天舟六號：太空運(yùn)貨世界最強(qiáng)煉成記

文/宋皓薇 攝/宋勇杰 史嘯

5 月10 日21 時22 分，文昌航天發(fā)射場，天舟六號貨運(yùn)飛船由長征七號運(yùn)載火箭發(fā)射升空。飛船入軌后順利完成狀態(tài)設(shè)置，5 月11 日5 時16 分成功對接于空間站天和核心艙后向端口，轉(zhuǎn)入組合體飛行段。

今年，我國正式開啟載人空間站應(yīng)用與發(fā)展工程。作為該階段首次發(fā)射的航天飛行器，“天舟六號”還是首艘改進(jìn)型天舟貨運(yùn)飛船，承擔(dān)著空間站物資保障、在軌支持和空間科學(xué)試驗(yàn)的任務(wù)。與“前輩”不同，我國新批次貨運(yùn)飛船（“天舟六號”到“天舟十一號”）將呈現(xiàn)新面貌，釋放出更多潛能，在未來空間站任務(wù)中的應(yīng)用前景將更加廣闊。

▲ 長征七號運(yùn)載火箭發(fā)射天舟六號貨運(yùn)飛船

▲ 航天員喜迎空間站到貨

“天舟”改了哪兒？

密封艙貨物裝載空間由18.1 立方米增加至22.5 立方米，裝載能力由5.5 噸增加至6.7 噸；整船物資裝載能力由6.9 噸提高至7.4 噸，上行載貨比由0.51 提高至0.53——這些數(shù)據(jù)顯示，天舟六號貨運(yùn)飛船的運(yùn)輸能力比“兄長們”有了顯著提升。改進(jìn)后的“天舟”是世界現(xiàn)役貨運(yùn)飛船中運(yùn)輸能力最強(qiáng)的，載貨比也是最高的。

盡管同為貨物艙加推進(jìn)艙的兩艙構(gòu)型，但天舟六號貨運(yùn)飛船的密封艙裝載空間更大，后錐段密封艙能“進(jìn)人”了。

航天科技集團(tuán)五院天舟六號貨運(yùn)飛船副總指揮李志輝介紹，天舟貨運(yùn)飛船的貨物艙由前錐段、柱段、后錐段組成。以往，天舟一號到天舟五號貨運(yùn)飛船的推進(jìn)艙中，前錐段和柱段作為密封艙相互連通，后錐段部分則是非密封艙，通過球底隔開。

天舟六號貨運(yùn)飛船則將球底挪到了后錐段下部，使得三段全部連通。由此，貨物艙密封艙裝載空間增加了4.4 立方米，裝載能力增加了1.2 噸。與空間站對接后，人可以直接進(jìn)入后錐段密封艙，航天員取貨更加方便。

此外，推進(jìn)艙的貯箱數(shù)量由8 個減少至4 個，原來安裝在貨物艙后錐段的儀器設(shè)備全部移至推進(jìn)艙內(nèi)。這既減輕了100 多千克重量，又為貨物艙釋放了珍貴的裝載空間。

本次天舟六號貨運(yùn)飛船攜帶了3人280 天的航天員生活物資、平臺維修備件及各類試驗(yàn)載荷上天，裝載貨物約260 件，上行補(bǔ)加推進(jìn)劑700 千克，運(yùn)輸物資總重約5.8 噸。

超規(guī)貨物也能運(yùn)

今年是我國空間站應(yīng)用與發(fā)展工程元年。從某種意義上講，天舟貨運(yùn)飛船上行能力將提升空間站應(yīng)用與發(fā)展的高度。隨著上行運(yùn)輸能力提升，新批次天舟貨運(yùn)飛船發(fā)射頻次由2 年4 發(fā)降低至2 年3 發(fā)，提高了空間站工程綜合效益。

五院貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師雷劍宇介紹，隨著以“天舟六號”為代表的貨運(yùn)飛船全密封型譜升級換代，天舟貨運(yùn)飛船全密封、半密封半開放、全開放3 個型譜結(jié)構(gòu)更為合理、分工更為明晰：全密封型譜滿足空間站常規(guī)任務(wù)和日常需求；半密封型譜突出大型艙外設(shè)備和試驗(yàn)載荷運(yùn)輸能力，主要執(zhí)行應(yīng)急維修任務(wù)；全開放型譜實(shí)現(xiàn)超大型試驗(yàn)載荷整體運(yùn)輸，支持空間站發(fā)展重大科學(xué)任務(wù)能力。

改進(jìn)后的飛船不但增強(qiáng)了常規(guī)貨物運(yùn)輸能力，而且為超規(guī)格大尺寸大質(zhì)量、嚴(yán)苛運(yùn)輸保障要求的特殊貨物和試驗(yàn)載荷運(yùn)送提供了諸多便利條件。

以本次運(yùn)輸?shù)目臻g站電推進(jìn)氙氣瓶組件為例，這一組件重約160 千克，是目前貨運(yùn)飛船為我國空間站運(yùn)送的單件最重貨物，可以給空間站補(bǔ)充更多“燃料”。貨運(yùn)飛船和空間站對接后，航天員把氙氣瓶拆下來，通過出艙活動，安裝在夢天實(shí)驗(yàn)艙艙外。

▲ 天舟六號貨運(yùn)飛船實(shí)施了諸多改進(jìn)

▲ 中國空間站最新狀態(tài)示意圖

不過，160 千克在太空環(huán)境中“很輕”，在地面裝載卻不容易。研制團(tuán)隊(duì)制定了詳細(xì)工藝方案，設(shè)計(jì)了專用的艙內(nèi)安裝工裝，在北京進(jìn)行整船裝載和測試驗(yàn)證，最終在發(fā)射場一步安裝到位。

如何做到“一步正樣”？

天舟六號到天舟十一號貨運(yùn)飛船仍然采取組批研制生產(chǎn)模式。相比上一批次飛船，天舟六號貨運(yùn)飛船整船改動較大。研制團(tuán)隊(duì)在保質(zhì)量、保成功的情況下提高效率，做到了“一步正樣”，即從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)測試、試驗(yàn)，再到最后飛上太空的，都是同一艘飛船。

“研制團(tuán)隊(duì)在地面開展大量從元器件級、單機(jī)級到整船級的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，以高質(zhì)量保證成功；通過數(shù)字化研制生產(chǎn)，以及批量訂貨、規(guī)?；a(chǎn)等多種方式，提高效率?！崩钪据x說。

在新批次飛船研制工作中，研制隊(duì)伍扎實(shí)推動包括元器件、原材料、基礎(chǔ)機(jī)電產(chǎn)品全鏈條全方位自主可控，國產(chǎn)型號規(guī)格比例和數(shù)量比例均有大幅提升，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵元器件100%國產(chǎn)化。

▲ 科研人員繁忙工作中

此外，天舟六號貨運(yùn)飛船采用相控陣中繼終端，替代了定向中繼終端，制造周期和成本都大幅降低；測控系統(tǒng)軟件和硬件全面升級，完全依靠北斗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航。

團(tuán)隊(duì)在飛船研制過程中積極落實(shí)“數(shù)字航天”戰(zhàn)略，開展全流程數(shù)字化設(shè)計(jì)生產(chǎn)和仿真試驗(yàn)工作，單艘飛船的研制周期縮短了6 個月。通過重新設(shè)計(jì)布局，天舟六號貨運(yùn)飛船推進(jìn)艙內(nèi)貯箱減少了一半。設(shè)備的增減并非簡單挪移，而是體現(xiàn)了設(shè)計(jì)師“螺螄殼里做道場”的匠心巧思。同時，天舟六號貨運(yùn)飛船推進(jìn)艙實(shí)現(xiàn)了單艙力學(xué)試驗(yàn)和整船力學(xué)試驗(yàn)的一次通過，充分發(fā)揮了數(shù)字模型仿真在產(chǎn)品研制道路上的加速器作用。

▲ 貨運(yùn)飛船被裝入火箭整流罩

上行貨物種類更多

“注重應(yīng)用效益”是我國空間站的鮮明特點(diǎn)。此次天舟貨運(yùn)飛船運(yùn)送的“貨物”與以往大不相同。

李志輝介紹，在?？靠臻g站期間，天舟六號貨運(yùn)飛船有4 項(xiàng)主要任務(wù)：實(shí)施物資補(bǔ)給、配合完成空間站組合體姿態(tài)和軌道控制、開展空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)、下行廢棄物并受控隕落。

眾所周知，國家太空實(shí)驗(yàn)室具有平臺規(guī)模大、能力可拓展、實(shí)驗(yàn)設(shè)施可升級、載荷可更換等優(yōu)勢，能夠?yàn)楹教灬t(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)、空間科學(xué)研究與應(yīng)用、航天技術(shù)試驗(yàn)等多個領(lǐng)域的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和技術(shù)試驗(yàn)提供得天獨(dú)厚的條件。此次天舟六號貨運(yùn)飛船攜帶的“貨物”就包括不少實(shí)驗(yàn)樣品。

空間應(yīng)用系統(tǒng)副總設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員呂從民介紹，空間應(yīng)用系統(tǒng)通過天舟六號貨運(yùn)飛船上行實(shí)（試）驗(yàn)載荷、實(shí)驗(yàn)單元及樣品、共用支持類設(shè)備、實(shí)驗(yàn)耗材和備品備件等，共計(jì)98 件產(chǎn)品，總重量約714 千克。

▲ 研制人員祝福任務(wù)順利

貨運(yùn)飛船與空間站完成快速交會對接后，由航天員將上述產(chǎn)品轉(zhuǎn)運(yùn)至空間站艙內(nèi)，按飛行任務(wù)規(guī)劃陸續(xù)開展空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、空間應(yīng)用新技術(shù)試驗(yàn)等4 個領(lǐng)域共29項(xiàng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用試驗(yàn)。

此外，作為國家級太空實(shí)驗(yàn)室和國際科技合作交流平臺，中國空間站在國際合作方面同樣前景廣闊。中國載人航天工程辦公室與聯(lián)合國外空司共同遴選的首批實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，計(jì)劃于今年開始陸續(xù)上行，在中國空間站開展實(shí)驗(yàn)研究。

雷劍宇指出：“改進(jìn)后的‘天舟’運(yùn)輸能力大幅提升，上行有余量，未來可以非常從容地支持這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這也為后續(xù)空間站的應(yīng)用與發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)?！?/p>

“孵化器”支持在軌試驗(yàn)

除了向太空實(shí)驗(yàn)室運(yùn)送物資外，“天舟”本身也具備開展近地空間搭載試（實(shí)）驗(yàn)的能力。天舟系列貨運(yùn)飛船秉承“一次飛行，多方收益”的全局發(fā)展理念，作為空間“孵化器”和實(shí)驗(yàn)平臺，支持新技術(shù)、新科學(xué)、新應(yīng)用領(lǐng)域開拓。

本次任務(wù)中，天舟六號貨運(yùn)飛船以開放姿態(tài)聯(lián)合國內(nèi)科研院所、大學(xué)，開展了超臨界流載荷、“連理衛(wèi)星”、新型激光雷達(dá)3 項(xiàng)在軌飛行試驗(yàn)。其中，中科院力學(xué)所牽頭研制的超臨界流載荷，建立微重力環(huán)狀熱毛細(xì)對流體系，開展空間熱對流失穩(wěn)多級演化等科學(xué)問題研究?！斑B理衛(wèi)星”由大連理工大學(xué)設(shè)計(jì)制造，為20 千克級亞米級高分率遙感衛(wèi)星。中電集團(tuán)的新型激光雷達(dá)采用組合化小型化設(shè)計(jì)，作用距離更遠(yuǎn)，精度更高。

“搭載飛行試驗(yàn)載荷、開展空間技術(shù)試驗(yàn)是‘天舟’的主要任務(wù)之一。每次飛行任務(wù)中，飛船都會搭載一些在軌試驗(yàn)項(xiàng)目載荷。我們主動幫助相關(guān)科研機(jī)構(gòu)解決上行運(yùn)輸及在軌相關(guān)問題，分享工程研制經(jīng)驗(yàn)。目前看來，工作很有成效，試驗(yàn)載荷的質(zhì)量和數(shù)量都在穩(wěn)步提升?！崩讋τ钫f。

火箭更可靠更高效

長征七號運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師馬忠輝介紹，本次發(fā)射的長七遙七火箭采用零窗口發(fā)射技術(shù)，按照入軌精度參數(shù)，最晚可將窗口拓展至推遲120秒發(fā)射；采用二級發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)方案，可靠性進(jìn)一步提升。目前，長七火箭飛行可靠性評估值達(dá)到了0.9871，居世界前列。

由于天舟六號貨運(yùn)飛船技術(shù)狀態(tài)變化較多，裝載液體和裝載貨物不同，改變了質(zhì)量分布。火箭團(tuán)隊(duì)根據(jù)有關(guān)變化，對剛度、彈性等特性及火箭飛行姿態(tài)控制等項(xiàng)目做了細(xì)致分析，精益求精。比如，長七火箭第二級有 4 臺發(fā)動機(jī)，安裝在一個機(jī)架下面?？紤]到火箭運(yùn)載能力超出任務(wù)要求，為提高可靠性，火箭團(tuán)隊(duì)加強(qiáng)機(jī)架，增重54 千克，讓火箭飛得更穩(wěn)。

▲ 長七火箭蓄勢待發(fā)

從立項(xiàng)之初，長七火箭一直在提高效率方面做出典型舉措。本次任務(wù)中，長七火箭的測控流程從27 天進(jìn)一步壓縮到25 天，實(shí)現(xiàn)了立項(xiàng)論證之初的目標(biāo)，火箭狀態(tài)更加穩(wěn)定。如今，長七火箭的發(fā)射場工作時間相比首飛時壓縮了 13 天，縮短了1/3，在國際上處于優(yōu)秀水平。

長七火箭是我國首款實(shí)現(xiàn)全三維設(shè)計(jì)、制造的液體運(yùn)載火箭。面向空間站應(yīng)用與發(fā)展工程任務(wù)以及后續(xù)發(fā)射需求，研制團(tuán)隊(duì)持續(xù)推行去任務(wù)化工作，通過統(tǒng)型設(shè)計(jì)和組批投產(chǎn)推動降本增效。后續(xù)，長七火箭還將持續(xù)執(zhí)行天舟貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)，保障空間站穩(wěn)定運(yùn)行，同時搭配遠(yuǎn)征上面級，執(zhí)行其他衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。

馬忠輝介紹，未來，長七火箭將開展發(fā)動機(jī)、閥門密封性、整流罩等產(chǎn)品可靠性提升工作，同時開展火箭智能化提升，進(jìn)一步提高飛行可靠性和安全性。