輸送航天員所需物資和空間站所需推進劑

太空快遞來了

本報記者  余建斌  劉詩瑤  蔣建科  喻思孌

2017年04月21日04:53  來源:人民網-人民日報
 

  4月20日19時41分,天舟一號貨運飛船在文昌航天發射場由長征七號運載火箭成功發射升空。

  天舟一號是中國載人空間站正式建設前的最后實戰機會,而此次發射也是天舟貨運飛船和長征七號運載火箭組成的空間站貨物運輸系統的首次飛行試驗。自此,我國不僅有載人的神舟飛船,也有了專門向太空運貨的天舟飛船。

  未來我們還要建造長期有人照料的空間站,這就需要輸送航天員所需的生活、工作物資和空間站運轉所需的推進劑,所以天舟一號的意義不僅僅是一艘貨運飛船,該系列貨運飛船就是面向我國空間站建造和運營物資運輸補給任務全新研制的航天器,是航天員長期在太空生活和空間站長期運營的重要基礎。

  最大亮點是檢驗太空加油技術,將進行全自主繞飛

  作為我國載人空間站工程的重要組成部分,貨運飛船顧名思義地承擔了為空間站加油和運輸貨物的重擔,並負責將未來空間站裡的廢棄物帶回大氣層燒毀。“天舟一號此次任務包含了建造空間站需要突破和掌握的關鍵技術,更是未來空間站運行的基礎。”中國航天科技集團五院天舟一號總設計師白明生列舉了三項極具亮點的任務。

  第一項是檢驗太空加油技術,也是這次天舟任務的最大亮點。就像汽車需要加油,未來空間站長期在軌也需要補給,這項任務由天舟系列貨運飛船完成。天舟一號發射進入軌道后,將與天宮二號進行首次對接,兩個航天器組成的組合體將進行兩個月的在軌飛行,並完成推進劑在軌補加試驗,突破和掌握推進劑補加技術,解決空間站能源供給問題。這將為我國空間站組裝建造和長期運營掃清能源供給的最后障礙,為順利進入載人空間站建設運營階段奠定基礎。

  第二項是3次交會對接任務。天舟一號與天宮二號共將進行三次交會對接,分別是:

  第一次交會對接后將測試貨運飛船對組合體的控制能力。這次交會對接有個特點,就是新研制的光學成像敏感器首次在陽照區開展工作,也就是要求敏感器等設備在非常明亮刺眼的環境下,找到標識目標。

  第二次交會對接是從不同接口方向進行對接。這次將由天舟一號對天宮二號進行繞飛,並加速趕到天宮二號前方來進行交會對接。與之前神舟十號的繞飛不同,此次貨運飛船繞飛是一次全自主繞飛,即當繞飛指令發出,飛船上制導導航與控制系統的計算機便開始自主規劃出最優繞飛軌跡,自主進行變軌控制,自動進行姿態機動,不需要地面人員干預。“如果把神舟十號的繞飛比作是技術人員‘領著’航天器走路,那麼此次貨運飛船的繞飛則是技術人員‘看著’航天器獨立走路。”中國航天科技集團五院天舟一號副總設計師張強說。

  更具看點的是第三次交會對接,天舟一號將採用自主快速交會對接技術。在天舟一號之前,我國掌握的交會對接技術需要耗時兩天左右時間,而快速交會對接將時間控制在6個小時左右。掌握該項技術有利於提高飛行器在軌飛行的可靠性,提高航天員舒適性,大大縮短航天員在飛船上狹小空間中滯留的時間,還可保障科研用品特別是生物制劑等無法經歷長期運輸的貨品盡快送達空間站。

  第三項是以天基測控體制為主進行飛行控制。天舟一號貨運飛船首次採用了以天基測控體制為主的設計原則,就是將原本在地面或海上的測量系統“搬”到了天上。白明生說:“相比一般衛星在使命完成后,隨著推進劑的消耗殆盡而緩慢降軌,最終在大氣層燒毀的結束方式,天舟一號在飛行任務結束后,將實施主動離軌,受控墜落於南太平洋指定區域,既避免自身成為太空垃圾、避開離軌過程中的不可控因素,又能為打造潔淨、安全的太空環境作出自己的貢獻。”

  載貨性價比優於國際飛船,快遞貨物更實惠

  由於天舟一號“隻運貨、不送人”,它被形象地稱為太空“快遞小哥”:身高10.6米,體寬3.35米,比天宮一號目標飛行器、天宮二號空間實驗室還要大一些,“體重”約13噸,是我國目前體積最大、重量最重的航天器,而且“肚大能容”——運送相當於自身重量6噸多的貨物不在話下,上行載貨比、貨物運輸、推進劑補加等綜合能力比肩甚至優於國際現役貨運飛船,快遞貨物經濟實惠。同時,它還具備獨立飛行不小於3個月的能力。

  作為“太空快遞”,天舟一號的物資上行能力超過6噸,接近天宮一號載荷能力的2倍,高於俄羅斯研制的進步號M型和美國的天鵝座飛船擴展型。可以說,其有效載荷比例也就是運貨效率在目前所有的貨運飛船中是最高的。

  那麼,天舟一號運載能力為何高?專家表示,貨運飛船內部精心設計的貨架和貨包起到了非常大的作用。

  對於天舟一號實現的大承載,內部的高效承載貨架設計功不可沒。這種貨架採用一種基於蜂窩板、碳纖維立梁的梁板預埋結構,蜂窩板有大量的留空面積用於裝貨,碳纖維立梁材質非常輕且抗變形能力好,二者的完美結合使貨架既能適應傳統剛性結構安裝,又能適應柔性束縛帶的連接承載,形成大量的標准裝貨單元,結構與貨物重量比達到8%。此外,大承載貨架結構與密封艙主結構的連接環節也是結構設計一大亮點,碳纖維結合鋁合金的設計,避免了在軌環境下內壓載荷對結構造成的破壞,這一項項先進、便利的技術成就了高效承載的貨架結構,保証天舟一號穩固地運送貨物。

  然而,天舟一號要運送的物資中有許多精密的儀器設備和航天員用品,生怕磕碰,隻用高強度的貨架還不行,所以對敏感的電子器件、機械硬件系統以及其他生活物資等採用了“軟包裝”或類似方法來實現裝載、運送。這種“軟包裝”與傳統的硬連接不同,它是包裹在泡沫或氣囊袋裡面,再一起固定在貨架上,而不是直接與運載工具的內部貨架結構相連接。

  飛船建造類似搭積木,還可作為空間試驗平台

  從2011年天舟一號飛船立項算起,到成功發射,研制人員歷時6年打造了這艘貨運飛船。值得注意的是,天舟一號採用了模塊化設計,飛船建造類似“搭積木”,模塊間技術和產品實現共享和通用,降低了研制成本,縮短了周期。

  針對運輸貨物的不同類型和需求,天舟系列貨運飛船設計了全密封、半開放、全開放等三種型譜。其中,全密封貨運飛船主要用於運輸航天員消耗品、密封艙內設備與試驗載荷﹔半密封貨運飛船除了可以運輸密封艙內貨物外,還可以滿足包括太陽電池翼等艙外物資的運輸需求﹔全開放貨運飛船主要用於大型艙外貨物的運輸。天舟一號就屬於全密封貨運飛船。

  中國航天科技集團五院天舟一號副總設計師徐小平解釋說:“之所以把貨運飛船也叫載人航天器,是因為貨運飛船雖然是運貨的,但將來在軌道上停靠空間站后,航天員要進入貨運飛船進行操作,搬運貨物、開展實驗。”

  由於天舟具備較長時間的獨立自主飛行能力,還可以作為空間科學試驗的平台,這次天舟一號也將進行包括微重力對細胞增殖與分化影響研究、非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗証等在內的多項空間實驗和試驗。載人航天工程航天員系統副總設計師黃偉芬表示,將來在空間站任務階段,在艙外對航天器零件、設備進行維修是航天員的重要任務,艙外服是實現艙外活動的重要保障。在這次任務中,通過搭載一套模擬艙外服,安裝相關的傳感器,來獲取力學和溫度方面的數據,為未來艙外服的設計積累數據、提供設計依據。


  《 人民日報 》( 2017年04月21日 05 版)
(責編:王政淇、崔東)

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