天舟四號：通天路上的“快遞小哥”

文/航站

（感謝胡藍(lán)月、李同、張航、黃正宇、常晨對本文的貢獻(xiàn)）

5月10日1時56分，長征七號運(yùn)載火箭從海南文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火起飛，成功把天舟四號貨運(yùn)飛船送入太空，中國空間站建造大幕正式開啟。飛行約6.5小時后，天舟四號貨運(yùn)飛船采用自主快速交會對接模式，與天和核心艙后向?qū)樱袊臻g站再次轉(zhuǎn)入三艙（船）組合體狀態(tài)。

為了確保中國空間站建設(shè)順利推進(jìn)，天舟四號貨運(yùn)飛船、長征七號運(yùn)載火箭在多方面分別進(jìn)行技術(shù)革新、程序優(yōu)化，以全新姿態(tài)交出了一份亮眼的成績單。

▲ 長征七號運(yùn)載火箭成功發(fā)射天舟四號貨運(yùn)飛船 屠海超 攝

▲ 天舟四號貨運(yùn)飛船地面檢測

▲ 火箭整流罩轉(zhuǎn)運(yùn)

彩色“身份證”更便利

天舟四號貨運(yùn)飛船是中國空間站建造階段的首發(fā)航天器，主要作用是為空間站運(yùn)輸物資、補(bǔ)給燃料、下行廢棄物，具備并網(wǎng)供電、應(yīng)急通信等能力。

本次任務(wù)，天舟四號貨運(yùn)飛船上行物資約6.2噸，包括航天員系統(tǒng)食品、醫(yī)藥物品、衛(wèi)生清潔用品等貨包，空間站關(guān)鍵設(shè)備的備份件、維修件，空間應(yīng)用系統(tǒng)的試驗(yàn)載荷，以及為空間站組合體攜帶的750千克補(bǔ)加推進(jìn)劑。

對接成功后，天舟四號貨運(yùn)飛船會充當(dāng)“加油站”，為空間站在軌運(yùn)行提供燃料補(bǔ)充，將按計(jì)劃開展多項(xiàng)在軌實(shí)驗(yàn)，承擔(dān)實(shí)驗(yàn)支持的職責(zé)，上行的物資就包括3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)載荷，將在失重環(huán)境下進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)備原理。

有趣的是，航天員會發(fā)現(xiàn)：貨包又變樣了。從天舟二號貨運(yùn)飛船的二維碼標(biāo)簽，到天舟三號貨運(yùn)飛船的彩色絲帶，而天舟四號貨運(yùn)飛船的貨包更新到3.0版本，用上了彩色“身份證”。

原來，天舟二號貨運(yùn)飛船升空后，經(jīng)過航天員使用反饋，在神舟十二號載人飛船乘組返回后的座談會上，設(shè)計(jì)師明確了貨包改進(jìn)方向。但當(dāng)時天舟三號貨運(yùn)飛船的貨包已經(jīng)準(zhǔn)備完畢，設(shè)計(jì)師只好臨時用彩色絲帶為貨包進(jìn)行簡要區(qū)分。

而在天舟四號貨運(yùn)飛船上，貨包采用彩色二維碼標(biāo)簽進(jìn)一步完善。標(biāo)簽顏色提供“第一眼信息”，用于區(qū)分貨包的從屬系統(tǒng)和使用場景?！吧矸葑C”包括淺藍(lán)、深藍(lán)、綠色、紫色、淺棕、深棕共6種顏色。其中，綠色代表航天員系統(tǒng)食品，淺棕色代表攝影設(shè)備，紫色代表醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域物資。每個貨包的專屬二維碼提供更加詳細(xì)的信息，“吃、穿、住、用，一目了然?！?/p>

據(jù)悉，這次被帶上天的美食新增了4種蔬菜，還有為中秋、冬至特別安排的節(jié)日食品。在航天員完成出艙等重大任務(wù)后，能分享“獎勵食品”。等到航天員過生日，還能打開“盲盒食品”，收獲小驚喜。

可以說，載人航天工程注重以人為本，通過更加人性化的設(shè)計(jì)改進(jìn)，航天員在空間站的居住體驗(yàn)將越來越好。

高科技“帶貨”本領(lǐng)強(qiáng)

為了裝貨更多，天舟系列貨運(yùn)飛船共設(shè)計(jì)了20多種不同尺寸規(guī)格、不同形狀的貨包，充分利用貨艙內(nèi)的每一寸空間。根據(jù)物資不同，貨包里的緩沖泡沫也做了相應(yīng)調(diào)整。天舟四號貨運(yùn)飛船上行物資中有精密儀器等設(shè)備，需要墊泡沫緩沖減震，但空間“寸土寸金”，傳統(tǒng)的泡沫板體積大、不易收納，設(shè)計(jì)人員將其改進(jìn)為小型泡沫塊和氣囊，更便于航天員在軌整理。

某些關(guān)鍵的醫(yī)療檢測和保障物資具有較強(qiáng)的溫度敏感性，需要存儲在“低溫鎖柜”中。這被戲稱為“太空冰箱”，對于隔熱保溫材料要求很高，還必須滿足質(zhì)量輕、體積小、絕對阻燃等特性，最大程度地安全提高貨運(yùn)飛船內(nèi)部的空間利用效率。

技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過反復(fù)測試，制成真空絕熱板，號稱“天舟VIP材料”。其基礎(chǔ)材料是氣凝膠，具有低密度、低導(dǎo)熱率、高熱穩(wěn)定、高吸附性、隔音等獨(dú)特優(yōu)勢，通過特殊工藝，材料熱導(dǎo)率比原來的再降低了一半，具備優(yōu)異的隔氣性和耐刺穿性。

貨艙熱控風(fēng)機(jī)是天舟四號貨運(yùn)飛船內(nèi)的“中央空調(diào)”，既要保障設(shè)備散熱，又要確保艙內(nèi)氧氣流通，以便將來航天員安全入艙提貨。麻煩的是，關(guān)鍵器件都是“大嗓門”，持續(xù)噪音會給整個封閉空間的正常工作造成消極影響?？蒲腥藛T從電機(jī)極槽配合、軸承配合設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子動平衡設(shè)計(jì)及間隙設(shè)計(jì)等多方向入手，找到了最佳配合，為艙內(nèi)創(chuàng)造了安靜環(huán)境。

根據(jù)貨運(yùn)飛船上行和在軌的不同環(huán)境，設(shè)計(jì)人員對貨格里的適配板也做了相應(yīng)調(diào)整?；鸺痫w后，貨包需要承受持續(xù)的過載和振動，因此貨格、間隔貨包的適配板都采用了螺絲釘固定；飛船入軌后，艙內(nèi)變?yōu)槭е丨h(huán)境，貨包取出拆開后，間隔貨包的適配板也要收納起來。據(jù)悉，設(shè)計(jì)人員采用日常生活中常見的尼龍搭扣，使適配板可以直接粘貼在貨格內(nèi)，減少了航天員在軌工作的負(fù)擔(dān)。

▲ 天舟四號貨運(yùn)飛船與空間站核心艙交會對接

說到“天上減負(fù)”，不得不提保障空間站水循環(huán)的設(shè)備。這次天舟四號貨運(yùn)飛船攜帶了一些空間站環(huán)控生保尿處理子系統(tǒng)的消耗品，保障神舟十四號載人飛船乘組半年在軌生活。

截至神舟十三號載人飛船乘組在軌任務(wù)完成，天和核心艙的尿處理系統(tǒng)共計(jì)處理尿液1700升，產(chǎn)生蒸餾水1400余升，加上其他設(shè)備，使得空間站內(nèi)水的回收率優(yōu)于95%，大大降低了貨運(yùn)飛船上行水的補(bǔ)給量。而尿處理系統(tǒng)峰值功率約300瓦，能耗低于大部分家用電熱水壺。

失重環(huán)境下人體的鈣流失加重，尿液中的鈣可能析出結(jié)晶，堵塞換熱器、閥門、過濾器等?？臻g站的尿處理系統(tǒng)選用除鈣材料，能夠從6升尿液中提取5升蒸餾水，且不形成鈣結(jié)晶沉淀?？紤]到在軌運(yùn)行10年以上的需求，系統(tǒng)按照產(chǎn)品的壽命與可靠性指標(biāo)，劃分出在軌可更換單元，由航天員維修更換，所需消耗品由貨運(yùn)飛船定期補(bǔ)給。

“太空之吻”門道多

火箭飛行約10分鐘后，船箭分離。天舟四號貨運(yùn)飛船太陽帆板展開，很快進(jìn)入快速交會對接模式。飛行約6.5小時后，天舟四號貨運(yùn)飛船與空間站組合體成功對接，表現(xiàn)良好。

快速交會對接等關(guān)鍵技術(shù)在天舟二號貨運(yùn)飛船上首次驗(yàn)證，至今已積累了充足的經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)分析天舟四號貨運(yùn)飛船順利對接的過程，少不了各種航天設(shè)備助力。

比如，天舟四號貨運(yùn)飛船需要時刻精確把握速度和位置，必須在微重力環(huán)境下測量加速度，以便安全、準(zhǔn)確地進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。為此，“上天”的石英撓性加速度計(jì)必須經(jīng)過千錘百煉，溫度循環(huán)、振動沖擊、低氣壓、離心實(shí)驗(yàn)等必不可少，既要穿上密不透風(fēng)的“航天服”，保證內(nèi)部氣體不泄漏，又要帶上“電暖寶”，精確控溫，保障在真空環(huán)境中有效工作。

太陽能電池連接器的可靠性關(guān)系到整艘飛船的能源供應(yīng)安全。與以往的宇航產(chǎn)品不同，該產(chǎn)品直接暴露在艙外，設(shè)計(jì)之初就必須模擬真空強(qiáng)輻射環(huán)境，進(jìn)行多次仿真、材料驗(yàn)證、工藝優(yōu)化，并在研發(fā)前端多次優(yōu)化技術(shù)方案，直到今年4月最終拿到環(huán)境考核試驗(yàn)“上天”通行證。

蒼茫太空，萬里“穿針”。在對接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，設(shè)計(jì)師充分考慮到：未來中國空間站需要適應(yīng)8～180噸范圍內(nèi)各種噸位、各種方式的航天器對接，包括偏心對接，而在對接過程中將會產(chǎn)生巨大的對接能量，給對接機(jī)構(gòu)的緩沖耗能能力提出很高的要求。

為了讓重量級航天器“輕盈優(yōu)雅”對接，設(shè)計(jì)師們通過大量技術(shù)攻關(guān)和方案論證，系統(tǒng)性提出了可控阻尼的控制思路，既不影響原捕獲性能、方便捕獲，又可以消耗對接機(jī)構(gòu)捕獲后產(chǎn)生的巨大撞擊能量，成功突破了空間站建造的關(guān)鍵技術(shù)。

▲ 中國空間站目前是三艙（船）組合體狀態(tài)

▲ 長征七號運(yùn)載火箭

▲ 航天人送長七火箭出征

值得一提的是，除了要確?？臻g站建造階段每次對接都能成功“吻”上，對接機(jī)構(gòu)還將在今年迎來問天實(shí)驗(yàn)艙、夢天實(shí)驗(yàn)艙的“大考”。根據(jù)安排，2個實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射成功后，經(jīng)狀態(tài)調(diào)整和轉(zhuǎn)位，將長期“停泊”于空間站，成為航天員在空間站工作、生活的主要場所，對接機(jī)構(gòu)作為航天員往返于工作生活區(qū)的重要通道，將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。

火箭革新更高效

長征七號運(yùn)載火箭是中國新一代兩級半中型運(yùn)載火箭，采用液氧煤油推進(jìn)劑，能把14噸有效載荷送入可與中國空間站交會對接的近地軌道。本次發(fā)射中，長七火箭進(jìn)行了17項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)改進(jìn)，將北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)升為衛(wèi)星定位第一優(yōu)先級，火箭飛行可靠性達(dá)到世界先進(jìn)水平。

長七火箭試驗(yàn)隊(duì)優(yōu)化流程，將測發(fā)天數(shù)壓縮至27天，首次實(shí)現(xiàn)液氧煤油推進(jìn)劑并行加注，有效提高了發(fā)射場工作效率。

此前，長七火箭在發(fā)射前12小時開始加注煤油，煤油加注完畢，再加注液氧，避免泄漏引發(fā)安全隱患。隨著長七系列火箭發(fā)射次數(shù)逐年遞增，流程優(yōu)化的條件成熟了。另一方面，沿海發(fā)射場氣象變化快，射前工作時長縮短到8小時，可以進(jìn)一步減少高溫、高濕、高鹽霧等因素對箭體的影響，緩解試驗(yàn)隊(duì)員的工作壓力，降低對人員、設(shè)備、氣象等保障條件的要求，提升火箭發(fā)射的適應(yīng)性和靈活性。

長七火箭采用并行加注方案后，減少了煤油停放時間，緩解溫度回升，進(jìn)一步保障了推進(jìn)劑的品質(zhì)，提高發(fā)射可靠性。對此，技術(shù)團(tuán)隊(duì)梳理識別液氧煤油并行加注的薄弱環(huán)節(jié)，針對預(yù)想的100多種故障模式，分別制定詳細(xì)的故障處置預(yù)案。

值得注意的是，長七火箭捆綁了4個助推器，如果加注煤油、液氧的時間、流量不一致，可能造成火箭重心偏離，倒向一側(cè)；火箭的液氧儲箱在煤油儲箱頂部，上下同時加注時，儲箱內(nèi)的壓力承載能力也受到考驗(yàn)。

為此，火箭研制團(tuán)隊(duì)與發(fā)射場共同開展安全性分析，對結(jié)構(gòu)載荷、流程適應(yīng)性進(jìn)行詳細(xì)論證及桌面推演，并在發(fā)射前進(jìn)行全流程演練，確保萬無一失。

2016年長七火箭首飛時，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)還未完全組網(wǎng)，故選擇以GPS為主、北斗導(dǎo)航為輔進(jìn)行衛(wèi)星定位。如今，北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)已經(jīng)開通近2年，轉(zhuǎn)為衛(wèi)星定位第一優(yōu)先級是順理成章的。為此，長七火箭的軟件、硬件都做了相應(yīng)更改，全部測試合格，證明北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度、可靠性與國際水平相當(dāng)。

天舟四號貨運(yùn)飛船要求零窗口發(fā)射，而長七火箭將發(fā)射窗口拓展至120秒，通過衛(wèi)星導(dǎo)航定位授時，火箭系統(tǒng)自動計(jì)算時間偏差、修正軌道面、精確入軌，顯著提升了載人航天交會對接任務(wù)的適應(yīng)能力。

另外，火箭研發(fā)團(tuán)隊(duì)按計(jì)劃逐步提升發(fā)動機(jī)可靠性，本次發(fā)射任務(wù)中對發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)和工藝展開了10余項(xiàng)改進(jìn)。經(jīng)評估，長七火箭飛行可靠性0.9838，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

在空間站建造和運(yùn)營階段，火箭設(shè)計(jì)人員為長七火箭策劃了30余項(xiàng)改進(jìn)措施，將逐步落實(shí)。而在我國新一代運(yùn)載火箭中，長征八號運(yùn)載火箭一子級與長七火箭芯一級基本一致，長征七號甲運(yùn)載火箭沿用了長七火箭的助推器、芯一級和二級。“三兄弟”齊頭并進(jìn)，經(jīng)過驗(yàn)證的項(xiàng)目將在其他型號上及時跟進(jìn)，火箭技術(shù)狀態(tài)改進(jìn)保持動態(tài)一致。