天舟“專送”使命必達(dá)

2023年5月10日21時(shí)22分，長征七號遙七運(yùn)載火箭搭載天舟六號貨運(yùn)飛船順利升空。飛行7個(gè)多小時(shí)后，天舟六號成功對接在空間站核心艙的后向?qū)涌?，還在中國空間站“出差”的神舟十五號乘組迎來了最新的“太空快遞”。這是今年中國載人航天的第一次發(fā)射任務(wù)，從天舟二號飛船開始，已經(jīng)有五艘天舟飛船完美地完成了為中國空間站送貨的任務(wù)。要成功把貨物送到太空，究竟有哪些特殊之處呢？

“太空快遞”里到底有什么？

天舟六號是中國空間站全面建成后對接的第一艘貨運(yùn)飛船，總共送去了258個(gè)貨包。這些貨包里都有些什么呢？

航天科技集團(tuán)五院貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師楊勝說：“第一類是航天員的生活物資，包括吃的、喝的、衛(wèi)生用品；第二類是空間站平臺的備品備件；第三類是空間科學(xué)和應(yīng)用的一些實(shí)驗(yàn)載荷、實(shí)驗(yàn)設(shè)備；第四類是飛船推進(jìn)劑。”

長途運(yùn)貨，保證貨物安全和完整最重要。在天舟六號貨艙里，各類貨包不僅要分門別類擺放，做好防震防撞措施，而且根據(jù)不同的貨物特點(diǎn)，裝船時(shí)間也大不相同。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對此解釋道：“第一個(gè)階段大概是進(jìn)場，裝完90%以上的貨物；第二個(gè)階段發(fā)射前三周，裝完剩下10%左右的貨物，包括新鮮果蔬；最后一步就是裝跟時(shí)間和溫度緊密相關(guān)的，一個(gè)是監(jiān)測航天員身體健康的試劑，另一個(gè)就是細(xì)胞裝置。”

“因?yàn)榧?xì)胞是非常嬌嫩的，它的存活需要適應(yīng)的溫度和酸堿性環(huán)境。即使我們給它適應(yīng)的溫度和營養(yǎng)液，它們的活性也會有所下降，所以我們希望能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)把它送到空間站去?！敝袊茖W(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員倉懷興說。

為了讓細(xì)胞在到達(dá)空間站時(shí)盡可能保持活性，還要剛好發(fā)育到設(shè)計(jì)的階段，飛船發(fā)射前一天，科學(xué)家才開始制備這些細(xì)胞；發(fā)射前6小時(shí)，載荷專家才將細(xì)胞從實(shí)驗(yàn)室送往發(fā)射塔架；發(fā)射前5小時(shí)左右安裝完畢。此時(shí)，發(fā)射已經(jīng)進(jìn)入最后的準(zhǔn)備流程，艙門早已關(guān)上，最后上船的貨物只能由飛船總裝人員在幾十米的高空從貨船的側(cè)門裝進(jìn)去。

如此悉心呵護(hù)的貨物，在飛船到達(dá)空間站后，也將是航天員首先處理的對象。航天員打開天舟六號艙門，完成必要的測試和流程后，第一時(shí)間就會把它們轉(zhuǎn)移到問天實(shí)驗(yàn)艙的生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜里，開始科學(xué)研究。那么，這些“閃送”來的細(xì)胞究竟是做什么研究的呢？

空間應(yīng)用系統(tǒng)副總指揮、中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心副主任王強(qiáng)說：“我們這次干細(xì)胞研究項(xiàng)目，是圍繞著人類成為多星球物種這樣一個(gè)遠(yuǎn)景目標(biāo)規(guī)劃的項(xiàng)目。這次兩個(gè)項(xiàng)目主要是圍繞著胚胎干細(xì)胞分化為生殖細(xì)胞和造血細(xì)胞，給未來人類太空探索提供技術(shù)服務(wù)?！?/p>

專用“快遞箱”

2022年年底，中國空間站正式進(jìn)入應(yīng)用與發(fā)展階段，諸如此次的“太空閃送”需求在未來將會不斷增加。要把貨物安全完整地送到距離地面400千米左右的太空，天舟系列貨運(yùn)飛船就是為中國空間站任務(wù)量身定制的專用貨船。

最大載重從6.9噸提高到7.4噸，密封艙空間從18.1立方米擴(kuò)大到22.5立方米，天舟六號作為空間站進(jìn)入運(yùn)營階段后入軌的第一艘貨運(yùn)飛船，在此前天舟飛船的基礎(chǔ)上不斷提升運(yùn)貨能力。

楊勝說：“從天舟六號開始，我們做了一個(gè)改進(jìn)，減少了推進(jìn)劑貯箱的配置，把貨艙原來一個(gè)非密封后錐段改成密封段，把密封艙的空間擴(kuò)大了20%以上?！?/p>

油箱變小，行李艙變大，這樣的改變是根據(jù)這兩年空間站的實(shí)際運(yùn)營情況不斷調(diào)整的結(jié)果。在之前的任務(wù)中，空間站還要進(jìn)行許多關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證，航天工程師也需要摸索空間站的能耗情況，每次上天，油箱都要多帶些油。運(yùn)行兩年后，空間站對地面補(bǔ)給的需求發(fā)生了不小的變化。

“最開始規(guī)劃上行的時(shí)候要適當(dāng)多一些余量，比如推進(jìn)劑，天舟二號要相對多一些，前期水是占比較大的一種貨物。隨著整個(gè)空間站建成之后，航天員和空間站平臺的配件會相對固定一些，后續(xù)動態(tài)變化比較多的是實(shí)驗(yàn)載荷，這塊占比逐漸增加?！睏顒俳榻B道。

不過，行李艙變大了并不意味著一定要裝滿貨物，此次送達(dá)空間站的貨物總共5.8噸，貨物之外的空間能讓航天員進(jìn)出更加自如。而在未來，飛船設(shè)計(jì)師已經(jīng)開始考慮進(jìn)一步為定制化需求提供保障，尤其為航天員提供更好的生活保障。

“后續(xù)計(jì)劃上行一個(gè)大的冰箱，供給航天員不僅吃到水果，還有一些冷凍食品，比如將來希望在天上可以吃煎牛排，牛肉就需要在地面冷凍上行，我們的能力后面會逐步提升，保障航天員更好地生活。”中國航天科技集團(tuán)五院貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體主管設(shè)計(jì)師王冉說道。

使命必達(dá)

從天舟六號開始，貨運(yùn)飛船的發(fā)射頻率將有所降低，從之前每半年一次，減少到大約兩年三次。雖然送貨的次數(shù)會減少，但仍必須保證安全要求。往太空送貨，每一次發(fā)射都是風(fēng)險(xiǎn)最高的環(huán)節(jié)。

長征七號是為天舟系列飛船送貨上天量身定制的火箭。與發(fā)射空間站艙段的長征五號B運(yùn)載火箭不同，長征七號是個(gè)“瘦高個(gè)兒”，雖然載重量沒有“胖五”那么大，但是入軌精度是我國現(xiàn)役火箭中最高的。

從首發(fā)開始，長征七號就一直從海南島升空。對航天發(fā)射來說，越接近赤道，就越能借助地球自轉(zhuǎn)帶來的力量發(fā)射更重的航天器。中國空間站開始建造后，除了神舟飛船，其他航天器都是從文昌出發(fā)去往空間站的。

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心計(jì)劃部副部長李智斌介紹：“發(fā)射同樣的火箭，在文昌發(fā)射場可以提升運(yùn)載火箭7%～15%的運(yùn)力；第二個(gè)優(yōu)勢就是濱海發(fā)射落區(qū)安全性好；第三個(gè)優(yōu)勢是可以通過海運(yùn)更加高效、便捷、安全地將這些部段運(yùn)到文昌發(fā)射場進(jìn)行組裝。”

然而，要從文昌送貨上天，火箭和飛船也會面臨以往在內(nèi)陸發(fā)射場完全不同的挑戰(zhàn)。

2023年5月7日上午，長征七號遙七運(yùn)載火箭包裹著天舟六號飛船從總裝廠房垂直轉(zhuǎn)運(yùn)到發(fā)射塔架后，下午，文昌就下起了雨。5月的海南已經(jīng)進(jìn)入雨季，“高溫、高濕、高鹽霧”“強(qiáng)暴雨、強(qiáng)雷暴、強(qiáng)臺風(fēng)”，海南島獨(dú)有的這“三高三強(qiáng)”氣象特征不論對火箭、飛船還是發(fā)射場的各類設(shè)施都很不友好。

為了減少火箭和飛船在室外的停留時(shí)間，各個(gè)系統(tǒng)協(xié)同努力，把發(fā)射前的測試發(fā)射流程從天舟一號的38天縮減到了天舟六號的25天，同時(shí)，也為可能的壞天氣做好了充分的準(zhǔn)備。

盡管如此，為了保證任務(wù)成功，大家依然希望能在較好的氣象條件下發(fā)射。5月10日發(fā)射當(dāng)天，每隔幾小時(shí)，發(fā)射場氣象站就會放飛一個(gè)探空氣球，力求精確預(yù)報(bào)發(fā)射窗口時(shí)間的地面和空中的天氣情況。

成功的發(fā)射將飛船完美送入軌道，而后續(xù)的測控為最后的交會對接提供最可靠的保障。在海南島上還有多個(gè)航天測控站，天舟六號一升空，它們便開始測控接力，不斷確認(rèn)飛船的位置和狀況，確保天舟飛船按計(jì)劃飛行，直到順利交會對接。

向太空送貨，一克千金，這不僅是說發(fā)射的經(jīng)濟(jì)成本，更是背后無數(shù)航天人的努力和心血。兵馬未動，糧草先行。為空間站送貨只是起點(diǎn)，隨著中國人走向太空的腳步不斷向前，接下來，我們對月球、火星的探索會需要更多的貨物提前送達(dá)，到時(shí)候，中國的貨運(yùn)飛船將會更加忙碌。

本次任務(wù)中，天舟六號貨運(yùn)飛船攜帶了航天員的生活物資，裝載貨物200余件，運(yùn)輸物資總重約5.8噸，同時(shí)搭載了多項(xiàng)載荷。那么，執(zhí)行本次任務(wù)的天舟六號貨運(yùn)飛船具有哪些新特點(diǎn)？

“旗艦船”擁有3個(gè)“首發(fā)”桂冠

相較于空間站全面建造階段發(fā)射的天舟四號和天舟五號，天舟六號擁有3個(gè)“首發(fā)”桂冠：一是我國載人空間站應(yīng)用與發(fā)展階段發(fā)射的首發(fā)航天器；二是我國改進(jìn)型貨運(yùn)飛船首發(fā)船；三是天舟六號到天舟十一號組批生產(chǎn)的首發(fā)貨運(yùn)飛船。

貨物裝載能力突破7噸

作為空間站的地面后勤補(bǔ)給航天器，天舟貨運(yùn)飛船采用型譜化方案，設(shè)計(jì)了滿足不同貨物運(yùn)輸需求的全密封貨運(yùn)飛船、半密封貨運(yùn)飛船和全開放貨運(yùn)飛船3種型譜。天舟六號為改進(jìn)型全密封貨運(yùn)飛船，是世界上現(xiàn)役貨物運(yùn)輸能力最大、在軌支持能力最全的貨運(yùn)飛船。

為滿足密集發(fā)射的需求，中國航天科技集團(tuán)五院在飛船研制過程中采用組批生產(chǎn)的方式，確保同一批次的貨運(yùn)飛船在外形和功能上相似或相近。其中，天舟三號到天舟五號為同一批次生產(chǎn)研制，天舟六號到天舟十一號則是另外一批次生產(chǎn)研制。從天舟六號開始，技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對后續(xù)任務(wù)需求，對貨運(yùn)飛船進(jìn)行了系統(tǒng)升級，包括大幅度增強(qiáng)密封艙的貨物運(yùn)輸能力等，以便給航天員提供可以支撐更長時(shí)間的物資。

研制團(tuán)隊(duì)將全密封貨運(yùn)飛船拓展為標(biāo)準(zhǔn)型（8個(gè)貯箱）和改進(jìn)型（4個(gè)貯箱）兩種狀態(tài)，根據(jù)空間站補(bǔ)加推進(jìn)劑上行需求選用。天舟六號貨運(yùn)飛船為改進(jìn)型全密封4個(gè)貯箱狀態(tài)，以天舟五號為基礎(chǔ)，將原非密封的后錐段改為密封艙，擴(kuò)大了密封艙裝載空間，提高了貨物上行能力；同時(shí)，取消一層貯箱，將原后錐段艙內(nèi)設(shè)備調(diào)整至推進(jìn)艙——如此一來，貨物裝載能力提高至7.4噸，首次突破7噸，上行載貨比提高至0.53。改進(jìn)型全密封貨運(yùn)飛船拓展了全密封貨運(yùn)飛船型譜，提高了密封艙貨物裝載能力，使貨運(yùn)飛船發(fā)射頻次由2年4發(fā)降低至2年3發(fā)，切實(shí)提高了空間站工程的綜合效益。

關(guān)鍵元器件100%國產(chǎn)化

針對載人空間站應(yīng)用與發(fā)展階段貨運(yùn)飛船的進(jìn)口電子元器件國產(chǎn)化替代問題，中國航天科技集團(tuán)五院貨運(yùn)飛船系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)開展了大量卓有成效的工作：首先，遴選出性能指標(biāo)相當(dāng)且相對成熟可靠的國產(chǎn)元器件作為備選；其次，組織專家團(tuán)隊(duì)逐項(xiàng)論證替代方案的可行性，制定周密的試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)劃；再次，針對每項(xiàng)更改的具體情況，采用整機(jī)、單板、相似鑒定等多種應(yīng)用驗(yàn)證方法，以及成功包絡(luò)線、“三比”等預(yù)測、比對方法，充分識別器件的性能差異，以最小代價(jià)獲取全面應(yīng)用數(shù)據(jù)；最后，涉及的產(chǎn)品全部采用單板、單機(jī)、分系統(tǒng)、系統(tǒng)多級測試考核驗(yàn)證，確保驗(yàn)證無死角。正是通過上述綜合保證措施，才消除了大面積元器件國產(chǎn)化帶來的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵元器件100%國產(chǎn)化。

為降低天舟六號貨運(yùn)平臺的研制成本，研制團(tuán)隊(duì)還按照工程的總體要求和載人空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的實(shí)際任務(wù)需求，優(yōu)化平臺配置，不斷降本增效。