天舟五號(hào)：創(chuàng)紀(jì)錄的宇宙級(jí)“帶貨”

文/鄧雨楠

11月12日10時(shí)03分，長征七號(hào)運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火起飛，成功將天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船送入預(yù)定軌道。12時(shí)10分，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船成功對(duì)接于空間站天和核心艙后向端口，創(chuàng)造了空間站階段交會(huì)對(duì)接最快紀(jì)錄。11月13日14時(shí)18分，航天員開啟貨物艙艙門，在完成環(huán)境檢測等準(zhǔn)備工作后，于15時(shí)03分順利進(jìn)入天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船，按計(jì)劃開展貨物轉(zhuǎn)運(yùn)等相關(guān)工作。

這已是中國空間站迎來的第四艘貨運(yùn)飛船，浪漫的中國航天人再一次向空間站送上了“驚喜禮包”?！疤熘畚逄?hào)”也是空間站三艙組合體建成后的首個(gè)來訪飛行器，還是中國首次在空間站有人駐留的情況下實(shí)施貨運(yùn)飛船交會(huì)對(duì)接。無論是天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船本身，還是此次對(duì)接過程，都有很多亮點(diǎn)值得細(xì)品。

▲ 長征七號(hào)火箭發(fā)射天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船

“多面手”和“小忙人”

按照工程總體飛行任務(wù)規(guī)劃，空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證及建造階段會(huì)發(fā)射天舟二號(hào)至天舟五號(hào)共4艘貨運(yùn)飛船，“天舟五號(hào)”是本階段最后一艘執(zhí)行應(yīng)用性運(yùn)輸任務(wù)的貨運(yùn)飛船，將為完全狀態(tài)的中國空間站運(yùn)輸物資、補(bǔ)給燃料、下行廢棄物，未來還將陪伴神舟十五號(hào)飛船乘組度過為期6個(gè)月的太空旅程。

據(jù)了解，“天舟五號(hào)”上行物資約6.7噸，包括航天員系統(tǒng)準(zhǔn)備的食品、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)的實(shí)驗(yàn)載荷，以及為空間站組合體攜帶的1400千克補(bǔ)加推進(jìn)劑。這些物資都將為未來的航天員在軌駐留、空間站長期運(yùn)營并開展材料科學(xué)、微重力、航天醫(yī)學(xué)試驗(yàn)等空間應(yīng)用領(lǐng)域提供物資保障。

天舟貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師張振華介紹，飛船這次上行了新鮮水果，裝載過程中進(jìn)行了保鮮處理，將更好地滿足航天員的營養(yǎng)物質(zhì)需求。

天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船還搭載了約1千克植物種子，包括水稻、小麥、玉米等主糧作物和少量林木種子，用于開展航天育種實(shí)驗(yàn)，未來將通過載人飛船返回地面，培育后投入市場。

按計(jì)劃，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船還將承擔(dān)實(shí)驗(yàn)支持的職責(zé)。上行的物資包括3項(xiàng)實(shí)驗(yàn)載荷，將在空間失重環(huán)境下開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)一些前沿的航天關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

此外，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船還具備承擔(dān)空間站姿態(tài)軌道控制、并網(wǎng)供電及空間站遙測、數(shù)據(jù)傳輸支持等任務(wù)的能力，支持空間站運(yùn)營及科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

據(jù)張振華介紹，近地軌道上幾乎沒有空氣，但對(duì)于以接近第一宇宙速度飛行的空間站來說，極為稀薄的高空大氣阻力是不可忽視的因素。雖然空間站安裝有軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)，但如果有貨運(yùn)飛船對(duì)接駐留，就主要使用貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)來維持軌道，而天和核心艙的發(fā)動(dòng)機(jī)和燃料更多是以備不時(shí)之需。

“太空快遞”送達(dá)后，貨運(yùn)飛船就地“變身”。張振華透露，“天舟五號(hào)”將在陪伴神舟十五號(hào)飛船乘組度過空間站的時(shí)光后離軌。此外，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船在空間站駐留時(shí)可充當(dāng)“回收站”，航天員可將空間站內(nèi)的廢棄物品搬運(yùn)到貨運(yùn)飛船上，從而增大有效活動(dòng)空間，保持空間站整潔，生活得更舒適。

快速交會(huì)對(duì)接進(jìn)入“高鐵時(shí)代”

長征七號(hào)運(yùn)載火箭點(diǎn)火飛行約10分鐘后，船箭分離。天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船太陽帆板展開，隨后進(jìn)入快速交會(huì)對(duì)接模式，約2小時(shí)后，與空間站組合體成功對(duì)接。

所謂交會(huì)對(duì)接，是指兩個(gè)航天器在空間軌道上會(huì)合并連接成一個(gè)整體的技術(shù)，類似于我們?cè)诘孛嫔蠈蓧K積木插在一起，但要在太空中完成這個(gè)動(dòng)作可不容易。

“對(duì)接的兩個(gè)航天器最初不在同一個(gè)軌道上，而要到達(dá)同一軌道上，必須通過發(fā)動(dòng)機(jī)噴氣來改變航天器的運(yùn)動(dòng)速度大小或方向，從而變換軌道來實(shí)現(xiàn)?！睆堈袢A介紹，交會(huì)對(duì)接具體的流程包括遠(yuǎn)距離導(dǎo)引、近距離控制兩個(gè)階段，主要由追蹤飛行器完成。而快速交會(huì)對(duì)接相比原交會(huì)對(duì)接流程，壓縮時(shí)間最多的就是遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段。

所謂快速交會(huì)對(duì)接，是相對(duì)于較早的交會(huì)對(duì)接流程而言。如“神舟八號(hào)”與“天宮一號(hào)”的交會(huì)對(duì)接，從飛船發(fā)射到完成對(duì)接，總時(shí)長約45小時(shí)?！疤熘鄱?hào)”首次實(shí)現(xiàn)的快速交會(huì)對(duì)接僅用了約8小時(shí)。“天舟三號(hào)”“天舟四號(hào)”將這一過程壓縮為約6.5小時(shí)。

而這次，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船的快速交會(huì)對(duì)接更是進(jìn)入了“高鐵時(shí)代”，僅用2小時(shí)就可以成功與“T”字構(gòu)型空間站組合體實(shí)施對(duì)接，對(duì)接目標(biāo)達(dá)80噸量級(jí)。這也是中國首次在空間站有人駐留的情況下實(shí)施貨運(yùn)飛船快速交會(huì)對(duì)接。萬一遇到故障情況，航天員有能力遙控操作貨運(yùn)飛船對(duì)接，提高了對(duì)接的可靠性。

“快速交會(huì)對(duì)接并不是飛行速度變得快了，而是軌道控制的流程變短了?！睆堈袢A表示，從“天舟二號(hào)”到“天舟四號(hào)”，貨運(yùn)飛船需要經(jīng)歷6次變軌，然后到達(dá)離空間站大概50千米左右的瞄準(zhǔn)點(diǎn)。接下來，它們逐漸逼近，不斷地確認(rèn)位置關(guān)系，調(diào)整自己的姿態(tài)和速度，最終追上目標(biāo)飛行器，完成對(duì)接。不過，對(duì)于上述過程，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船只需要經(jīng)過2次變軌便可輕松完成。

“一般來說，貨運(yùn)飛船入軌后，地面飛行控制人員要對(duì)貨運(yùn)飛船進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)，然后才會(huì)進(jìn)入快速交會(huì)對(duì)接模式。我們這次優(yōu)化了狀態(tài)確認(rèn)的時(shí)間，把以前串行的工作變?yōu)椴⑿虚_展，為2小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接搶些時(shí)間。貨運(yùn)飛船入軌5分鐘后就進(jìn)入了快速交會(huì)對(duì)接模式?！睆堈袢A表示。

當(dāng)然，要確保飛船狀態(tài)不出問題，快速進(jìn)入對(duì)接模式，對(duì)天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船研制團(tuán)隊(duì)也提出了更高的要求。為確?！疤熘畚逄?hào)”可靠工作，研制團(tuán)隊(duì)在模擬軌道真空環(huán)境條件下對(duì)“天舟五號(hào)”連續(xù)加電測試了340小時(shí)，飛船正常工作無誤。發(fā)射前，“天舟五號(hào)”GNC控制器、數(shù)管計(jì)算機(jī)、推進(jìn)電子單機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備測試時(shí)間超過1500小時(shí)，驗(yàn)證非常充分。

“天舟”不斷升級(jí)任務(wù)多樣

“天舟五號(hào)”的成功背后是航天人長期科研攻關(guān)，中國貨運(yùn)飛船經(jīng)歷了不斷優(yōu)化的發(fā)展過程。

在神舟飛船上，航天員最多可以攜帶幾百千克的隨身行李。隨著中國空間站建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，補(bǔ)給需求大增，貨運(yùn)飛船應(yīng)運(yùn)而生。

2011年，航天科技集團(tuán)五院開始著手進(jìn)行貨運(yùn)飛船的立項(xiàng)論證工作，確立了貨物艙和推進(jìn)艙兩艙構(gòu)型總體技術(shù)方案，并將“天舟一號(hào)”作為我國首艘試驗(yàn)性貨運(yùn)飛船。

天舟系列貨運(yùn)飛船副總師黨蓉介紹，由于貨運(yùn)飛船尺寸很大，每次任務(wù)的貨物裝載量不同，質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生變化，且貨運(yùn)飛船在軌廢棄物的裝載也會(huì)對(duì)質(zhì)心的控制造成影響。為保證貨運(yùn)飛船能夠適應(yīng)不同質(zhì)心位置和高精度的控制要求，“天舟一號(hào)”將4類36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別布在飛船的前錐面和后端面上。

“盡可能運(yùn)送更多貨物”是設(shè)計(jì)師們追求的主要目標(biāo)。天舟貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師張振華表示，這就要求飛船提高承載能力并減輕自身重量。一方面，船內(nèi)的高效承載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%。另一方面，飛船所有關(guān)鍵電子單機(jī)采用國產(chǎn)100伏厚膜電源模塊，不僅減輕了配電設(shè)備和電纜的重量，還奠定了100伏高壓傳輸?shù)幕A(chǔ)。

以前，只有俄美掌握推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)。中國科研團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“太空加油技術(shù)一定要掌握在自己手中”，用10年時(shí)間攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)，最終在2017年完成天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船在軌對(duì)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的推進(jìn)劑補(bǔ)給。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船室內(nèi)測試組裝

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船對(duì)接天和核心艙示意圖

為提前驗(yàn)證空間站中所用的關(guān)鍵元器件，加速實(shí)現(xiàn)自主可控，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船大刀闊斧地使用了7大類44項(xiàng)國產(chǎn)新研核心元器件，科研團(tuán)隊(duì)建立了一套全新的電子和信息系統(tǒng)。

“天舟二號(hào)”同樣擔(dān)任了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證者的角色。

考慮到載人飛船的應(yīng)急救生要求，“天舟二號(hào)”在完成8小時(shí)自主交會(huì)對(duì)接的前提下，還在離軌前進(jìn)行了2小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接的在軌試驗(yàn)。

為了提高交會(huì)對(duì)接可靠性，“天舟二號(hào)”配合航天員完成了手動(dòng)遙操作試驗(yàn)。貨船首先要獲取圖像，然后將其傳遞給空間站，航天員在空間站上根據(jù)收到的圖像來操控。為降低時(shí)間延遲的影響，研制團(tuán)隊(duì)升級(jí)了航天器之間雙向通信的“空空通信機(jī)”，將其傳輸性能從千字節(jié)提升到了兆級(jí)。

空間站某些時(shí)段難以避免自身的太陽翼帆板被遮擋，暫時(shí)削弱供電能力。空間站能為貨運(yùn)飛船供電，“天舟”也能夠“反哺母艦”，為其提供電力。

此外，“天舟二號(hào)”檢驗(yàn)了利用機(jī)械臂操作空間站艙段轉(zhuǎn)位的可行性和有效性，驗(yàn)證了空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)和機(jī)械臂大負(fù)載操控技術(shù)，為后續(xù)空間站在軌組裝建造積累了經(jīng)驗(yàn)。

從“天舟三號(hào)”開始，貨運(yùn)飛船正式進(jìn)入組批研制模式。設(shè)計(jì)更加人性化，逐步增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，成為貨運(yùn)飛船設(shè)計(jì)者們秉承的理念。

之前“天舟二號(hào)”攜帶的160多個(gè)貨包都是米黃色。神舟十二號(hào)飛船的3位航天員反饋，無法快速識(shí)別物資類型。因?yàn)樨洶玫奶胤N材料的顏色很難改變，研制團(tuán)隊(duì)給貨包“打蝴蝶結(jié)”，不同顏色的束縛帶代表不同種類的貨物。到了“天舟四號(hào)”，貨包用上了彩色“身份證”，有淺藍(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)備包，紫色代表醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域物資。

此外，科研人員建立了地面到云端的全任務(wù)周期物資數(shù)字化管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)貨物自動(dòng)信息錄入和物資取放動(dòng)態(tài)的信息管理等。天舟系列貨運(yùn)飛船總指揮馮永透露，這個(gè)系統(tǒng)還采用了VR技術(shù)，為航天員提供可視化的作業(yè)指導(dǎo)書，找貨更方便。

人性化設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在方方面面：航天員可以觸摸到的所有地方都是鈍角；盡量選擇柔和的光線和色調(diào)，地面磚做成毛面，避免反光刺眼；用不同顏色營造“天地”視覺感受，用不同頻率和不同聲音區(qū)分空間站報(bào)警類型；對(duì)貨包內(nèi)的緩沖泡沫進(jìn)行分塊小型化設(shè)計(jì)，方便航天員帶上更多下行物資……

“天舟三號(hào)”任務(wù)期間，科研人員將一只穿花衣服的小牛玩偶掛在了貨包上，幫助航天員緩解在天上出現(xiàn)的視覺疲勞。后來“小花?！北缓教靻T葉光富掛在了自“家”門口。

隨著中國空間站取得進(jìn)展，對(duì)貨運(yùn)飛船又提出了新要求。比如，“天舟”每次帶給空間站的推進(jìn)劑都?jí)蛴?，甚至有剩余，未來需攜帶更多貨物，這意味著天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船面臨結(jié)構(gòu)調(diào)整。

張振華介紹，貨運(yùn)飛船的貨物艙分為前錐、柱段和后錐三段，其中后錐段是非密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)置飛船自身的平臺(tái)電子設(shè)備。改進(jìn)后的飛船將原有的8個(gè)推進(jìn)劑儲(chǔ)箱減少4個(gè)，騰出來的空間放置平臺(tái)電子設(shè)備，釋放后錐段空間，增加載貨量。

馮永認(rèn)為，現(xiàn)在的貨運(yùn)飛船均為組批投產(chǎn)，狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，但科研人員永遠(yuǎn)都在使用新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝和新材料。往往一些單點(diǎn)的創(chuàng)新，在某一天會(huì)帶來突變。在這之前，要做好充分的技術(shù)驗(yàn)證，確保可靠性，嚴(yán)格把控每一個(gè)細(xì)節(jié)，既不“過度設(shè)計(jì)”，也不“欠缺設(shè)計(jì)”，還要考慮成本問題。未來，商業(yè)貨運(yùn)飛船、返回式貨運(yùn)飛船亦或是其他新型貨運(yùn)飛船，在中國皆有可能出現(xiàn)。

總之，未來的“天舟”還將實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)輸速度、更大的載重能力、更高的運(yùn)輸效能、更多的先期技術(shù)驗(yàn)證。