天舟一號：太空快遞抵達天宮

陳冰

“太空快遞小哥”已到達，天宮二號請簽收！

4月20日19時41分發射成功的天舟一號，經過一天多的飛行，在4月22日12時23分與天宮二號空間實驗室順利完成自動交會對接。這是天宮二號自2016年9月15日發射入軌以來，首次與貨運飛船進行的交會對接。

“大塊頭”的溫柔擁抱

天舟一號是我國專門針對空間站而建造的第一艘貨運飛船，總長10.6米，艙體最大直徑3.35米，整船最大裝載狀態下重量達13.5噸，有6噸左右的貨物運輸能力，是我國目前為止體積最大、重量最重的航天器。

作為天舟一號與長征七號共同組成的空間站貨運運輸系統的首次飛行，主要意義在于驗證貨物運輸系統設計的正確性和產品的可靠性，以及中國載人航天工程各個系統執行貨物運輸任務的協調性、匹配性。

“如果把神舟八號載人飛船對接機構稱為第一代對接機構，那么天舟一號貨運飛船對接機構可稱為第二代產品。之前天宮與神舟的交會對接被媒體比喻為“在茫茫太空中穿針引線”，此次“快遞小哥”身兼“太空加油”任務，對接精度更是提高一倍，保證不漏油。

不光要“對得上”，還要能“分得開”。就好像筆桿和筆帽的關系，筆帽卡得太緊，有可能拔不下來。萬一出現這種狀況，對接機構的分離推桿力能克服故障狀態下的力，使航天器正常分離。

此前，神舟飛船和天宮飛行器都是8噸級的航天器，二者的交會對接已經是高難度動作。13噸級的“大塊頭”天舟一號以子彈飛行速度的8倍在軌飛行，要盡量溫柔地“擁抱”同樣高速飛行的天宮二號，難度可想而知。

而未來空間站建設中更將涉及8至180噸航天器各種方式的交會對接，要滿足這些“重量級”要求，升級對接機構成為必然選擇。更大型航天器的交會對接將會產生巨大的對接能量，對于對接機構的緩沖耗能能力提出了很高的要求。因此，中國航天科技集團設計團隊在第二代對接機構上增加了用于緩沖撞擊能量的可控阻尼器，既不影響其原捕獲性能，又實現了對接機構捕獲后的大噸位耗能需求。

據航天專家介紹，天舟一號的交會對接能力，比神舟飛船有了質的飛躍，具備了360度相位差的交會對接能力，本次天舟一號和天宮二號在飛行軌道的任意相位差條件下均可實現完美對接。

天舟一號又新增加了星敏感器，以確保貨船交會對接過程中的姿態更加精準。由于貨運飛船發動機的配置數量、推力大小和神舟飛船都不一樣，所以本次交會對接，實際上是對現有技術實現的又一次驗證。同時，這次交會對接還有一個比較顯著的特點，就是新研的光學成像敏感器首次在陽照區開展工作，這要求敏感器等設備，在已經非常明亮刺眼的環境下找到標識目標，好比人們對著陽光看天上的景物，帶來的考驗比之前更難，這次試驗將檢驗我國交會對接“全天時”工作能力。

在整個交會對接過程中，天舟一號需要掌握天宮二號的距離、速度等數據，然后調整姿態，慢慢靠近直至成功對接。在此前多次交會對接任務中應用的微波雷達、激光雷達和光學成像敏感器等交會對接測量敏感器，作為此次貨運飛船在茫茫太空中“穿針引線”的“眼睛”，再次接受了考驗。

120米，30米……在距離地面393公里的浩瀚太空中，天舟一號朝著天宮二號慢慢靠攏。“對接機構捕獲！”貨運飛船和天宮二號的對接機構像兩雙有力的手握在了一起。隨后，對接機構順利拉回鎖緊，成功對接，兩個飛行器建立剛性連接，形成組合體。

4月22日12時23分，“太空快遞”準時送到了天宮二號空間實驗室。

高難動作上演“太空芭蕾”

完成第一次交會對接不久，天舟一號和天宮二號將表演各種“太空芭蕾”，天宮二號轉體180度，天舟從天宮二號下方繞飛，同時轉體180度，加速趕到天宮一號前方，最終從“前”向與天宮二號進行了第二次交會對接。繞飛，是一種高難度的太空動作，需要飛行器進行多次變軌和姿態機動來完成。

在任務末期，科研人員還特別為天舟一號安排了一次“以快制勝”的交會對接試驗。同以往神舟飛船交會對接需要大約兩天時間相比，天舟一號將進行快速交會對接試驗，將驗證從入軌到交會對接成功僅需要大約6.5個小時的系列支撐技術。

天舟一號是一艘貨運飛船，然而它的功能卻不僅僅局限于貨物的運輸。此次天舟一號發射除了完成交會對接、為天宮二號空間實驗室補加燃料之外，它身上還攜帶了大量的實驗設備，在太空運行期間要進行多項實驗試驗。

此次天舟一號上總共搭載了40臺設備，要進行13項太空實驗試驗，真正做到了一船多用。將要在天舟一號上進行的太空實驗，包括新型元器件在軌驗證，空間環境探測、力學環境測量，以及生命科學方面的實驗等涉及眾多領域。未來我國將要建設的空間站體積龐大，在太空運行過程中難免會受到太空碎片的撞擊。

此前，天宮二號空間實驗室里因為有航天員駐留，可以展開各種各樣的太空實驗。而這次天舟一號上并沒有航天員，并且飛船最終將隕落大海，這么種類繁多的太空實驗到底是如何進行的呢？設計師介紹，其實只要通過數據和影像的傳輸，科研人員在地面就可以全程監控實驗進展。

通過科研人員巧妙的設計，太空實驗設備可以裝在貨物艙內部，也可以懸掛在船體外側，這樣既提高了空間利用率，也最大程度滿足了不同試驗的需求。

此外，天舟一號還干了一件重要的事，就是建立了一套標準的實驗設備與飛船相連的接口。這就好比一個人有手機、平板電腦等多臺電子設備，如果它們的數據接口不相同，就需要許多的數據線，如果所有電子設備接口統一了，那么只需要一根線就可以統統搞定。據介紹，在此后的空間站建設中，也將借鑒此類做法。

天舟一號要執行為期5個多月的太空飛行任務，其中包括2個月的組合體飛行和不少于3個月的自主飛行，這是目前中國執行載人航天任務時間跨度最大的一次。

任務中，天舟一號將與天宮二號將實施三次交會對接，這在我國航天歷史上還是第一次。除了3次交會對接，天舟一號還將對天宮二號實施3次推進劑在軌補加。推進劑補加技術是空間站實現長期駐留的必要條件。目前，國際上掌握了在軌推進劑補加技術的只有俄羅斯和美國等少數國家，其中實現在軌加注應用的只有俄羅斯。

天舟一號飛行任務將驗證推進劑在軌補加技術，全面考核貨運飛船功能和性能，開展貨運飛船控制組合體、繞飛至前向交會對接、快速交會對接等試驗，持開展空間應用及技術試（實）驗。

1992年9月，中央決策實施載人航天工程并確定了我國載人航天“三步走”發展戰略：第一步，發射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程并開展空間應用實驗；第二步，突破航天員出艙活動技術、空間飛行器的交會對接技術，發射空間實驗室，解決有一定規模的短期有人照料的空間應用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規模的長期有人照料的空間應用問題。

天舟一號飛行任務是空間實驗室飛行任務的收官之戰，也是中國載人航天工程“三步走”發展戰略“第二步”的收官之戰。這次任務完成后，我國將正式邁進“空間站時代”。