中國(guó)空間站的“快遞小哥”

沈羨云

4月20日19時(shí)41分，搭載著“天舟”一號(hào)貨運(yùn)飛船的“長(zhǎng)征”七號(hào)遙二運(yùn)載火箭，在我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火發(fā)射，約596秒后，飛船與火箭成功分離，進(jìn)入預(yù)定軌道，發(fā)射取得圓滿成功。這是我國(guó)貨運(yùn)飛船的首次飛行試驗(yàn)，作為載人航天家族的新成員，“天舟”一號(hào)的加入，意味著中國(guó)載人空間站的建成將向前更進(jìn)一步，這也是中國(guó)人實(shí)現(xiàn)“太空筑家”夢(mèng)想的關(guān)鍵一步。

“快遞小哥”簡(jiǎn)介

我國(guó)將建造長(zhǎng)期有人照料的空間站，空間站要運(yùn)行，航天員要工作、生活，向空間站運(yùn)轉(zhuǎn)所需的燃料（推進(jìn)劑）及航天員工作、生活所需要的物資是必不可少的。這就需要有一個(gè)專門的運(yùn)輸工具來負(fù)責(zé)運(yùn)輸貨物，并為空間站“加油”——這個(gè)重要使命就由貨運(yùn)飛船來?yè)?dān)當(dāng)。

“天舟”一號(hào)是我國(guó)自主研制的首艘貨運(yùn)飛船，由于它只運(yùn)貨，不送人，所以被一些媒體昵稱為太空中的“快遞小哥”?！翱爝f小哥”是兩艙式結(jié)構(gòu)，直徑較小的是推進(jìn)艙，直徑較大的為貨物艙。其最大直徑達(dá)到3.35米，飛船全長(zhǎng)10.6米，太陽(yáng)帆板展開后最大寬度為14.9米，物資上行能力約6噸，滿載貨物時(shí)重13.5噸。它是中國(guó)發(fā)射進(jìn)入太空的航天器中質(zhì)量最大的有效載荷，比“客戶”（“天宮”二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室）還大 。這次任務(wù)，“天舟”一號(hào)要為“天宮”二號(hào)帶去6噸左右的貨物和推進(jìn)劑，其中有大大小小100多個(gè)貨包。此外，其強(qiáng)大運(yùn)載能力還表現(xiàn)在載貨比指標(biāo)上。“天舟”一號(hào)的載貨比（即貨物重量占整個(gè)飛船的總重量的比例，是考核貨運(yùn)飛船的主要指標(biāo)，載貨比數(shù)值越高，說明運(yùn)載效率越高）較高，將來還可以進(jìn)一步優(yōu)化到0.48，該數(shù)值超越歐洲、日本等國(guó)家的現(xiàn)役貨運(yùn)飛船，處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

“快遞小哥”的“腰部”是一個(gè)個(gè)鏤空形式的連接框，可以與各部分牢固連接。它的外衣是一種壁板結(jié)構(gòu)，貨物艙為圓柱形，艙壁周圍為格狀結(jié)構(gòu)的貨架，上面裝有天藍(lán)色把手，中間形成一個(gè)矩形過道。為了讓未來的“客戶”在艙內(nèi)活動(dòng)更安全、舒適，內(nèi)部的地板采用了深色硬質(zhì)結(jié)構(gòu)，方便蹬踏，天花板為淺色。上淺下深顏色的布局，可以營(yíng)造出一種天地感，讓人不會(huì)眩暈。為了使艙內(nèi)空間利用更加合理，裝載更多的貨物，“天舟”一號(hào)的貨艙被自己的“骨骼”——貨架分割成了許多區(qū)域。在貨架的設(shè)計(jì)上，科研人員選用了輕質(zhì)高強(qiáng)度材料?！柏浖苊姘濉眱x器板使用的是鋁合金蜂窩板，“貨架框架”立梁使用的是碳纖維材料。經(jīng)過多次工藝攻關(guān)后，“天舟”一號(hào)的整體結(jié)構(gòu)變得又輕又強(qiáng)壯，確保能將貨物完好無(wú)缺地送達(dá)“天宮”二號(hào)。

目前，國(guó)際上使用的貨運(yùn)飛船有多種，包括俄羅斯的“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船、歐洲的自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器、美國(guó)的“龍”飛船，以及日本的HTV貨運(yùn)飛船等?！疤熘邸币惶?hào)是世界上現(xiàn)役運(yùn)載能力最強(qiáng)的貨運(yùn)飛船。

“天舟”一號(hào)入軌后，將按預(yù)定程序與在軌運(yùn)行的“天宮”二號(hào)先后進(jìn)行3次交會(huì)對(duì)接、3次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加以及空間應(yīng)用和航天技術(shù)等領(lǐng)域的多項(xiàng)試驗(yàn)。其間，“天舟”一號(hào)與“天宮”二號(hào)組合體在軌飛行約2個(gè)月，“天舟”一號(hào)獨(dú)立飛行約3個(gè)月。完成既定任務(wù)后，“天舟”一號(hào)將受控離軌，隕落至預(yù)定安全海域;“天宮”二號(hào)留軌繼續(xù)開展拓展試驗(yàn)和應(yīng)用。

“快遞小哥”的任務(wù)

“快遞小哥”到達(dá)太空后，除了給“天宮”二號(hào)送補(bǔ)給品外，還有很多任務(wù)等待它來完成?！翱爝f小哥”的主要任務(wù)是：

檢驗(yàn)“太空加油”技術(shù)

就像汽車需要加油，未來空間站長(zhǎng)期在軌也需要“加油”?！疤熘邸币惶?hào)這次就要進(jìn)行在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)驗(yàn)證，在太空為“天宮”二號(hào)“加油”。有了貨運(yùn)飛船超強(qiáng)運(yùn)輸、補(bǔ)給能力的支撐，未來，3名航天員能在“太空之家”連續(xù)工作180天，各類實(shí)驗(yàn)物資也可以源源不斷地運(yùn)抵空間站，把空間站建設(shè)成為我國(guó)在太空的新技術(shù)試驗(yàn)田。

三次對(duì)接

未來空間站包括核心艙和兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙， 核心艙前后方向與垂直下方分別設(shè)有對(duì)接口，未來去空間站執(zhí)行任務(wù)的載人飛船或貨運(yùn)飛船很可能從不同方向進(jìn)行交會(huì)對(duì)接?！翱爝f小哥”在太空將完成3次交會(huì)對(duì)接任務(wù)。第一次交會(huì)對(duì)接是測(cè)試貨運(yùn)飛船對(duì)組合體的控制能力。第二次交會(huì)對(duì)接時(shí)“天宮”二號(hào)轉(zhuǎn)體180°，“天舟”一號(hào)從“天宮”二號(hào)下方繞飛，同時(shí)轉(zhuǎn)體180°，加速趕到“天宮”二號(hào)前方，與“天宮”二號(hào)進(jìn)行對(duì)接。第一次、第二次交會(huì)對(duì)接檢驗(yàn)的都是未來空間站運(yùn)營(yíng)所必須的能力。

在最后一次交會(huì)對(duì)接中，“天舟”一號(hào)將采用自主快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)。在“天舟”一號(hào)之前，我國(guó)掌握的交會(huì)對(duì)接技術(shù)需要耗時(shí)兩天左右，快速交會(huì)對(duì)接將時(shí)間控制在6個(gè)小時(shí)左右。這意味著可以縮短航天員在飛船狹小空間中滯留的時(shí)間，使載人太空飛行變得更加舒適、愜意，還可以讓無(wú)法經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸?shù)呢浧繁M快送達(dá)。同時(shí)，這項(xiàng)技術(shù)將在更大程度上保障未來空間站的安全，方便空間站突發(fā)事件的應(yīng)急處理。

空間應(yīng)用及技術(shù)實(shí)驗(yàn)

雖然，“天舟”一號(hào)的主要功能是“運(yùn)貨”，但在滿足貨物運(yùn)輸需求的同時(shí)，“快遞小哥”還利用隨船搭載的幾十臺(tái)載荷設(shè)備， 過一把科學(xué)研究的癮，在飛行期間開展十余項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究及技術(shù)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。其中，“非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證”將在軌測(cè)試高精度靜電懸浮加速度計(jì)的工作性能，獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為我國(guó)“衛(wèi)星重力測(cè)量”“空間引力波探測(cè)”等空間計(jì)劃提供重要支撐。此外，“微重力對(duì)細(xì)胞增殖和分化影響研究”項(xiàng)目有望應(yīng)用于心臟和肝臟疾病的治療、器官移植、生殖健康以及預(yù)防和治療骨質(zhì)變化疾病等方面。

“快遞小哥”的技術(shù)亮點(diǎn)

太空加油

“天舟”一號(hào)飛船將對(duì)“天宮”二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室實(shí)施推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，突破和掌握推進(jìn)劑補(bǔ)加等關(guān)鍵技術(shù)。“天舟”一號(hào)貨運(yùn)飛船“太空加油”采用的是無(wú)增壓氣體損耗的氣體回用法。這種方法系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較大，但是氣體資源利用率高。

與日常生活中的加油不同，“太空加油”不僅要加注燃料，還需要加注供燃料燃燒的氧化劑。燃燒劑和氧化劑兩者不能“見面”，否則會(huì)發(fā)生爆炸。它們的加注是由兩套系統(tǒng)獨(dú)立完成的，加注時(shí)序也不同。“太空加油”須在“天舟”一號(hào)和“天宮”二號(hào)對(duì)接鎖緊、補(bǔ)加裝置和管路氣密性好的前提下進(jìn)行。“太空加油”分3步：第一步，“天宮”二號(hào)的壓氣機(jī)將手風(fēng)琴狀的膜盒貯箱中的氣體壓回氣瓶，使“天宮”二號(hào)的燃料儲(chǔ)箱的壓力低于“天舟”一號(hào);第二步，推進(jìn)劑在壓力差的作用下，自動(dòng)從“天舟”一號(hào)貯箱流入“天宮”二號(hào)貯箱，當(dāng)兩側(cè)壓力一致時(shí)，加注工作完成;第三步，進(jìn)行管路吹除，確?！疤熘邸币惶?hào)和“天宮”二號(hào)分離時(shí)，殘留在管路中的推進(jìn)劑不會(huì)在空間擴(kuò)散，以防污染對(duì)接器件和航天器。

“太空加油”過程復(fù)雜，具體分為29個(gè)步驟，每步都需要精細(xì)控制，整個(gè)補(bǔ)加過程要持續(xù)幾天。

它是這次任務(wù)的最大亮點(diǎn)， 是世界范圍內(nèi)的難題， 目前國(guó)際上掌握了在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)的只有俄羅斯和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家，其中，實(shí)現(xiàn)在軌加注應(yīng)用的只有俄羅斯。

高科技的“貨架”和“貨包”

快遞小哥送貨的“貨架”和“貨包”與普通的貨架、貨包不同，是專門為“天舟”一號(hào)定制的。為提升“天舟”一號(hào)承載量，飛船內(nèi)部采用了高效承載貨架設(shè)計(jì)。表面上看，這些貨架和普通的儲(chǔ)物格類似，但其細(xì)節(jié)和構(gòu)型都經(jīng)過科學(xué)分析論證。貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結(jié)構(gòu)，形成大量的標(biāo)準(zhǔn)裝貨單元，結(jié)構(gòu)與貨物重量比達(dá)到8%，此比例在業(yè)內(nèi)已屬領(lǐng)先。

由于運(yùn)送的貨物中有不少精密儀器和航天員用品， 裝載物資的貨包必須具備保護(hù)功能?！疤熘邸币惶?hào)精心準(zhǔn)備了一種高科技貨包來裝載貨物。這種高科技貨包，采用系列化設(shè)計(jì)，根據(jù)貨物尺寸，可調(diào)節(jié)大小、形狀。其外觀呈乳黃色，采用新型的抗菌、防潮、防霉布料，里面則使用一種新研制的防火、防潮且減振的泡沫或者氣囊來包裹貨物，“軟包裝”能夠很好地為貨物減振，可保證貨物安全到達(dá)太空和部分貨物在貨包中安全地存放一年。

天基測(cè)控搭建“太空天路”

以往，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?；鶞y(cè)量船。這需要耗費(fèi)大量人力、物力來建造、維護(hù)地面測(cè)控站和海上測(cè)量船，研制人員奔波在各個(gè)站點(diǎn)之間開展相關(guān)試驗(yàn)，并且受到跨國(guó)、跨境等地域限制。

“天舟”一號(hào)貨運(yùn)飛船首次采用了以天基測(cè)控體制為主的設(shè)計(jì)原則。簡(jiǎn)單來說，就是將原本在地面或海上的測(cè)量系統(tǒng)“搬”到了天上，打破了在地面或海上的地域限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航天器在軌飛行關(guān)鍵事件的全程跟蹤，以確保對(duì)在軌異常的情況及時(shí)監(jiān)測(cè)處置。這項(xiàng)測(cè)控應(yīng)用有效降低了人力、物力、財(cái)力等成本，為未來與空間站通訊聯(lián)絡(luò)鋪平了道路。

精準(zhǔn)的組合體姿態(tài)控制

要實(shí)現(xiàn)“太空加油”，“天舟”一號(hào)和“天宮”二號(hào)這個(gè)組合體必須穩(wěn)定。但是，由于“快遞小哥”的質(zhì)心、慣量變化范圍大，在“加油”時(shí)，對(duì)組合體的飛行姿態(tài)有較大的干擾。為了保證組合體在太空的姿態(tài)穩(wěn)定，中國(guó)空間技術(shù)研究院研制了200Nms控制力矩陀螺（CMG）系統(tǒng)，它有完善的自主故障診斷和重構(gòu)能力，該系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對(duì)組合體穩(wěn)定控制的同時(shí)，可以保證當(dāng)某一個(gè)CMG出現(xiàn)異?；蚬收蠒r(shí)，系統(tǒng)可以無(wú)縫切換，并保證對(duì)姿態(tài)干擾的程度最小。對(duì)組合體的控制，將再次驗(yàn)證我國(guó)大型變結(jié)構(gòu)航天器控制技術(shù)的可靠性，對(duì)后續(xù)飛行器設(shè)計(jì)有重要參考意義。

【責(zé)任編輯】蒲 暉