我國首艘貨運(yùn)飛船天舟-1成功入軌

我國首艘貨運(yùn)飛船天舟-1成功入軌

China’ s First Cargo Spacecraft TZ-1 Entered Orbit Successfully

本刊記者 諸葛南

2017年4月20日19：41，我國首艘貨運(yùn)飛船天舟-1由長征-7遙二新一代中型運(yùn)載火箭從海南文昌航天發(fā)射場順利發(fā)射升空，并于4月22日完成自動(dòng)交會(huì)對(duì)接，開始進(jìn)行首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)。發(fā)射天舟-1貨運(yùn)飛船的主要目的是驗(yàn)證我國貨運(yùn)飛船及其交會(huì)對(duì)接技術(shù)；給已在太空運(yùn)行的天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)補(bǔ)加推進(jìn)劑，突破和掌握推進(jìn)劑補(bǔ)加等空間站關(guān)鍵技術(shù)；開展一些空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證再生式生保關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)等，完成我國載人航天第二步第二階段最后一項(xiàng)任務(wù)。

1 主要任務(wù)

貨運(yùn)飛船是空間站的地面后勤保障系統(tǒng)。我國“天舟”貨運(yùn)飛船是中國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略中載人空間站工程的重要組成部分，于2011年立項(xiàng)，由中國航天科技集團(tuán)公司下屬中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部負(fù)責(zé)抓總研制。2013年，貨運(yùn)飛船被正式命名為“天舟”。

記者從中國航天科技集團(tuán)公司了解到，這次發(fā)射的我國首艘貨運(yùn)飛船天舟-1將完成四大任務(wù)目標(biāo)：①與天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室配合，驗(yàn)證推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)；②全面考核貨運(yùn)飛船的功能和性能；③在空間實(shí)驗(yàn)室配合下，開展貨運(yùn)飛船控制組合體、繞飛至前向交會(huì)對(duì)接、快速交會(huì)對(duì)接等試驗(yàn)；④支持開展空間應(yīng)用及技術(shù)試（實(shí)）驗(yàn)。

我國未來的空間站將長期在軌飛行，所以需要定期在軌補(bǔ)加推進(jìn)劑。天宮-2的任務(wù)之一就是要掌握這項(xiàng)技術(shù)，把天舟-1攜帶的推進(jìn)劑補(bǔ)加到天宮-2上，其技術(shù)研究成果可直接應(yīng)用于后續(xù)空間站工程。

天舟-1入軌后，計(jì)劃與在軌運(yùn)行的天宮-2先后進(jìn)行3次交會(huì)對(duì)接。完成首次對(duì)接后2個(gè)月，天舟-1將繞到天宮-2前面，再調(diào)頭對(duì)接進(jìn)行二次對(duì)接加注。完成繞飛試驗(yàn)以后，天舟-1與天宮-2再次分離，兩個(gè)空間飛行器將獨(dú)立飛行3個(gè)月。在此期間，天舟-1主要完成搭載的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)。3個(gè)月后，天舟-1與天宮-2進(jìn)行最后一次對(duì)接，驗(yàn)證自主快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，要求兩個(gè)航天器在6h左右實(shí)現(xiàn)對(duì)接。縮短對(duì)接時(shí)間，不僅可使航天員舒服許多，還能更好開展一些空間生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及滿足應(yīng)急需求。

我國研制貨運(yùn)飛船，一方面需驗(yàn)證天舟-1貨運(yùn)飛船與天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室的交會(huì)對(duì)接技術(shù)和推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)；另一方面由于“天舟”貨運(yùn)飛船是我國研制的一種新型空間飛行器，其本身的性能也需驗(yàn)證。貨運(yùn)飛船要求可靠、高效、經(jīng)濟(jì)、多功能，才能大幅度提高貨物的運(yùn)力，滿足今后空間站較大的物資需求。

完成既定任務(wù)后，天舟-1將受控離軌，隕落至南太平洋預(yù)定區(qū)域；天宮-2留軌繼續(xù)開展拓展試驗(yàn)和應(yīng)用。天宮-2的任務(wù)最終完成后，我國將進(jìn)入空間站的建設(shè)階段。

2 天舟概覽

“天舟”貨運(yùn)飛船由貨物艙和推進(jìn)艙組成，其中貨物艙安裝貨物、設(shè)備，推進(jìn)艙為貨運(yùn)飛船提供電力能源、推進(jìn)控制動(dòng)力并裝載推進(jìn)劑。其長為10.6m，最大直徑約3.35m，太陽電池翼展開后最大寬度14.9m，整船最大裝載狀態(tài)下質(zhì)量達(dá)13.5t（這次為13t），是我國目前為止發(fā)射的體積最大、質(zhì)量最大的航天器。它包括13個(gè)分系統(tǒng)：結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)、測(cè)控與通信分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)、儀表與照明分系統(tǒng)、推進(jìn)分系統(tǒng)、對(duì)接機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、熱控分系統(tǒng)、環(huán)境控制分系統(tǒng)、貨運(yùn)保障分系統(tǒng)、空間技術(shù)試驗(yàn)分系統(tǒng)、總體電路分系統(tǒng)。

該貨運(yùn)飛船的研制充分借鑒了“天宮”空間飛行器平臺(tái)的主要技術(shù)，還融合了“神舟”載人飛船的主動(dòng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)，并針對(duì)貨運(yùn)的特色和留軌任務(wù)需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。它采用了“天宮”空間飛行器的構(gòu)型、“神舟”載人飛船的電氣系統(tǒng)、“天宮”與“神舟”的交會(huì)對(duì)接技術(shù)。“天舟”的上行貨物運(yùn)輸能力為6.5t，推進(jìn)劑補(bǔ)加能力約為2t，具備獨(dú)立飛行3個(gè)月的能力。其運(yùn)載能力是根據(jù)空間站的規(guī)模設(shè)計(jì)出來的，并能以最小的結(jié)構(gòu)質(zhì)量達(dá)到最大的裝貨能力，貨運(yùn)載荷比為48%，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

“天舟”系列貨運(yùn)飛船采用型譜化方案，設(shè)計(jì)了全密封貨物艙、半密封貨物艙、全開放貨物艙和推進(jìn)艙4個(gè)模塊，可形成全密封、半密封和全開放貨運(yùn)飛船3種型譜，未來能滿足空間站不同貨物的運(yùn)輸需求。采用模塊化設(shè)計(jì)可提高貨運(yùn)飛船的任務(wù)適應(yīng)能力，便于任務(wù)拓展，使飛船建造類似于“搭積木”。由于模塊間技術(shù)和產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)共享和通用，從而降低了研制成本，縮短了研制周期，能通過有限的飛行試驗(yàn)快速提高平臺(tái)可靠性。

與以往的“神舟”載人飛船的推進(jìn)艙不同，天舟-1的推進(jìn)艙幾乎是全新的產(chǎn)品。由“神舟”推進(jìn)艙的一層變成了兩層，貯箱數(shù)量由原來的4個(gè)增加為8個(gè)，分屬于兩個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)的推進(jìn)劑貯箱系統(tǒng)，不僅可為天宮-2攜帶推進(jìn)劑，還能把用于自身控制的推進(jìn)劑“轉(zhuǎn)讓”出去。推進(jìn)艙可以裝載2.4～3.5t的推進(jìn)劑，最高裝載量是天宮-2推進(jìn)劑攜帶量的2.5倍。以前我國“神舟”飛船的對(duì)接機(jī)構(gòu)主要是電路連接，為了補(bǔ)加燃料，天舟-1跟天宮-2的對(duì)接機(jī)構(gòu)增加了液體連接，而且燃燒劑和氧化劑分別有不同接口。燃料補(bǔ)加共有約30個(gè)步驟，操作十分復(fù)雜。

在軌加注主要依靠兩個(gè)航天器的壓差來實(shí)現(xiàn)。加注時(shí)，天舟-1的貯箱開始加壓，而天宮-2的貯箱壓力降低。加注有4個(gè)管道，一次加注從準(zhǔn)備到完成需要5天。加注的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)是：靠兩個(gè)航天器協(xié)同完成以及一些關(guān)鍵設(shè)備，包括對(duì)接后不能污染接口，加注完后吹氣等。在太空加注燃料不容易，因?yàn)閮蓚€(gè)對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)接時(shí)肯定存在一定偏差，需要通過浮動(dòng)來消除偏差的影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的對(duì)接。為了防止泄漏，制定了500多種預(yù)案。

3 七大亮點(diǎn)

亮點(diǎn)一：上行載貨比高

“天舟”貨運(yùn)飛船采用兩艙式結(jié)構(gòu)，體量與天宮-1、2相當(dāng)，可最大限度地滿足貨物裝載以及提供能源、控制動(dòng)力等的需求，做到了簡潔卻不簡單。它能運(yùn)送相當(dāng)于自身質(zhì)量的6t多貨物，上行載貨比優(yōu)于國外現(xiàn)役貨運(yùn)飛船，所以很經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

亮點(diǎn)二：能在軌實(shí)施航天器間推進(jìn)劑補(bǔ)加

在天舟-1升空之前，掌握在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)的國家只有俄羅斯和美國，其中，實(shí)現(xiàn)在軌加注應(yīng)用的只有俄羅斯。目前，歐洲航天局（ESA）、日本等正在對(duì)此進(jìn)行積極的研究探索。在天舟-1與天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，突破和掌握了這一技術(shù)后，我國將成為世界第2個(gè)掌握該技術(shù)的國家，為我國空間站組裝建造和長期運(yùn)營掃清在能源供給問題上的最后障礙。

亮點(diǎn)三：首次以天基測(cè)控體制為主實(shí)施飛行控制

以往，我國對(duì)航天器的跟蹤、測(cè)控以及在軌異常的及時(shí)監(jiān)測(cè)處置，主要依賴陸基測(cè)控站和海基測(cè)量船。天舟-1貨運(yùn)飛船首次采用以天基測(cè)控體制為主的設(shè)計(jì)原則，即以數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星為主，從而能免受地面或海上的地域限制，實(shí)現(xiàn)對(duì)航天器在軌飛行的關(guān)鍵事件的全程跟蹤，確保對(duì)在軌異常情況及時(shí)監(jiān)測(cè)處置，降低人力、物力、財(cái)力等成本。通過中繼終端所搭建的天基測(cè)控通信系統(tǒng)可以對(duì)天舟-1和天宮-2實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)控、高速數(shù)據(jù)傳輸，所建立的星間鏈路能實(shí)時(shí)向地面?zhèn)鬏斀粫?huì)對(duì)接畫面。

亮點(diǎn)四：首次大規(guī)模推動(dòng)核心元器件自主可控

為了帶動(dòng)我國元器件自主研制，加速實(shí)現(xiàn)元器件的自主可控，提前驗(yàn)證空間站中所用的國產(chǎn)關(guān)鍵元器件，作為飛行驗(yàn)證平臺(tái)的天舟-1首次大刀闊斧地使用了七大類國產(chǎn)新研核心元器件，從而將未來空間站建設(shè)的關(guān)鍵命脈牢牢握在手中。

亮點(diǎn)五：首次開展全自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)

目前，我國掌握的常規(guī)交會(huì)對(duì)接技術(shù)需要耗時(shí)2天左右來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛行器和追蹤飛行器的對(duì)接，天舟-1將開展自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，把交會(huì)對(duì)接的時(shí)間控制在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)。快速交會(huì)對(duì)接的實(shí)現(xiàn)，有利于提高在軌航天器飛行的可靠性，減少在交會(huì)對(duì)接過程中（包括軌道控制等在內(nèi)）產(chǎn)生的資源消耗，可更大程度地保障未來空間站的安全，方便空間站對(duì)突發(fā)事件的應(yīng)急處理。天舟-1跨出了從“普通列車”邁向“高鐵”的一大步，能做到更快、更舒適、更穩(wěn)妥地運(yùn)輸貨物。

亮點(diǎn)六：首次搭載多項(xiàng)空間應(yīng)用與技術(shù)試（實(shí)）驗(yàn)載荷

在完成在軌加注推進(jìn)劑任務(wù)的同時(shí)，天舟-1還能最大限度地發(fā)揮自身平臺(tái)效能。它隨船搭載了幾十臺(tái)載荷設(shè)備，用于在軌開展10余項(xiàng)載荷試（實(shí)）驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)“一次飛行、多方受益”的目標(biāo)。

亮點(diǎn)七：首次實(shí)施主動(dòng)離軌受控隕落

在飛行任務(wù)結(jié)束后，天舟-1將由地面飛控工作人員決策，實(shí)施主動(dòng)離軌，通過兩次降軌控制，受控地墜落于南太平洋指定區(qū)域。這將是我國航天器首次采用主動(dòng)離軌方式，受控落到預(yù)定區(qū)域。這樣既能避免自身成為太空垃圾，又可避開離軌過程中的不可控因素，防止對(duì)地面人身財(cái)產(chǎn)造成威脅。

此外，天舟-1建立的基于全三維模型的協(xié)同設(shè)計(jì)模式，顯著提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短了設(shè)計(jì)周期、降低了設(shè)計(jì)成本，現(xiàn)已在空間站工程等航天器研制上獲得推廣應(yīng)用，為數(shù)字空間站建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。例如，貨船的管路系統(tǒng)、電纜網(wǎng)和總裝設(shè)計(jì)采取三維設(shè)計(jì)后，工作效率提高了約50%，整船的總裝詳細(xì)設(shè)計(jì)研制周期縮短約45%。

4 兩大利器

天舟-1貨運(yùn)飛船的構(gòu)造類似于天宮-1、2，由大直徑的貨物艙和小直徑的推進(jìn)艙組成。貨物艙用于裝載貨物，推進(jìn)艙為整個(gè)飛船提供電力和動(dòng)力及裝載推進(jìn)劑。事實(shí)上，天舟-1的物資上行能力超過6t，接近天宮-1的2倍，上行運(yùn)載能力和載貨比都是現(xiàn)役貨運(yùn)飛船中最高的。這是因?yàn)樘熘?1擁有兩大利器，能夠高效承載。

簡約而不簡單的貨架

天舟-1之所以能夠?qū)崿F(xiàn)大承載，是因?yàn)槠鋬?nèi)部采用了高效承載貨架設(shè)計(jì)。其貨架采用了一種基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結(jié)構(gòu)，從而形成了大量的標(biāo)準(zhǔn)裝貨單元，傳力效果好，結(jié)構(gòu)與貨物質(zhì)量比達(dá)到8%。設(shè)計(jì)師還精心設(shè)計(jì)了一種大承載輕量化預(yù)埋結(jié)構(gòu)，它既能適應(yīng)傳統(tǒng)剛性結(jié)構(gòu)安裝，又可適應(yīng)柔性束縛帶的連接承載。此外，大承載貨架結(jié)構(gòu)與密封艙主結(jié)構(gòu)的連接環(huán)節(jié)采用了碳纖維結(jié)合鋁合金設(shè)計(jì)，避免了在軌環(huán)境下內(nèi)壓載荷對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞。這些先進(jìn)、便利的技術(shù)成就了高效承載的貨架結(jié)構(gòu)，保證了天舟-1穩(wěn)固地運(yùn)送貨物。

適應(yīng)多種貨物的貨包

在天舟-1運(yùn)送的物資中有許多精密的儀器設(shè)備和航天員用品，發(fā)射段受力又大，生怕磕碰，因此不能僅使用高強(qiáng)度的貨架。對(duì)于敏感的電子器件、機(jī)械硬件系統(tǒng)以及其他生活物資等，采用“軟包裝”或類似方法來實(shí)現(xiàn)裝載、運(yùn)送。由于“軟包裝”為裝載對(duì)象提供了一個(gè)柔軟的、高阻尼的、分布式系統(tǒng)的支撐，所以不僅可以獲得一個(gè)高度隔離/減振的載荷環(huán)境，也能為貨物的上行運(yùn)輸提供更好的適應(yīng)性和合理的貨包綁扎方式。

其他秘密武器和上網(wǎng)“神器”

為防止與太空垃圾相撞，天舟-1裝有力學(xué)環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)。它具有飛行器結(jié)構(gòu)撞擊智能感知與定位功能，可進(jìn)行全飛行時(shí)段的綜合力學(xué)環(huán)境監(jiān)測(cè)，在第一時(shí)間感知到太空垃圾撞擊的位置和受損程度，還能檢驗(yàn)飛船結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、貨物裝載合理性，為在軌損傷修復(fù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助。

在突破了分路匯聚技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)芯片的單粒子防護(hù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的航天工程化應(yīng)用等多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)后，天舟-1上搭建了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化、高速、大容量開放性網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。它不僅能支持船內(nèi)高清視頻、大批量載荷數(shù)據(jù)的傳輸，還可以無縫接入天宮-2等空間站網(wǎng)絡(luò)，從而率先推動(dòng)航天器數(shù)據(jù)傳輸跨入吉比特高速時(shí)代。

天舟-1首次裝備了“北斗”導(dǎo)航星座的相對(duì)測(cè)量子系統(tǒng)。相比以往，新系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性更高、定位更連續(xù)穩(wěn)定，這不僅確保了它與天宮-2的交會(huì)對(duì)接的自主可控，安全性大大提高，還因?yàn)樾略龅恼朊}沖輸出功能，可為全船的相關(guān)設(shè)備提供高精度的時(shí)間基準(zhǔn)，所以確保了航天器之間的統(tǒng)一步調(diào)、齊頭并進(jìn)，分秒不差地把貨物準(zhǔn)時(shí)送達(dá)。

另外，天舟-1貨運(yùn)飛船首次應(yīng)用了以太網(wǎng)技術(shù)，為未來空間站組網(wǎng)通信提供技術(shù)驗(yàn)證。以太網(wǎng)是當(dāng)今現(xiàn)有局域網(wǎng)采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以不受空間限制來進(jìn)行信息交換，具有信息量大、高效、快速的傳輸特點(diǎn)。

天舟-1還搭載了一款特殊的“神器”—高速通信處理器，它是貨運(yùn)飛船以太網(wǎng)通信的重要組成部分。該處理器不僅能在貨運(yùn)飛船的天地測(cè)控通信中發(fā)揮巨大的作用，也可為空間站千兆通信網(wǎng)的建立奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

5 對(duì)接升級(jí)

如果把神舟-8飛船的對(duì)接機(jī)構(gòu)當(dāng)作第一代對(duì)接機(jī)構(gòu)，那么天舟-1貨運(yùn)飛船的對(duì)接機(jī)構(gòu)可被認(rèn)為是第二代產(chǎn)品—對(duì)接機(jī)構(gòu)2.0版，它能讓更大噸位的航天器快速對(duì)接。

實(shí)現(xiàn)“重量級(jí)”大噸位航天器的偏心對(duì)接

“神舟”飛船和“天宮”空間飛行器都是8噸級(jí)的航天器，兩者必須沿著質(zhì)心軸線運(yùn)動(dòng)。捕獲、校正后，兩者要處于無偏心的位置，才能順利實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。更大型航天器的交會(huì)對(duì)接會(huì)產(chǎn)生巨大的對(duì)接能量，這對(duì)于對(duì)接機(jī)構(gòu)的緩沖耗能能力提出了更高要求。

天舟-1對(duì)接機(jī)構(gòu)增加了用于緩沖撞擊能量的可控阻尼器，實(shí)現(xiàn)了從原先具備的8～20t調(diào)整為具備8～180t的對(duì)接目標(biāo)適應(yīng)能力。第二代對(duì)接機(jī)構(gòu)既不影響原有捕獲性能，又可實(shí)現(xiàn)對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲后的大噸位耗能需求，可以很好地滿足本次及后續(xù)任務(wù)的需求。

首次實(shí)現(xiàn)在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加

為實(shí)現(xiàn)此次的推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，在對(duì)接機(jī)構(gòu)上增加了4個(gè)液路浮動(dòng)斷接器，它是在已經(jīng)生產(chǎn)好的上天產(chǎn)品上增加了液路浮動(dòng)斷接器及補(bǔ)加管路的安裝接口，其中補(bǔ)加驅(qū)動(dòng)器是在軌補(bǔ)加任務(wù)中的關(guān)鍵單機(jī)，也是智能的管路控制單元。在接收到系統(tǒng)指令后，補(bǔ)加驅(qū)動(dòng)器控制液體管路閥門的開關(guān)，同時(shí)調(diào)節(jié)流量、流速，保證推進(jìn)劑補(bǔ)加過程安全進(jìn)行。

貨運(yùn)飛船完成對(duì)空間實(shí)驗(yàn)室/空間站的補(bǔ)加后，為保持管路清潔以便進(jìn)行后續(xù)多次補(bǔ)加，需對(duì)補(bǔ)加管路里的推進(jìn)劑進(jìn)行吹除，且在吹除過程中盡可能不污染空間飛行器表面。在太空真空環(huán)境下吹除液體推進(jìn)劑，國內(nèi)尚無先例，推進(jìn)劑在吹除過程中經(jīng)歷的與地面完全不同的復(fù)雜環(huán)境及物理變化過程需要摸索。研制團(tuán)隊(duì)先后進(jìn)行了多輪推進(jìn)劑吹除試驗(yàn)，確定了吹除方案，包括吹除壓力、吹除速率、吹除口的型面狀態(tài)等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)驗(yàn)證可用于在軌補(bǔ)加后的推進(jìn)劑吹除，確保后續(xù)補(bǔ)加的順利進(jìn)行。

首次實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)100V高壓供電

第一代對(duì)接機(jī)構(gòu)采用的是低壓供電，其可靠性已經(jīng)得到多次驗(yàn)證。未來我國空間站將采用100V的高壓供電制，為提前驗(yàn)證該技術(shù)，天舟-1貨運(yùn)飛船采用了全新研制的國產(chǎn)100V高壓器件，并對(duì)接機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)電路進(jìn)行了全新的設(shè)計(jì)。其推進(jìn)艙的太陽電池翼由3塊基板組成，并采用半剛性材料，以達(dá)到減輕質(zhì)量的目的。

天舟-1首次使用了低軌高壓大容量鋰電池，并達(dá)到了2700W功率，這標(biāo)志著我國空間電源走向鋰電時(shí)代，為空間站的建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。其電源分系統(tǒng)采用3機(jī)組鋰離子蓄電池組，每組由22個(gè)單體串聯(lián)組成，共使用單體66個(gè)。圍繞鋰電池自身的可靠性和安全性，做了大量的試驗(yàn)和驗(yàn)證工作，包括不同溫度下的特性試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)和充電策略的驗(yàn)證等。

交會(huì)對(duì)接與發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)

此次天舟-1與天宮-2將實(shí)現(xiàn)3次交會(huì)對(duì)接，對(duì)接機(jī)構(gòu)組合體保持時(shí)間將遠(yuǎn)超此前的紀(jì)錄，所以對(duì)于對(duì)接機(jī)構(gòu)的控制、空間環(huán)境壽命、重復(fù)對(duì)接性能提出了更高要求。兩個(gè)航天器對(duì)接之后，通過氣體壓力把推進(jìn)劑從天舟-1輸送到天宮-2。這不僅需要準(zhǔn)確的對(duì)接，又必須滿足密封的要求。推進(jìn)劑絕對(duì)不能泄漏，所以其斷接器是可浮動(dòng)的，能消除對(duì)接偏差的影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確對(duì)接。這些技術(shù)在地面無法模擬實(shí)現(xiàn)，必須要在太空環(huán)境中實(shí)際操作，才能夠檢驗(yàn)技術(shù)的可靠性。為此，攻克了金屬膜盒貯箱、壓氣機(jī)、浮動(dòng)斷接器等關(guān)鍵技術(shù)。

天舟-1貨運(yùn)飛船上共配有25N、120N、150N和490N共4種不同推力量級(jí)的36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，力保天舟-1貨運(yùn)飛船在軌飛行速度達(dá)到子彈飛行速度8倍，實(shí)現(xiàn)“俯仰有度，動(dòng)靜自如”。其中，第二代490N發(fā)動(dòng)機(jī)突破了7項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了490N發(fā)動(dòng)機(jī)的更新?lián)Q代，不僅工作次數(shù)提高了10倍之多，而且密封性能更好。

6 自主繞飛

繞飛技術(shù)能確保航天器能從多個(gè)方向與空間站對(duì)接，是空間站建造和運(yùn)營的關(guān)鍵技術(shù)之一。這次天舟-1貨運(yùn)飛船繞天宮-2空間實(shí)驗(yàn)室的全自主繞飛就是為了驗(yàn)證該項(xiàng)技術(shù)，將為空間站建設(shè)奠定積累更多的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，為未來復(fù)雜對(duì)接做準(zhǔn)備。天舟-1在與天宮-2進(jìn)行第一次交會(huì)對(duì)接2個(gè)月后將撤離天宮-2，伴隨著天宮-2進(jìn)行180°轉(zhuǎn)向，通過全自主繞飛，加速趕到天宮-2前方，從“前”側(cè)與天宮-2進(jìn)行第二次的對(duì)接。

與神舟-10載人飛船在地面人員支持下進(jìn)行的繞飛不同，此次天舟-1貨運(yùn)飛船繞飛過程中的制導(dǎo)、調(diào)姿及進(jìn)入5km保持點(diǎn)均是船上軟件自主規(guī)劃完成，即當(dāng)繞飛指令發(fā)出，天舟-1上的制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)便開始自主規(guī)劃繞飛軌跡，自主進(jìn)行變軌控制，自動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，不需要地面人員干預(yù)，可謂“聰明”和“自立”了很多。這種全自主不僅極大減輕了地面支持人員的工作強(qiáng)度，更重要的是可以實(shí)現(xiàn)測(cè)控區(qū)外的自主繞飛。如果把神舟-10的繞飛比作是“領(lǐng)著”小朋友學(xué)走路，那么天舟-1貨運(yùn)飛船的繞飛則是“看著”小朋友自己走路。

雖然空間繞飛很精彩，但也暗含巨大風(fēng)險(xiǎn)，兩個(gè)重達(dá)十幾噸的飛行器在高速飛行過程中完成“上下繞圈”和“翻跟斗”，其最大的風(fēng)險(xiǎn)就是碰撞。所以，要求兩者的軌跡和姿態(tài)必須精準(zhǔn)受控。除了避免碰撞，全自主繞飛還需要規(guī)劃出最優(yōu)的繞飛軌跡，完成在特定位置的變軌控制，在預(yù)定的時(shí)間點(diǎn)到達(dá)預(yù)定的位置，以消耗盡量少的燃料。

同時(shí)，飛船要根據(jù)目標(biāo)飛行器的狀態(tài)進(jìn)行協(xié)同控制，包括相對(duì)位置、相對(duì)速度、相對(duì)姿態(tài)、相對(duì)角速度等，所有因素都必須“完美”，這就要求有超高的可靠性和安全性、高可靠的控制系統(tǒng)產(chǎn)品以及具有自主故障診斷和系統(tǒng)重構(gòu)能力的智慧軟件等。

7 快速對(duì)接

天舟-1飛行任務(wù)要驗(yàn)證快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，即從入軌到對(duì)接成功僅需要幾個(gè)小時(shí)，且以飛船的自主制導(dǎo)和控制為主。掌握高效、強(qiáng)適應(yīng)性的快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，將為今后建造空間站、完成密集的交會(huì)對(duì)接任務(wù)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

目前，大多數(shù)追蹤飛行器在發(fā)射后要飛行2天才能與目標(biāo)飛行器交會(huì)對(duì)接，過程中還需要大量的人工參與。但從2012年起至今，俄羅斯飛船與“國際空間站”已多次進(jìn)行了快速交會(huì)對(duì)接，飛船從入軌到對(duì)接成功僅用時(shí)6h。

從人的方面說，快速對(duì)接可以縮短航天員在飛船狹小空間中滯留的時(shí)間，減少航天員不必要的體力與精力付出，使載人太空飛行變得更加舒適、愜意；從任務(wù)角度來說，快速交會(huì)對(duì)接還可保障科研用品，特別是生物制劑等無法經(jīng)歷長期運(yùn)輸?shù)呢浧繁M快送達(dá)空間站，這對(duì)某些試驗(yàn)可能是至關(guān)重要的；從安全的角度來說，如果空間站等航天器突遇緊急情況，快速交會(huì)對(duì)接可以快速地對(duì)故障實(shí)施搶修與緊急救援等工作。

為了試驗(yàn)快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，研制團(tuán)隊(duì)突破了航天器自主導(dǎo)航測(cè)軌、定軌、自主快速制導(dǎo)等技術(shù)，將復(fù)雜的測(cè)定軌算法和遠(yuǎn)距離導(dǎo)引技術(shù)工程化，把原來遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段需要地面干預(yù)的工作交由航天器的星上計(jì)算機(jī)自主進(jìn)行。在飛船入軌后，所有的測(cè)定軌、制導(dǎo)律計(jì)算、控制實(shí)施策略等均由飛船自主計(jì)算，無需地面干預(yù)，幾個(gè)小時(shí)就可以完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

8 在軌試（實(shí)）驗(yàn)

天舟-1總共搭載了40臺(tái)設(shè)備，要進(jìn)行10余項(xiàng)太空試（實(shí)）驗(yàn)。這些設(shè)備裝在貨物艙內(nèi)部，或者懸掛在船體外側(cè)，既提高了空間的利用率，也最大程度滿足了不同試（實(shí)）驗(yàn)的需求。這些試（實(shí)）驗(yàn)包括：驗(yàn)證非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)；驗(yàn)證主動(dòng)隔振關(guān)鍵技術(shù)；開展微重力對(duì)細(xì)胞增殖和分化影響的研究；驗(yàn)證兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)等。

“非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”項(xiàng)目

該項(xiàng)目將在軌測(cè)試高精度靜電懸浮加速度計(jì)的長期工作性能；開展溫度、微重力水平、外界磁場環(huán)境及力學(xué)擾動(dòng)等外界環(huán)境因素對(duì)加速度計(jì)的影響研究，為空間站開展相對(duì)論與引力物理實(shí)驗(yàn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

“主動(dòng)隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”項(xiàng)目

該項(xiàng)目將進(jìn)行六自由度“主動(dòng)隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”，評(píng)估六自由度主動(dòng)隔振控制算法，同時(shí)為非牛頓實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)裝置提供高水平微重力環(huán)境，也將為空間站高微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。此次試驗(yàn)將使我國成為繼美國和加拿大后第三個(gè)在軌采用主動(dòng)隔振控制技術(shù)服務(wù)于空間微重力實(shí)驗(yàn)研究的國家。

“微重力對(duì)細(xì)胞增殖和分化影響研究”項(xiàng)目

該項(xiàng)目開展微重力環(huán)境下干細(xì)胞增殖分化、生殖細(xì)胞分化、骨組織細(xì)胞結(jié)構(gòu)功能的影響及其對(duì)抗措施方面的研究。它共包括子項(xiàng)目8個(gè)，其中干細(xì)胞的研究成果可用于心臟、肝臟疾病的治療、器官移植等方面；胚胎干細(xì)胞的研究將為組織工程和再生醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用探索新途徑；骨細(xì)胞的研究有助于預(yù)防和治療空間和地面骨質(zhì)變化疾病，為研發(fā)分子靶向性藥物提供支持。

“兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目

“兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究”由我國科學(xué)家首次提出，用于開展微重力條件下流體的蒸發(fā)和冷凝實(shí)驗(yàn)。該項(xiàng)目擬開展蒸發(fā)與冷凝空間實(shí)驗(yàn)科學(xué)研究和空間站“空間應(yīng)用兩相系統(tǒng)多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”的若干關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證，屬于科學(xué)研究和技術(shù)驗(yàn)證相結(jié)合的綜合空間實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

毛凌野/本文編輯