天舟一號 首踏太空送貨路

□ 文/崔恩慧 攝/高劍

天舟一號 首踏太空送貨路

□ 文/崔恩慧 攝/高劍

立項于2011年的天舟系列貨運飛船，作為我國載人空間站工程的重要組成部分，由于擔負著為空間站（空間實驗室）運輸貨物和推進劑等物資的重任，被外界親切地稱為太空“快遞小哥”。

攢了6年的力氣，4月20日晚，我國首位太空“快遞小哥”天舟一號顧不得夜路漫漫，由長征七號運載火箭發射升空，踏上其太空送貨之旅。

一路上，天舟一號懷揣中國航天科技集團公司設計師們賦予它的諸多“絕技”，奔向等待它多時的天宮二號空間實驗室，出色應對著“快遞”首單中的種種挑戰。

題圖：天舟一號貨運飛船在軌飛行效果圖

左圖：長征七號火箭垂直轉運 宿東 攝

身強力壯載貨多運輸過程非暴力

從外觀上看，“快遞小哥”天舟一號的“長相”與早已亮相的天宮一號目標飛行器和天宮二號空間實驗室十分相似。只是10.6米的身高、3.35米的體寬，以及最大裝載狀態下13.5噸的總體重，使其身形更顯魁梧敦實。

衡量貨運飛船技術是否先進的一個主要指標為載貨比。所謂“載貨比”是指貨物重量占整個飛船總重量的比例。載貨比數值越高，貨運飛船運載效率越高。

作為我國目前體積最大、重量最重的航天器，“快遞小哥”天舟一號是位“大肚能容”的“大力士”，可發送6噸多貨物至空間實驗室。這一重量幾近于其自身體重。

“天舟系列貨運飛船的運載能力是根據空間站的規模來設計的。天舟一號的載貨比能達到0.48。”天舟一號貨運飛船總設計師白明生介紹。

即使與俄羅斯的“進步”號、美國的“天鵝座”等世界先進現役貨運飛船相比，天舟一號的物資上行能力也毫不遜色。目前，只有俄羅斯貨運飛船的載貨比超過0.4，我國貨運飛船接近0.5的載貨比在國際上居于領先水平。

“我們的貨運飛船不僅是多功能、多用途的貨物運輸平臺，還是空間載荷的應用平臺，在補加、繞飛、快速對接、遙操作等很多技術方面都達到國際先進水平。可以說，天舟一號是能最大程度滿足需求又規模適中的‘快遞小哥’。”五院載人航天總體部研究室主任黃震說。

為了讓天舟一號能“快遞”更多物資，五院研制團隊在其體內設置了高效承載貨架。貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構，形成大量標準裝貨單元，傳力效果好，結構與貨物重量比卻僅為8%。

喜歡挑戰的設計團隊在探索貨架承載極限的過程中，還精心設計了一種大承載輕量化預埋結構。測試結果表明，3個預埋結構就能承載起1臺豪華轎車。

精打細算的“快遞小哥”知道，運送1千克貨物到太空，成本少則幾萬美元，多則幾十萬美元。上天前，天舟一號“私人減肥教練”——五院529廠的研制人員對其進行了全面檢查，且量身制定了健身方案。經過嚴格訓練，“快遞小哥”的體重降下來了，體格卻更精瘦結實，能為“客戶”運送更多貨物。

快遞行業的“暴力運輸”在天舟一號這里是絕對行不通的。貨運飛船要運送的物資包括許多精密儀器設備和航天員用品，金貴得很。它們在發射段受力大，很容易發生磕碰。

組裝天舟一號貨運飛船

天舟一號貨運飛船在廠房進行測試

正在進行總裝的天舟一號貨運飛船

貨運飛船的結構設計師們將其攜帶的敏感電子器件、機械硬件系統以及其他生活物資先包裹在泡沫或氣囊袋里，再裝入特別設計的貨包，然后將其固定于貨架之上。這樣的“軟包裝”為裝載對象提供了高度隔離和減震的載荷環境。“快遞小哥”得以將快件完好地交到“客戶”手中。

自控繞飛“耍花樣”對接只需6小時

金風玉露一相逢，便勝卻人間無數。“快遞小哥”天舟一號和我國首個空間實驗室天宮二號的“初吻”在其入軌兩天后發生。對于此幕場景的出現，天宮二號已經在太空翹首期盼了半年多時間。

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噸～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。

“如果把神舟八號對接機構作為第一代產品，那么天舟一號對接機構可稱為第二代產品。”八院載人飛船系統副總設計師張崇峰說，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。

組合體在軌飛行2個月的時間里，有幾個小時非同尋常。其間，組合體飛行的“控制權”會從天宮二號完全交由“快遞小哥”。“快遞小哥”將對天宮二號做“推一把”的動作，以檢驗其控制能力。這里的“控制”，既包括軌道提升，也意味著姿態控制。組合體尺寸和重量的增大，以及質心位置的變化，使得對其控制難度加大，控制程序也要重新設計。

“以后當空間站出現緊急情況時，‘快遞小哥’要接替‘控制’角色，對組合體進行‘治病’或‘協助’。”五院貨運飛船GNC分系統主任設計師劉宗玉說。

之后，天舟一號將暫時撤離天宮二號。伴隨著空間實驗室180度轉向，“快遞小哥”從下方繞至其前方，與天宮二號進行第二次“前向”合體。

未來，待我國空間站建成，每當有飛船造訪進行交會對接時，百噸級的空間站難以為迎合飛船而進行大幅度調整姿態。五院502所科研人員專門為飛船自動尋找空間站對接口研發了全自主繞飛技術。

兩個龐然大物在太空邊高速飛行邊協同“起舞”，最大的風險就是碰撞。這要求兩者的軌跡和姿態必須精準受控。除了避免碰撞，“快遞小哥”要完全靠自己規劃出最優繞飛軌跡，完成在特定位置的變軌控制，以在預定時間點到達預定位置，從而消耗盡量少的燃料。

不僅如此，“快遞小哥”還要“操心”目標飛行器的狀態，對其進行協同控制，使其相對位置、相對速度、相對姿態、相對角速度等要素“一切剛剛好”。

完成繞飛試驗后，天舟一號與天宮二號再次分離，各自獨立飛行3個月。這期間，天舟一號的主要任務是完成搭載的空間科學試驗。之后，按照計劃，天舟一號將第三次實現與天宮二號的交會對接，這在我國載人航天史上也是第一次。

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的時間。天舟一號的第三次交會對接僅用約6小時完成，是一次名副其實的快速交會對接。“這跟我們從北京乘高鐵到上海的時間差不多。”五院502所貨運飛船副總設計師張強憧憬道，“空間站建成后，我們和航天員同時從北京出發，等到我們下火車的時候，航天員也許已經可以在遙遠的空間站里跟我們打招呼了。”

天舟一號貨運飛船和天宮二號空間實驗室交會對接效果圖

從上世紀60年代至今，人類已經進行了上百次交會對接活動。目前，2天～3天交會對接策略是地面向國際空間站運送航天員的主要方式，神舟飛船、“聯盟”飛船、航天飛機以及國際空間站均采用此種方式。但自2012年起，俄羅斯分別采用“進步”號貨運飛船和“聯盟”號載人飛船與國際空間站成功實施了7次快速交會對接試驗，該方式逐漸成為國際航天器交會對接方式中的“新時尚”。

在與天宮二號的快速合體過程中，天舟一號以自主制導和控制為主。“快遞小哥”就像無人駕駛汽車，無需地面干預，可以完全自主地處理飛行路線規劃、轉向、加減速等復雜問題，極大地節省了交會對接時間，也減輕了地面人員壓力。

快速交會對接的實現，提高了飛行器在軌飛行的可靠性，減少交會對接過程中產生的資源消耗。航天員在飛船狹小空間中的滯留時間大幅縮短，提高了載人太空之旅的舒適性。有時候，“快遞小哥”也要把一些生物制劑等無法經歷長期運輸的貨品“加急”送達空間站，這對某些科學試驗無疑是至關重要的。

“更重要的是，未來空間站等航天器一旦突發緊急情況，快速交會對接可以及時對故障實施搶修與緊急救援工作，從而保障空間站安全運營。”黃震說。

天舟一號貨運飛船正在測試中

天舟一號還是個樂于奉獻的“快遞小哥”——不僅管送貨、能“加油”，在整個飛行任務結束后，還負責將空間站垃圾帶回大氣層燒毀。

相較于一般航天器在完成使命后，漂浮于原來軌道直至推進劑耗盡的終結方式，“快遞小哥”首次采取主動離軌方式，受控隕落于南太平洋指定區域。具有“犧牲”精神的“快遞小哥”不僅避免自身成為太空垃圾，也減少了離軌過程中的不可控因素。

“貨運飛船從設計之初就考慮到這些因素。這也體現了中國作為航天大國，對打造潔凈、安全的太空環境負責任的態度。”白明生說。

“太空加油”高精準、不泄漏

就像汽車在地面行駛需要加油一樣，“太空加油”對于未來我國空間站長期在軌是最關鍵的技術之一。除了送貨，此次“快遞小哥”天舟一號太空之行的最重要使命，就是實施我國首次推進劑在軌補加，為我國空間站建造和長期運營掃清能源供給方面的技術障礙。

在此之前，掌握在軌推進劑補加技術的國家只有俄羅斯和美國，而只有俄羅斯實現了在軌加注應用。與此同時，歐洲、加拿大、日本等也在該領域加緊了研究探索的步伐。

10年前，有外國同行表示可以為中國提供技術合作，但提出“補加技術中國人搞不出來，你們的貨運飛船必須配套我們的系統”。倔強的中國航天人卻堅持“太空加油技術一定要在自己手中實現”，用10年時間攻克了一系列關鍵技術。

天舟一號由貨物艙和推進艙兩個艙段組成。推進劑補加要靠推進艙來完成。“我們設計的推進艙可裝載2.4噸～3.5噸推進劑，最高裝載量是天宮二號攜帶推進劑重量的2.5倍。”八院貨運飛船系統副總指揮顧側峰介紹。

整個飛行任務中，“快遞小哥”將為天宮二號進行3 次燃料補充。在復雜的太空環境下，這樣的行為并不容易實現。

“太空加油”過程中，最怕出現推進劑泄露。想要“ 快遞小哥”把“加油槍”準確無誤地插入“ 加油口”，兩個航天器的對接機構得銜接得嚴絲合縫。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”身兼液體補加任務，對接精度更是提高一倍。

這樣的要求起初也讓八院對接機構主任設計師邱華勇所在的研制團隊“著實苦惱了一陣”，但“沒被嚇倒”。他們小心謹慎地在已經生產好的上天產品上增加了4個液路浮動斷接器及若干補加管路的安裝接口。作為連接通道，斷接器是可浮動的，借此消除兩個高速飛行航天器對接機構對接時的偏差影響。

“‘太空加油’得以實施的一個前提條件是，受加注方空間站或空間實驗室要具備可重復接受加注的能力。”六院801所副所長魏青說。

天舟一號貨運飛船示意圖制圖：丁潔

六院科研人員為天宮二號配備了國內最大的金屬膜盒貯箱，內有管理裝置，實現箱內的氣液分離。貯箱可像手風琴風箱一樣推拉往復運動，這樣的補加裝置能接受上百次加注。

“太空之吻”實現后，天宮二號貯箱內的氣壓由壓氣機調低，兩個航天器燃料貯箱間形成壓差，液體推進劑從壓力高處向低處流動，實現天舟一號對天宮二號的加注。

每次補加結束后，為保持管路清潔以便后續多次補加，“ 快遞小哥”需在太空真空環境下，對補加管路里殘留的推進劑進行“吹除”，并且在此過程中不能污染飛行器表面。這項技術在國內也是首創。

目前，國內空間飛行器只含有單一的推進系統，為飛行提供動力，貨運飛船除此之外還有在軌補加系統。研制團隊對天舟一號的推進和補加系統進行了一體化設計。“我們將兩個系統連接起來，在不影響各自獨立功能的前提下，補加系統的推進劑可以供應推進系統的發動機工作，而推進系統的推進劑也可以用于補加，從此一來，實現了推進劑的最大化利用。”魏青說，當其中一個系統出現故障，可以通過隔離及切換，確保推進和補加功能均可順利完成。

不光要“對得上”，還要能“分得開”。“就好像筆桿和筆帽的關系，筆帽卡太緊，有可能拔不下來。”邱華勇順手拿起桌上的鋼筆演示著。“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。”一直從事天宮二號對接機構研制工作的副主任設計師丁立超說。

對于補加過程中可能發生的泄漏，科研人員早已準備好了預案。而在“快遞小哥”全身上下，他們也極盡所能地設置了各種故障發生時的“PLAN B”。“我們團隊投入大量精力和時間，針對飛船的500 多種故障模式提出預案，以保證任務的萬無一失。”白明生說。