天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船研制

白明生，金 勇，雷劍宇，王 松

(中國空間技術(shù)研究院，北京100094)

1 引言

按照我國載人航天工程三步走戰(zhàn)略，二步二階段發(fā)射天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船，解決空間站建造與長(zhǎng)期運(yùn)營必需的大量空間貨物運(yùn)輸問題，為我國空間站建造和運(yùn)營奠定基礎(chǔ)[1]。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船作為我國首個(gè)空間貨物運(yùn)輸飛船，于2017年4月20日發(fā)射，9月22日受控離軌，飛行任務(wù)取得了圓滿成功。天舟一號(hào)突破了貨物運(yùn)輸、推進(jìn)劑補(bǔ)加、全自主快速交會(huì)對(duì)接等關(guān)鍵技術(shù)，建立了獨(dú)立自主、功能齊備的空間貨物運(yùn)輸系統(tǒng)，使我國躋身于少數(shù)幾個(gè)具備大噸位空間貨運(yùn)能力的國家，綜合技術(shù)處于國際先進(jìn)水平。這是我國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略第二步的收官之作，標(biāo)志著我國即將開啟空間站時(shí)代[2]。

2 任務(wù)要求

通過載人航天工程第一步和第二步一階段的實(shí)施，我國已初步建成功能完備的神舟飛船天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)，能滿足近地軌道載人往返任務(wù)需求，但在空間站工程階段還存在大量貨物運(yùn)輸以及推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加需求，需建造空間貨物運(yùn)輸專用系統(tǒng)——貨運(yùn)飛船。按照我國載人航天工程三步走發(fā)展戰(zhàn)略，第二步第二階段——空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)階段通過發(fā)射天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室、神舟十一號(hào)載人飛船和天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船，突破和掌握貨物運(yùn)輸和推進(jìn)劑補(bǔ)加、航天員中期駐留等技術(shù)，為第三步空間站建造和運(yùn)營積累技術(shù)經(jīng)驗(yàn)[1，3]。

中國空間技術(shù)研究院從2011年開始著手進(jìn)行貨運(yùn)飛船的立項(xiàng)論證工作，確立了貨物艙/推進(jìn)艙兩艙構(gòu)型總體技術(shù)方案。2012年，貨運(yùn)飛船正式立項(xiàng)，命名為“天舟”，明確了天舟貨運(yùn)飛船需要具備的物資上行運(yùn)輸、廢棄物資下行、支持組合體姿軌控、空間應(yīng)用和技術(shù)試驗(yàn)支持四大任務(wù)功能。作為天舟貨運(yùn)飛船的首飛船，天舟一號(hào)主要任務(wù)為：①與空間實(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、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)。

3 主要技術(shù)方案

天舟貨運(yùn)飛船由貨物艙和推進(jìn)艙兩艙組成，采用基于模塊化的型譜方案，設(shè)計(jì)了全密封貨物艙、半密封半開放貨物艙、全開放貨物艙和推進(jìn)艙4個(gè)模塊，形成了全密封貨運(yùn)飛船、半密封半開放貨運(yùn)飛船和全開放貨運(yùn)飛船3種型譜(圖1)，可滿足空間站現(xiàn)階段不同貨物種類運(yùn)輸需求。

圖1 天舟貨運(yùn)飛船型譜設(shè)計(jì)Fig.1 Type spectrum of Tianzhou cargo spacecraft

首飛船天舟一號(hào)為全密封型譜，飛船軸向總長(zhǎng)約10.6 m，艙體結(jié)構(gòu)最大直徑Φ3.35 m。最大起飛重量13.5 t，貨物上行能力6.5 t。整船構(gòu)型如圖2所示。天舟一號(hào)主要系統(tǒng)功能方案設(shè)計(jì)如下。

圖2 天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船構(gòu)型Fig.2 Structure of Tianzhou-1 cargo spacecraft

3.1 結(jié)構(gòu)方案

天舟一號(hào)全密封貨物艙外部為長(zhǎng)壽命、低漏率整體壁板結(jié)構(gòu)(圖3)，密封艙內(nèi)部支撐采用輕量化高效鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)[4]，設(shè)計(jì)為4層貨架裝載貨物量達(dá)到5.5 t(圖4)。

圖3 貨物艙結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of pressurized cargo cabin

圖4 貨物艙內(nèi)貨架結(jié)構(gòu)Fig.4 Shelf structure inside cargo compartment

推進(jìn)艙設(shè)計(jì)為非密封半硬殼鉚接結(jié)構(gòu)，采用上下兩層法蘭的連接形式增加連接點(diǎn)和增大連接面積，加大推進(jìn)艙結(jié)構(gòu)中間框的強(qiáng)度與剛度，實(shí)現(xiàn)了4.4 t推進(jìn)和補(bǔ)加一體化模塊承載[5]，推進(jìn)艙承載布局設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 貨運(yùn)保障方案

密封貨物艙內(nèi)采用“貨架+標(biāo)準(zhǔn)裝載結(jié)構(gòu)”形成上行貨物的標(biāo)準(zhǔn)裝載接口。貨架與整船結(jié)構(gòu)統(tǒng)一設(shè)計(jì)，預(yù)留通用機(jī)械接口，通過標(biāo)準(zhǔn)裝載結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與裝載貨物連接、固定，并可以適應(yīng)艙外航天服、水箱、氣瓶等特殊貨物的運(yùn)輸任務(wù)。貨物艙內(nèi)各類貨物裝載在軌實(shí)景見圖6。

圖5 推進(jìn)艙內(nèi)裝載布局Fig.5 Overall arrangement inside propulsion module

圖6 貨物艙內(nèi)貨物裝載圖(在軌)Fig.6 Cargo stowage plan(in orbit)

同時(shí)配置載荷管理單元、載荷配電單元為貨物(試驗(yàn)載荷)統(tǒng)一提供供電、信息支持，接入平臺(tái)以太網(wǎng)絡(luò)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)下行速率100 Mbps，平臺(tái)可為貨物(載荷)供電1000 W[6]。

3.3 推進(jìn)劑補(bǔ)加方案

到目前為止，掌握了在軌推進(jìn)劑加注技術(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，采用的是氣體回用法；美國沒有進(jìn)行過在軌加注應(yīng)用，但通過飛行試驗(yàn)掌握了加壓加注技術(shù)[7-8]。加壓法系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但推進(jìn)劑加壓溫升帶來了安全隱患，同時(shí)補(bǔ)加方需消耗一定量的高壓氣體。氣體回用法系統(tǒng)復(fù)雜，技術(shù)難度大，但氣體資源無消耗，技術(shù)一旦突破對(duì)長(zhǎng)期在軌的空間站更為有利。

考慮中國載人空間站長(zhǎng)期在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加需求，天舟貨運(yùn)飛船聯(lián)合空間站采用“增壓氣體回用+推進(jìn)劑恒壓擠壓”技術(shù)方案。貨運(yùn)飛船完成與被補(bǔ)加飛行器的推進(jìn)劑管路對(duì)接與密封，由被補(bǔ)加飛行器壓氣機(jī)將貯箱氣腔內(nèi)增壓氣體回抽至氣瓶，降低貯箱背壓，以具備接收推進(jìn)劑條件，貨運(yùn)飛船再以恒壓方式將推進(jìn)劑輸送至被補(bǔ)加飛行器膜盒貯箱，并吹除連接管路推進(jìn)劑和脫開連接管路，完成推進(jìn)劑補(bǔ)加。

進(jìn)步號(hào)和ATV貨運(yùn)飛船用于推進(jìn)劑補(bǔ)加的模塊與貨運(yùn)飛船平臺(tái)自身控制所需的推進(jìn)模塊獨(dú)立設(shè)計(jì)，規(guī)避了兩個(gè)模塊之間壓力體制差異、安全隔離等融合技術(shù)難題，但系統(tǒng)推進(jìn)劑利用率低、任務(wù)適應(yīng)性差、故障應(yīng)對(duì)手段少。天舟貨運(yùn)飛船全新研制8只400 L金屬膜片貯箱，分為推進(jìn)和補(bǔ)加兩個(gè)功能模塊，總攜帶量可達(dá)3.5 t，可用于補(bǔ)加的推進(jìn)劑為2.1 t。模塊間實(shí)現(xiàn)了融合使用，滿足了推進(jìn)/補(bǔ)加模塊的安全隔離和靈活切換的要求，提高了推進(jìn)劑利用效率以及任務(wù)應(yīng)急能力。

3.4 交會(huì)對(duì)接方案

貨運(yùn)飛船與空間站交會(huì)對(duì)接是實(shí)現(xiàn)貨物補(bǔ)給和推進(jìn)劑補(bǔ)加的基礎(chǔ)，是貨運(yùn)飛船關(guān)鍵任務(wù)功能之一。全相位交會(huì)對(duì)接擴(kuò)展了貨運(yùn)飛船的發(fā)射窗口，提高了空間站運(yùn)營管理的靈活性，全自主快速交會(huì)對(duì)接為空間站快速貨物補(bǔ)給和人員運(yùn)送奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，全方位繞飛交會(huì)對(duì)接解決了空間站階段多艘飛船?？坎煌瑢?duì)接口的問題[9]。

2012年8月2日，俄羅斯進(jìn)步M-16M貨運(yùn)飛船首次測(cè)試快速對(duì)接模式[10]，但關(guān)鍵事件仍需要地面干預(yù)。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船首次提出了基于絕對(duì)定位數(shù)據(jù)的快速交會(huì)對(duì)接自主導(dǎo)航與制導(dǎo)方案，解決了依靠地面定軌、計(jì)算、注入時(shí)間長(zhǎng)難以實(shí)施快速交會(huì)對(duì)接的難題，交會(huì)對(duì)接時(shí)間由2 d縮短至6.5 h，在國際上首次實(shí)施了全自主的快速交會(huì)對(duì)接。設(shè)計(jì)了前向、后向、徑向繞飛方案，可與空間站不同對(duì)接口對(duì)接，提高了任務(wù)適應(yīng)能力。

對(duì)接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了主動(dòng)控制電子阻尼器方案，解決了與大偏心構(gòu)型空間站(例如“L”型)對(duì)接時(shí)俯仰和偏航方向能量緩沖消散難題，具備了與空間站全部構(gòu)型對(duì)接適應(yīng)能力[11]。

3.5 制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制方案

姿態(tài)與軌道控制采用以陀螺、星敏、紅外地敏多種測(cè)量方式融合方案完成飛行姿態(tài)測(cè)量確定，采用純噴氣控制實(shí)現(xiàn)姿態(tài)和軌道控制。

針對(duì)貨運(yùn)飛船大慣量積、變質(zhì)心的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，提出了基于指令分配的分組姿軌發(fā)動(dòng)機(jī)使用策略，設(shè)計(jì)了基于前饋補(bǔ)償?shù)慕粫?huì)對(duì)接平移靠攏段高精度位置、姿態(tài)控制器，解決了非合作目標(biāo)安全交會(huì)、多航天器近距離編隊(duì)飛行中的近距離準(zhǔn)靜態(tài)懸停技術(shù)難題[12]。

3.6 熱控方案

針對(duì)貨運(yùn)飛船熱源分布不均、各飛行階段變化大、外熱流變化范圍大的難點(diǎn)，提出了基于強(qiáng)制通風(fēng)與二次輻射的密封艙熱控方法，取代一般密封艙采用的流體回路熱控方法，建立了輕量化貨運(yùn)飛船熱管理系統(tǒng)(圖7)，大幅減輕了散熱系統(tǒng)重量[13-14]。

圖7 輕量化貨運(yùn)飛船熱管理系統(tǒng)Fig.7 Lightweight thermal management system of cargo spacecraft

密封艙內(nèi)設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱量統(tǒng)一收集傳遞，后球底作為散熱面實(shí)現(xiàn)熱量可控排散，密封艙/非密封艙一體化耦合設(shè)計(jì)。通過二次輻射調(diào)節(jié)傳熱路徑和熱阻，提高了密封艙散熱面溫度水平，設(shè)計(jì)3臺(tái)風(fēng)扇組合強(qiáng)制通風(fēng)，增強(qiáng)了散熱面的溫度均勻性，解決了密封艙艙壁作為散熱面容易結(jié)露的技術(shù)難題，在國內(nèi)外載人航天器上尚屬首例。

3.7 環(huán)境控制方案

載人環(huán)境控制與空間站一體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了自身系統(tǒng)配置。密封艙內(nèi)配置壓力控制和溫濕度、氧和二氧化碳濃度測(cè)量設(shè)備，具備艙內(nèi)照明、顯示報(bào)警等功能，支持航天員進(jìn)艙操作。

3.8 電源方案

采用太陽電池翼-鋰離子電池組的光伏電源系統(tǒng)提供100 V電源，配置60 Ah鋰離子電池組和左右兩翼總面積約30 m2三結(jié)砷化鎵太陽電池翼[15]。采用22串ICP30單體高壓鋰離子蓄電池組設(shè)計(jì)方案(圖8)，航天領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)了100 V高壓鋰離子蓄電池組在軌應(yīng)用。其中，ICP30單體與空間站通用，提前驗(yàn)證了空間站電源關(guān)鍵技術(shù)。

整船采用100 V分散配電體制(圖9)，100 V高壓傳輸直接給電子單機(jī)供電，單機(jī)內(nèi)部配置國產(chǎn)DC/DC厚膜器件，減少配電體系中兩級(jí)DC/DC變換損耗以及供電鏈路串聯(lián)環(huán)節(jié)，提高了供電效率和可靠性[16]。

圖8 高壓鋰離子蓄電池組Fig.8 High-voltage lithium ion battery pack

圖9 100 V直接配電體系結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Schematic diagram of 100 V direct distribution system

3.9 測(cè)控通信方案

測(cè)控通信以天基為主，關(guān)鍵時(shí)段配以陸海基測(cè)控支持，實(shí)現(xiàn)了交會(huì)對(duì)接和推進(jìn)劑補(bǔ)加等關(guān)鍵事件全程跟蹤測(cè)控，同時(shí)減少了對(duì)陸基測(cè)控站和?；鶞y(cè)量船的依賴。

針對(duì)航天器內(nèi)部網(wǎng)段設(shè)計(jì)和IP over CCSDS的協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)，提出一種適用于近地軌道航天器的天地網(wǎng)絡(luò)一體化方案，設(shè)計(jì)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了IP協(xié)議與CCSDS AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，構(gòu)建了天地一體化互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[17]?？商峁┎簧儆?2路百兆以太網(wǎng)接口，接口速率100 Mbps，支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議。

4 研制過程概述

2011年，原總裝備部載人航天工程辦公室依據(jù)中央專委批準(zhǔn)的《載人空間站工程實(shí)施方案》，提出了《貨運(yùn)飛船立項(xiàng)綜合論證技術(shù)要求》，中國空間技術(shù)研究院隨即牽頭開展貨運(yùn)飛船方案論證工作。2012年，貨運(yùn)飛船正式立項(xiàng)。2012年6月，載人航天工程辦公室正式下發(fā)《貨運(yùn)飛船研制總要求》，明確了貨運(yùn)飛船任務(wù)、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)要求以及總體技術(shù)方案要點(diǎn)。

2013年4月27日，貨運(yùn)飛船完成總體方案設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)入初樣研制階段，同步開展全密封、半密封貨運(yùn)飛船研制工作，全開放貨運(yùn)飛船作為空間站運(yùn)營階段擴(kuò)展任務(wù)僅完成了方案設(shè)計(jì)。初樣階段，除例行的整船力熱EMC綜合電測(cè)等系統(tǒng)級(jí)試驗(yàn)外，根據(jù)任務(wù)特點(diǎn)，開展了推進(jìn)全系統(tǒng)液流補(bǔ)加仿真、貨物艙貨物模裝試驗(yàn)等專項(xiàng)試驗(yàn)。初樣研制各類試驗(yàn)共計(jì)207項(xiàng)，全面驗(yàn)證了飛船方案設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。在整個(gè)初樣研制階段，總體、分系統(tǒng)和單機(jī)單位進(jìn)行了大量的研制、試驗(yàn)、分析、驗(yàn)證和改進(jìn)工作；著眼于飛船所擔(dān)負(fù)的任務(wù)使命，從元器件、原材料做起，攻克了一個(gè)個(gè)難關(guān)，明確了正樣產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)。

2014年8月，貨運(yùn)飛船進(jìn)入正樣階段，開始首飛船——天舟一號(hào)研制。除例行的正樣試驗(yàn)外，貨運(yùn)飛船參加了長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭/貨運(yùn)飛船在海南發(fā)射場(chǎng)的合練，是新火箭、新飛船、新發(fā)射場(chǎng)的首次磨合，充分驗(yàn)證了箭船發(fā)射場(chǎng)接口匹配性。2017年1月，天舟一號(hào)順利通過出廠評(píng)審，并于2017年2月13日經(jīng)海路順利到達(dá)海南發(fā)射場(chǎng)。發(fā)射場(chǎng)工作推進(jìn)的同時(shí)，聯(lián)合北京飛控中心并行開展飛控準(zhǔn)備工作。海南、北京兩地精心的組織和準(zhǔn)備，確保了天舟一號(hào)任務(wù)的順利實(shí)施。

5 天舟一號(hào)飛行過程

天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船于2017年4月20日起飛，4月22日與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室對(duì)接鎖緊完成形成組合體。4月23日開始第一次推進(jìn)劑補(bǔ)加任務(wù)，4月27日完成推進(jìn)劑補(bǔ)加，標(biāo)志著天舟一號(hào)飛行任務(wù)圓滿成功。

4月28日天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船轉(zhuǎn)入組合體載荷支持模式，開展對(duì)天/對(duì)地觀測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)等多項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)，于6月14日進(jìn)行了第二回推進(jìn)劑補(bǔ)加。6月21日與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室前向分離撤離，進(jìn)行為期3個(gè)月的獨(dú)立飛行，期間釋放了一顆立方星。隨后于9月12日開展了全自動(dòng)快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，然后進(jìn)行了第三回推進(jìn)劑補(bǔ)加及拓展試驗(yàn)，9月22日17：59受控隕落于南太平洋區(qū)域。整個(gè)飛行過程如圖10所示。

圖10 天舟一號(hào)飛行過程示意圖Fig.10 The flight procedure of Tianzhou-1

6 主要成果

天舟貨運(yùn)飛船瞄準(zhǔn)“國際領(lǐng)先”這一核心目標(biāo)，打造出運(yùn)輸效能高、任務(wù)范圍廣、自主能力強(qiáng)的貨運(yùn)飛船，在滿足空間貨物運(yùn)輸主任務(wù)的同時(shí)，具備了多維度在軌服務(wù)拓展能力，實(shí)現(xiàn)了7個(gè)“首次”。

1)首次執(zhí)行天舟貨運(yùn)飛船飛行試驗(yàn)任務(wù)：天舟貨運(yùn)飛船是面向空間站建造和運(yùn)營物資運(yùn)輸補(bǔ)給任務(wù)全新研制的載人航天器，上行載貨比、貨物運(yùn)輸、推進(jìn)劑補(bǔ)加等綜合能力比肩甚至優(yōu)于國際現(xiàn)役貨運(yùn)飛船。

2)首次在軌實(shí)施飛行器間推進(jìn)劑補(bǔ)加：天舟一號(hào)與天宮二號(hào)實(shí)施了我國首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加，突破并試驗(yàn)了推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)，為我國空間站組裝建造和運(yùn)營奠定基礎(chǔ)。

3)首次以天基測(cè)控體制為主實(shí)施飛行控制：以天基測(cè)控體制為主的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵事件全程跟蹤測(cè)控、在軌異常及時(shí)監(jiān)測(cè)處置，減少了對(duì)陸基測(cè)控站和?；鶞y(cè)量船的依賴。

4)首次大規(guī)模推動(dòng)核心元器件自主可控：為帶動(dòng)元器件自主研制，加速實(shí)現(xiàn)元器件自主可控，提前驗(yàn)證空間站用關(guān)鍵元器件，作為飛行驗(yàn)證平臺(tái)首次使用7大類44項(xiàng)新品元器件。

5)首次開展全自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)：首次開展自主快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，采用自主導(dǎo)引模式，完全依靠船上設(shè)備導(dǎo)航和控制，在6.5 h內(nèi)自主規(guī)劃、多次變軌實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接。

6)首次搭載多項(xiàng)空間應(yīng)用與技術(shù)試(實(shí))驗(yàn)載荷：在滿足貨物運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，最大發(fā)揮平臺(tái)效能，隨船搭載了40臺(tái)載荷設(shè)備，完成了13項(xiàng)載荷在軌試驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)一次飛行、多方受益。

7)首次實(shí)施主動(dòng)離軌受控隕落：天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船為我國首次實(shí)施大型航天器受控再入大氣層。在軌任務(wù)結(jié)束后，經(jīng)地面決策，實(shí)施主動(dòng)離軌，通過2次降軌控制，受控墜落于南太平洋預(yù)定區(qū)域。

7 國內(nèi)外貨運(yùn)飛船綜合比較

1978年1月20日蘇聯(lián)發(fā)射了第一艘進(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船[18-19]，2008年3月9日歐洲發(fā)射第一艘自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器(ATV)[20-21]，2009年9月11日日本H2轉(zhuǎn)移飛行器(HTV)成功首飛[22]。借助NASA商業(yè)軌道運(yùn)輸計(jì)劃(COTS)和商業(yè)乘員發(fā)展計(jì)劃(CCDev)，SpaceX公司和軌道科學(xué)公司先后發(fā)射了龍飛船[23]和天鵝座貨運(yùn)飛船[24]。

目前，航天飛機(jī)已經(jīng)退役。ATV在完成5次貨運(yùn)任務(wù)后，也退出現(xiàn)役。國際空間站貨物運(yùn)輸將主要依靠進(jìn)步號(hào)[25]、HTV[26-28]、龍飛船[23]和天鵝座貨運(yùn)飛船[24]。其中，ATV單次運(yùn)輸重量最大，達(dá)到7.67 t[20，26]。我國天舟貨運(yùn)飛船開展了全要素輕量化設(shè)計(jì)，雖然單次運(yùn)輸量6.5 t不及ATV，但上行貨重比達(dá)到0.48(上行貨重比＝上行能力＼發(fā)射質(zhì)量)，貨物上行效率為國際現(xiàn)役貨運(yùn)飛船最高。天舟貨運(yùn)飛船與國外貨運(yùn)飛船貨物運(yùn)送能力比較見表1。

表1 貨運(yùn)飛船貨物運(yùn)送能力比較[29]Table 1 Comparison of payload of cargo spacecrafts[29]

任務(wù)能力比較見表2，天舟貨運(yùn)飛船具備空間站貨物上行、廢棄物下行、組合體支持和拓展試驗(yàn)的綜合任務(wù)能力。由于龍飛船載貨版和載人版一體化設(shè)計(jì)，具備貨物返回和重復(fù)使用能力。天舟貨運(yùn)飛船目前尚不具備貨物返回和重復(fù)使用能力，我國空間站工程進(jìn)入長(zhǎng)期運(yùn)營和空間應(yīng)用階段后，高效低成本貨物補(bǔ)給要求將愈發(fā)強(qiáng)烈，同時(shí)在軌生產(chǎn)的需要送回地面的高價(jià)值空間貨物量會(huì)迅速增加，天舟貨運(yùn)飛船發(fā)展貨物返回和重復(fù)使用能力是未來必然趨勢(shì)。

表2 貨運(yùn)飛船綜合任務(wù)能力比較Table 2 Comparison of comprehensive capabilities of cargo spacecrafts

8 結(jié)束語

天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船飛行試驗(yàn)任務(wù)的圓滿完成，標(biāo)志著我國載人航天工程第二步第二階段任務(wù)完美收官，為第三步空間站工程的順利實(shí)施奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

空間站階段，貨運(yùn)飛船將繼續(xù)根據(jù)任務(wù)要求，研制半開放貨運(yùn)飛船和全開放貨運(yùn)飛船，提升貨物運(yùn)輸能力，支持空間站大型維修備件和大型試驗(yàn)載荷運(yùn)送，支持空間站長(zhǎng)期運(yùn)營以及任務(wù)拓展。

貨運(yùn)飛船將進(jìn)一步完善任務(wù)功能，發(fā)展高效低成本、可重復(fù)使用等貨運(yùn)飛船譜型，逐步建成我國獨(dú)立自主、功能齊備的空間貨物運(yùn)輸體系，服務(wù)于航天器在軌維護(hù)、載人登月、載人登火星等重大航天工程和前沿科學(xué)領(lǐng)域，推動(dòng)我國航天水平的進(jìn)步，譜寫我國航天歷史的新篇章。