机是飞船上GNC的核心。飞船上的软件程序达20～30万个，其中，GNC就占了2／3。为保证飞船安全可靠，GNC系统关键部件如陀螺、红外地球敏感器等都采用了冗余设计，也就是备份。神舟飞船上的GNC计算机采用的是主控机三机容错结构，还有一个备份计算机和一台手动计算机。相当于三颗卫星的工作量。

　　GNC系统设计人员在姿态确定与控制返回再入技术上采用了多项新技术，如在轨姿态对准技术、返回再入实时估计升阻比的自适应制导技术等，保证了飞船具备多种条件下安全准确返回的能力。

　　1999年7月，神舟一号飞船发射前夕。总装备部领导特地召见飞船GNC系统主任设计师陈祖贵，见面的第一句话就是，飞船能否安全返回。

　　GNC研制人员没有辜负期望。

　　在神舟四号飞船返回时，在北京测控大厅，GNC系统进行了一次完美的表演。

　　随着口令的发出，飞船漂亮地完成了一次调姿，二次调姿、制动开始的动作准确地进入了返回轨道。满场热烈的掌声，在为飞船的落点精度喝彩。要知道，在从事飞船研制几十年的俄罗斯，目前飞船的落点范围也是在±30多公里左右，而神舟飞船的落点范围却稳定在了±10公里左右。

　　说起飞船返回控制的技术创新，记者想起设计人员讲的一个小故事。

　　航天器的发射需要窗口时间，这个时间是根据发射时的季节、地点、航天器对日定向等条件推算出来的。在神舟一号飞船发射时，窗口时间是清晨，而飞船的返回时间是伸手不见五指的晚上。非常不利于返回舱的搜寻和观测。为了改变这一被动的状况，设计人员为飞船设计了在任何窗口时间都可以发射的偏航机动技术。这项技术在神舟三号四号飞船上试验成功。并有望推广到其他卫星的发射中。

　　此外，还有惯性器件在轨标定技术，可以把飞船姿态测量部件陀螺的未知漂移从4度减少到0.01～0.1度，可以显著提高飞船的导航精度；一个故障还能正常工作，两个故障保证航天员安全回来的故障诊断和重构技术；发动机变轨和制动技术；返回舱主备份交替技术等都是飞船GNC系统的技术创新。

　　神舟三号飞船发射成功后，江泽民等党和国家领导人曾亲临酒泉卫星发射场看望飞船发射的有功之臣们，并请他们喝庆功酒。庆功宴上，前面我们提到的来自502所的GNC专家陈祖贵发现在为数不多的被邀请者中，自己作为基层受邀的两名代表之一竟坐在江主席的身边，顿时激动得老泪纵横。