天舟一號 首踏太空送貨路

□ 文/崔恩慧 攝/高劍

天舟一號 首踏太空送貨路

□ 文/崔恩慧 攝/高劍

立項于2011年的天舟系列貨運飛船，作為我國載人空間站工程的重要組成部分，由于擔(dān)負(fù)著為空間站（空間實驗室）運輸貨物和推進(jìn)劑等物資的重任，被外界親切地稱為太空“快遞小哥”。

攢了6年的力氣，4月20日晚，我國首位太空“快遞小哥”天舟一號顧不得夜路漫漫，由長征七號運載火箭發(fā)射升空，踏上其太空送貨之旅。

一路上，天舟一號懷揣中國航天科技集團(tuán)公司設(shè)計師們賦予它的諸多“絕技”，奔向等待它多時的天宮二號空間實驗室，出色應(yīng)對著“快遞”首單中的種種挑戰(zhàn)。

題圖：天舟一號貨運飛船在軌飛行效果圖

左圖：長征七號火箭垂直轉(zhuǎn)運 宿東 攝

身強(qiáng)力壯載貨多運輸過程非暴力

從外觀上看，“快遞小哥”天舟一號的“長相”與早已亮相的天宮一號目標(biāo)飛行器和天宮二號空間實驗室十分相似。只是10.6米的身高、3.35米的體寬，以及最大裝載狀態(tài)下13.5噸的總體重，使其身形更顯魁梧敦實。

衡量貨運飛船技術(shù)是否先進(jìn)的一個主要指標(biāo)為載貨比。所謂“載貨比”是指貨物重量占整個飛船總重量的比例。載貨比數(shù)值越高，貨運飛船運載效率越高。

作為我國目前體積最大、重量最重的航天器，“快遞小哥”天舟一號是位“大肚能容”的“大力士”，可發(fā)送6噸多貨物至空間實驗室。這一重量幾近于其自身體重。

“天舟系列貨運飛船的運載能力是根據(jù)空間站的規(guī)模來設(shè)計的。天舟一號的載貨比能達(dá)到0.48?！碧熘垡惶栘涍\飛船總設(shè)計師白明生介紹。

即使與俄羅斯的“進(jìn)步”號、美國的“天鵝座”等世界先進(jìn)現(xiàn)役貨運飛船相比，天舟一號的物資上行能力也毫不遜色。目前，只有俄羅斯貨運飛船的載貨比超過0.4，我國貨運飛船接近0.5的載貨比在國際上居于領(lǐng)先水平。

“我們的貨運飛船不僅是多功能、多用途的貨物運輸平臺，還是空間載荷的應(yīng)用平臺，在補(bǔ)加、繞飛、快速對接、遙操作等很多技術(shù)方面都達(dá)到國際先進(jìn)水平?？梢哉f，天舟一號是能最大程度滿足需求又規(guī)模適中的‘快遞小哥’?！蔽逶狠d人航天總體部研究室主任黃震說。

為了讓天舟一號能“快遞”更多物資，五院研制團(tuán)隊在其體內(nèi)設(shè)置了高效承載貨架。貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結(jié)構(gòu)，形成大量標(biāo)準(zhǔn)裝貨單元，傳力效果好，結(jié)構(gòu)與貨物重量比卻僅為8%。

喜歡挑戰(zhàn)的設(shè)計團(tuán)隊在探索貨架承載極限的過程中，還精心設(shè)計了一種大承載輕量化預(yù)埋結(jié)構(gòu)。測試結(jié)果表明，3個預(yù)埋結(jié)構(gòu)就能承載起1臺豪華轎車。

精打細(xì)算的“快遞小哥”知道，運送1千克貨物到太空，成本少則幾萬美元，多則幾十萬美元。上天前，天舟一號“私人減肥教練”——五院529廠的研制人員對其進(jìn)行了全面檢查，且量身制定了健身方案。經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練，“快遞小哥”的體重降下來了，體格卻更精瘦結(jié)實，能為“客戶”運送更多貨物。

快遞行業(yè)的“暴力運輸”在天舟一號這里是絕對行不通的。貨運飛船要運送的物資包括許多精密儀器設(shè)備和航天員用品，金貴得很。它們在發(fā)射段受力大，很容易發(fā)生磕碰。

組裝天舟一號貨運飛船

天舟一號貨運飛船在廠房進(jìn)行測試

正在進(jìn)行總裝的天舟一號貨運飛船

貨運飛船的結(jié)構(gòu)設(shè)計師們將其攜帶的敏感電子器件、機(jī)械硬件系統(tǒng)以及其他生活物資先包裹在泡沫或氣囊袋里，再裝入特別設(shè)計的貨包，然后將其固定于貨架之上。這樣的“軟包裝”為裝載對象提供了高度隔離和減震的載荷環(huán)境?！翱爝f小哥”得以將快件完好地交到“客戶”手中。

自控繞飛“?；印睂又恍?小時

金風(fēng)玉露一相逢，便勝卻人間無數(shù)?！翱爝f小哥”天舟一號和我國首個空間實驗室天宮二號的“初吻”在其入軌兩天后發(fā)生。對于此幕場景的出現(xiàn)，天宮二號已經(jīng)在太空翹首期盼了半年多時間。

神舟飛船和天宮飛行器都是8噸級的航天器，二者的交會對接已經(jīng)是高難度動作。13噸級的“大塊頭”天舟一號以子彈飛行速度的8倍在軌飛行，要盡量溫柔地“擁抱”同樣高速飛行的天宮二號，難度可想而知。

而未來空間站建設(shè)中更將涉及8噸～180噸航天器各種方式的交會對接，要滿足這些“重量級”要求，升級對接機(jī)構(gòu)成為必然選擇。

“如果把神舟八號對接機(jī)構(gòu)作為第一代產(chǎn)品，那么天舟一號對接機(jī)構(gòu)可稱為第二代產(chǎn)品。”八院載人飛船系統(tǒng)副總設(shè)計師張崇峰說，設(shè)計團(tuán)隊在第二代對接機(jī)構(gòu)上增加了用于緩沖撞擊能量的可控阻尼器，既不影響其原捕獲性能，又實現(xiàn)了對接機(jī)構(gòu)捕獲后的大噸位耗能需求。

組合體在軌飛行2個月的時間里，有幾個小時非同尋常。其間，組合體飛行的“控制權(quán)”會從天宮二號完全交由“快遞小哥”。“快遞小哥”將對天宮二號做“推一把”的動作，以檢驗其控制能力。這里的“控制”，既包括軌道提升，也意味著姿態(tài)控制。組合體尺寸和重量的增大，以及質(zhì)心位置的變化，使得對其控制難度加大，控制程序也要重新設(shè)計。

“以后當(dāng)空間站出現(xiàn)緊急情況時，‘快遞小哥’要接替‘控制’角色，對組合體進(jìn)行‘治病’或‘協(xié)助’?！蔽逶贺涍\飛船GNC分系統(tǒng)主任設(shè)計師劉宗玉說。

之后，天舟一號將暫時撤離天宮二號。伴隨著空間實驗室180度轉(zhuǎn)向，“快遞小哥”從下方繞至其前方，與天宮二號進(jìn)行第二次“前向”合體。

未來，待我國空間站建成，每當(dāng)有飛船造訪進(jìn)行交會對接時，百噸級的空間站難以為迎合飛船而進(jìn)行大幅度調(diào)整姿態(tài)。五院502所科研人員專門為飛船自動尋找空間站對接口研發(fā)了全自主繞飛技術(shù)。

兩個龐然大物在太空邊高速飛行邊協(xié)同“起舞”，最大的風(fēng)險就是碰撞。這要求兩者的軌跡和姿態(tài)必須精準(zhǔn)受控。除了避免碰撞，“快遞小哥”要完全靠自己規(guī)劃出最優(yōu)繞飛軌跡，完成在特定位置的變軌控制，以在預(yù)定時間點到達(dá)預(yù)定位置，從而消耗盡量少的燃料。

不僅如此，“快遞小哥”還要“操心”目標(biāo)飛行器的狀態(tài)，對其進(jìn)行協(xié)同控制，使其相對位置、相對速度、相對姿態(tài)、相對角速度等要素“一切剛剛好”。

完成繞飛試驗后，天舟一號與天宮二號再次分離，各自獨立飛行3個月。這期間，天舟一號的主要任務(wù)是完成搭載的空間科學(xué)試驗。之后，按照計劃，天舟一號將第三次實現(xiàn)與天宮二號的交會對接，這在我國載人航天史上也是第一次。

在天舟一號之前，我國掌握的交會對接技術(shù)需要耗時兩天左右的時間。天舟一號的第三次交會對接僅用約6小時完成，是一次名副其實的快速交會對接。“這跟我們從北京乘高鐵到上海的時間差不多?！蔽逶?02所貨運飛船副總設(shè)計師張強(qiáng)憧憬道，“空間站建成后，我們和航天員同時從北京出發(fā)，等到我們下火車的時候，航天員也許已經(jīng)可以在遙遠(yuǎn)的空間站里跟我們打招呼了?！?/p>

天舟一號貨運飛船和天宮二號空間實驗室交會對接效果圖

從上世紀(jì)60年代至今，人類已經(jīng)進(jìn)行了上百次交會對接活動。目前，2天～3天交會對接策略是地面向國際空間站運送航天員的主要方式，神舟飛船、“聯(lián)盟”飛船、航天飛機(jī)以及國際空間站均采用此種方式。但自2012年起，俄羅斯分別采用“進(jìn)步”號貨運飛船和“聯(lián)盟”號載人飛船與國際空間站成功實施了7次快速交會對接試驗，該方式逐漸成為國際航天器交會對接方式中的“新時尚”。

在與天宮二號的快速合體過程中，天舟一號以自主制導(dǎo)和控制為主?！翱爝f小哥”就像無人駕駛汽車，無需地面干預(yù)，可以完全自主地處理飛行路線規(guī)劃、轉(zhuǎn)向、加減速等復(fù)雜問題，極大地節(jié)省了交會對接時間，也減輕了地面人員壓力。

快速交會對接的實現(xiàn)，提高了飛行器在軌飛行的可靠性，減少交會對接過程中產(chǎn)生的資源消耗。航天員在飛船狹小空間中的滯留時間大幅縮短，提高了載人太空之旅的舒適性。有時候，“快遞小哥”也要把一些生物制劑等無法經(jīng)歷長期運輸?shù)呢浧贰凹蛹薄彼瓦_(dá)空間站，這對某些科學(xué)試驗無疑是至關(guān)重要的。

“更重要的是，未來空間站等航天器一旦突發(fā)緊急情況，快速交會對接可以及時對故障實施搶修與緊急救援工作，從而保障空間站安全運營?！秉S震說。

天舟一號貨運飛船正在測試中

天舟一號還是個樂于奉獻(xiàn)的“快遞小哥”——不僅管送貨、能“加油”，在整個飛行任務(wù)結(jié)束后，還負(fù)責(zé)將空間站垃圾帶回大氣層燒毀。

相較于一般航天器在完成使命后，漂浮于原來軌道直至推進(jìn)劑耗盡的終結(jié)方式，“快遞小哥”首次采取主動離軌方式，受控隕落于南太平洋指定區(qū)域。具有“犧牲”精神的“快遞小哥”不僅避免自身成為太空垃圾，也減少了離軌過程中的不可控因素。

“貨運飛船從設(shè)計之初就考慮到這些因素。這也體現(xiàn)了中國作為航天大國，對打造潔凈、安全的太空環(huán)境負(fù)責(zé)任的態(tài)度。”白明生說。

“太空加油”高精準(zhǔn)、不泄漏

就像汽車在地面行駛需要加油一樣，“太空加油”對于未來我國空間站長期在軌是最關(guān)鍵的技術(shù)之一。除了送貨，此次“快遞小哥”天舟一號太空之行的最重要使命，就是實施我國首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，為我國空間站建造和長期運營掃清能源供給方面的技術(shù)障礙。

在此之前，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，而只有俄羅斯實現(xiàn)了在軌加注應(yīng)用。與此同時，歐洲、加拿大、日本等也在該領(lǐng)域加緊了研究探索的步伐。

10年前，有外國同行表示可以為中國提供技術(shù)合作，但提出“補(bǔ)加技術(shù)中國人搞不出來，你們的貨運飛船必須配套我們的系統(tǒng)”。倔強(qiáng)的中國航天人卻堅持“太空加油技術(shù)一定要在自己手中實現(xiàn)”，用10年時間攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

天舟一號由貨物艙和推進(jìn)艙兩個艙段組成。推進(jìn)劑補(bǔ)加要靠推進(jìn)艙來完成?！拔覀冊O(shè)計的推進(jìn)艙可裝載2.4噸～3.5噸推進(jìn)劑，最高裝載量是天宮二號攜帶推進(jìn)劑重量的2.5倍?！卑嗽贺涍\飛船系統(tǒng)副總指揮顧側(cè)峰介紹。

整個飛行任務(wù)中，“快遞小哥”將為天宮二號進(jìn)行3 次燃料補(bǔ)充。在復(fù)雜的太空環(huán)境下，這樣的行為并不容易實現(xiàn)。

“太空加油”過程中，最怕出現(xiàn)推進(jìn)劑泄露。想要“ 快遞小哥”把“加油槍”準(zhǔn)確無誤地插入“ 加油口”，兩個航天器的對接機(jī)構(gòu)得銜接得嚴(yán)絲合縫。之前天宮與神舟的交會對接被媒體比喻為“在茫茫太空中穿針引線”，此次“快遞小哥”身兼液體補(bǔ)加任務(wù)，對接精度更是提高一倍。

這樣的要求起初也讓八院對接機(jī)構(gòu)主任設(shè)計師邱華勇所在的研制團(tuán)隊“著實苦惱了一陣”，但“沒被嚇倒”。他們小心謹(jǐn)慎地在已經(jīng)生產(chǎn)好的上天產(chǎn)品上增加了4個液路浮動斷接器及若干補(bǔ)加管路的安裝接口。作為連接通道，斷接器是可浮動的，借此消除兩個高速飛行航天器對接機(jī)構(gòu)對接時的偏差影響。

“‘太空加油’得以實施的一個前提條件是，受加注方空間站或空間實驗室要具備可重復(fù)接受加注的能力?！绷?01所副所長魏青說。

天舟一號貨運飛船示意圖制圖：丁潔

六院科研人員為天宮二號配備了國內(nèi)最大的金屬膜盒貯箱，內(nèi)有管理裝置，實現(xiàn)箱內(nèi)的氣液分離。貯箱可像手風(fēng)琴風(fēng)箱一樣推拉往復(fù)運動，這樣的補(bǔ)加裝置能接受上百次加注。

“太空之吻”實現(xiàn)后，天宮二號貯箱內(nèi)的氣壓由壓氣機(jī)調(diào)低，兩個航天器燃料貯箱間形成壓差，液體推進(jìn)劑從壓力高處向低處流動，實現(xiàn)天舟一號對天宮二號的加注。

每次補(bǔ)加結(jié)束后，為保持管路清潔以便后續(xù)多次補(bǔ)加，“ 快遞小哥”需在太空真空環(huán)境下，對補(bǔ)加管路里殘留的推進(jìn)劑進(jìn)行“吹除”，并且在此過程中不能污染飛行器表面。這項技術(shù)在國內(nèi)也是首創(chuàng)。

目前，國內(nèi)空間飛行器只含有單一的推進(jìn)系統(tǒng)，為飛行提供動力，貨運飛船除此之外還有在軌補(bǔ)加系統(tǒng)。研制團(tuán)隊對天舟一號的推進(jìn)和補(bǔ)加系統(tǒng)進(jìn)行了一體化設(shè)計。“我們將兩個系統(tǒng)連接起來，在不影響各自獨立功能的前提下，補(bǔ)加系統(tǒng)的推進(jìn)劑可以供應(yīng)推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)動機(jī)工作，而推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)劑也可以用于補(bǔ)加，從此一來，實現(xiàn)了推進(jìn)劑的最大化利用?！蔽呵嗾f，當(dāng)其中一個系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可以通過隔離及切換，確保推進(jìn)和補(bǔ)加功能均可順利完成。

不光要“對得上”，還要能“分得開”。“就好像筆桿和筆帽的關(guān)系，筆帽卡太緊，有可能拔不下來?！鼻袢A勇順手拿起桌上的鋼筆演示著?！叭f一出現(xiàn)這種狀況，對接機(jī)構(gòu)的分離推桿力能克服故障狀態(tài)下的力，使航天器正常分離。”一直從事天宮二號對接機(jī)構(gòu)研制工作的副主任設(shè)計師丁立超說。

對于補(bǔ)加過程中可能發(fā)生的泄漏，科研人員早已準(zhǔn)備好了預(yù)案。而在“快遞小哥”全身上下，他們也極盡所能地設(shè)置了各種故障發(fā)生時的“PLAN B”。“我們團(tuán)隊投入大量精力和時間，針對飛船的500 多種故障模式提出預(yù)案，以保證任務(wù)的萬無一失?！卑酌魃f。