天舟一號(hào)：太空快遞抵達(dá)天宮

陳冰

“太空快遞小哥”已到達(dá)，天宮二號(hào)請(qǐng)簽收！

4月20日19時(shí)41分發(fā)射成功的天舟一號(hào)，經(jīng)過(guò)一天多的飛行，在4月22日12時(shí)23分與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室順利完成自動(dòng)交會(huì)對(duì)接。這是天宮二號(hào)自2016年9月15日發(fā)射入軌以來(lái)，首次與貨運(yùn)飛船進(jìn)行的交會(huì)對(duì)接。

“大塊頭”的溫柔擁抱

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

作為天舟一號(hào)與長(zhǎng)征七號(hào)共同組成的空間站貨運(yùn)運(yùn)輸系統(tǒng)的首次飛行，主要意義在于驗(yàn)證貨物運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和產(chǎn)品的可靠性，以及中國(guó)載人航天工程各個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行貨物運(yùn)輸任務(wù)的協(xié)調(diào)性、匹配性。

“如果把神舟八號(hào)載人飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)稱為第一代對(duì)接機(jī)構(gòu)，那么天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)可稱為第二代產(chǎn)品。之前天宮與神舟的交會(huì)對(duì)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(wù)，對(duì)接精度更是提高一倍，保證不漏油。

不光要“對(duì)得上”，還要能“分得開(kāi)”。就好像筆桿和筆帽的關(guān)系，筆帽卡得太緊，有可能拔不下來(lái)。萬(wàn)一出現(xiàn)這種狀況，對(duì)接機(jī)構(gòu)的分離推桿力能克服故障狀態(tài)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(jí)的航天器，二者的交會(huì)對(duì)接已經(jīng)是高難度動(dòng)作。13噸級(jí)的“大塊頭”天舟一號(hào)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(hào)，難度可想而知。

而未來(lái)空間站建設(shè)中更將涉及8至180噸航天器各種方式的交會(huì)對(duì)接，要滿足這些“重量級(jí)”要求，升級(jí)對(duì)接機(jī)構(gòu)成為必然選擇。更大型航天器的交會(huì)對(duì)接將會(huì)產(chǎn)生巨大的對(duì)接能量，對(duì)于對(duì)接機(jī)構(gòu)的緩沖耗能能力提出了很高的要求。因此，中國(guó)航天科技集團(tuán)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在第二代對(duì)接機(jī)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲后的大噸位耗能需求。

據(jù)航天專家介紹，天舟一號(hào)的交會(huì)對(duì)接能力，比神舟飛船有了質(zhì)的飛躍，具備了360度相位差的交會(huì)對(duì)接能力，本次天舟一號(hào)和天宮二號(hào)在飛行軌道的任意相位差條件下均可實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接。

天舟一號(hào)又新增加了星敏感器，以確保貨船交會(huì)對(duì)接過(guò)程中的姿態(tài)更加精準(zhǔn)。由于貨運(yùn)飛船發(fā)動(dòng)機(jī)的配置數(shù)量、推力大小和神舟飛船都不一樣，所以本次交會(huì)對(duì)接，實(shí)際上是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的又一次驗(yàn)證。同時(shí)，這次交會(huì)對(duì)接還有一個(gè)比較顯著的特點(diǎn)，就是新研的光學(xué)成像敏感器首次在陽(yáng)照區(qū)開(kāi)展工作，這要求敏感器等設(shè)備，在已經(jīng)非常明亮刺眼的環(huán)境下找到標(biāo)識(shí)目標(biāo)，好比人們對(duì)著陽(yáng)光看天上的景物，帶來(lái)的考驗(yàn)比之前更難，這次試驗(yàn)將檢驗(yàn)我國(guó)交會(huì)對(duì)接“全天時(shí)”工作能力。

在整個(gè)交會(huì)對(duì)接過(guò)程中，天舟一號(hào)需要掌握天宮二號(hào)的距離、速度等數(shù)據(jù)，然后調(diào)整姿態(tài)，慢慢靠近直至成功對(duì)接。在此前多次交會(huì)對(duì)接任務(wù)中應(yīng)用的微波雷達(dá)、激光雷達(dá)和光學(xué)成像敏感器等交會(huì)對(duì)接測(cè)量敏感器，作為此次貨運(yùn)飛船在茫茫太空中“穿針引線”的“眼睛”，再次接受了考驗(yàn)。

120米，30米……在距離地面393公里的浩瀚太空中，天舟一號(hào)朝著天宮二號(hào)慢慢靠攏。“對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲！”貨運(yùn)飛船和天宮二號(hào)的對(duì)接機(jī)構(gòu)像兩雙有力的手握在了一起。隨后，對(duì)接機(jī)構(gòu)順利拉回鎖緊，成功對(duì)接，兩個(gè)飛行器建立剛性連接，形成組合體。

4月22日12時(shí)23分，“太空快遞”準(zhǔn)時(shí)送到了天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室。

高難動(dòng)作上演“太空芭蕾”

完成第一次交會(huì)對(duì)接不久，天舟一號(hào)和天宮二號(hào)將表演各種“太空芭蕾”，天宮二號(hào)轉(zhuǎn)體180度，天舟從天宮二號(hào)下方繞飛，同時(shí)轉(zhuǎn)體180度，加速趕到天宮一號(hào)前方，最終從“前”向與天宮二號(hào)進(jìn)行了第二次交會(huì)對(duì)接。繞飛，是一種高難度的太空動(dòng)作，需要飛行器進(jìn)行多次變軌和姿態(tài)機(jī)動(dòng)來(lái)完成。

在任務(wù)末期，科研人員還特別為天舟一號(hào)安排了一次“以快制勝”的交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)。同以往神舟飛船交會(huì)對(duì)接需要大約兩天時(shí)間相比，天舟一號(hào)將進(jìn)行快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，將驗(yàn)證從入軌到交會(huì)對(duì)接成功僅需要大約6.5個(gè)小時(shí)的系列支撐技術(shù)。

天舟一號(hào)是一艘貨運(yùn)飛船，然而它的功能卻不僅僅局限于貨物的運(yùn)輸。此次天舟一號(hào)發(fā)射除了完成交會(huì)對(duì)接、為天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)加燃料之外，它身上還攜帶了大量的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在太空運(yùn)行期間要進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)。

此次天舟一號(hào)上總共搭載了40臺(tái)設(shè)備，要進(jìn)行13項(xiàng)太空實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)，真正做到了一船多用。將要在天舟一號(hào)上進(jìn)行的太空實(shí)驗(yàn)，包括新型元器件在軌驗(yàn)證，空間環(huán)境探測(cè)、力學(xué)環(huán)境測(cè)量，以及生命科學(xué)方面的實(shí)驗(yàn)等涉及眾多領(lǐng)域。未來(lái)我國(guó)將要建設(shè)的空間站體積龐大，在太空運(yùn)行過(guò)程中難免會(huì)受到太空碎片的撞擊。

此前，天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室里因?yàn)橛泻教靻T駐留，可以展開(kāi)各種各樣的太空實(shí)驗(yàn)。而這次天舟一號(hào)上并沒(méi)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(shí)驗(yàn)到底是如何進(jìn)行的呢？設(shè)計(jì)師介紹，其實(shí)只要通過(guò)數(shù)據(jù)和影像的傳輸，科研人員在地面就可以全程監(jiān)控實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。

通過(guò)科研人員巧妙的設(shè)計(jì)，太空實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以裝在貨物艙內(nèi)部，也可以懸掛在船體外側(cè)，這樣既提高了空間利用率，也最大程度滿足了不同試驗(yàn)的需求。

此外，天舟一號(hào)還干了一件重要的事，就是建立了一套標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備與飛船相連的接口。這就好比一個(gè)人有手機(jī)、平板電腦等多臺(tái)電子設(shè)備，如果它們的數(shù)據(jù)接口不相同，就需要許多的數(shù)據(jù)線，如果所有電子設(shè)備接口統(tǒng)一了，那么只需要一根線就可以統(tǒng)統(tǒng)搞定。據(jù)介紹，在此后的空間站建設(shè)中，也將借鑒此類做法。

天舟一號(hào)要執(zhí)行為期5個(gè)多月的太空飛行任務(wù)，其中包括2個(gè)月的組合體飛行和不少于3個(gè)月的自主飛行，這是目前中國(guó)執(zhí)行載人航天任務(wù)時(shí)間跨度最大的一次。

任務(wù)中，天舟一號(hào)將與天宮二號(hào)將實(shí)施三次交會(huì)對(duì)接，這在我國(guó)航天歷史上還是第一次。除了3次交會(huì)對(duì)接，天舟一號(hào)還將對(duì)天宮二號(hào)實(shí)施3次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加。推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)是空間站實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐留的必要條件。目前，國(guó)際上掌握了在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)的只有俄羅斯和美國(guó)等少數(shù)國(guó)家，其中實(shí)現(xiàn)在軌加注應(yīng)用的只有俄羅斯。

天舟一號(hào)飛行任務(wù)將驗(yàn)證推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，全面考核貨運(yùn)飛船功能和性能，開(kāi)展貨運(yùn)飛船控制組合體、繞飛至前向交會(huì)對(duì)接、快速交會(huì)對(duì)接等試驗(yàn)，持開(kāi)展空間應(yīng)用及技術(shù)試（實(shí)）驗(yàn)。

1992年9月，中央決策實(shí)施載人航天工程并確定了我國(guó)載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略：第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程并開(kāi)展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)；第二步，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的短期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題；第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題。

天舟一號(hào)飛行任務(wù)是空間實(shí)驗(yàn)室飛行任務(wù)的收官之戰(zhàn)，也是中國(guó)載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略“第二步”的收官之戰(zhàn)。這次任務(wù)完成后，我國(guó)將正式邁進(jìn)“空間站時(shí)代”。