天舟一號貨運飛船研制

白明生，金 勇，雷劍宇，王 松

(中國空間技術研究院，北京100094)

1 引言

按照我國載人航天工程三步走戰略，二步二階段發射天舟一號貨運飛船，解決空間站建造與長期運營必需的大量空間貨物運輸問題，為我國空間站建造和運營奠定基礎[1]。天舟一號貨運飛船作為我國首個空間貨物運輸飛船，于2017年4月20日發射，9月22日受控離軌，飛行任務取得了圓滿成功。天舟一號突破了貨物運輸、推進劑補加、全自主快速交會對接等關鍵技術，建立了獨立自主、功能齊備的空間貨物運輸系統，使我國躋身于少數幾個具備大噸位空間貨運能力的國家，綜合技術處于國際先進水平。這是我國載人航天工程“三步走”發展戰略第二步的收官之作，標志著我國即將開啟空間站時代[2]。

2 任務要求

通過載人航天工程第一步和第二步一階段的實施，我國已初步建成功能完備的神舟飛船天地往返運輸系統，能滿足近地軌道載人往返任務需求，但在空間站工程階段還存在大量貨物運輸以及推進劑在軌補加需求，需建造空間貨物運輸專用系統——貨運飛船。按照我國載人航天工程三步走發展戰略，第二步第二階段——空間實驗室任務階段通過發射天宮二號空間實驗室、神舟十一號載人飛船和天舟一號貨運飛船，突破和掌握貨物運輸和推進劑補加、航天員中期駐留等技術，為第三步空間站建造和運營積累技術經驗[1，3]。

中國空間技術研究院從2011年開始著手進行貨運飛船的立項論證工作，確立了貨物艙/推進艙兩艙構型總體技術方案。2012年，貨運飛船正式立項，命名為“天舟”，明確了天舟貨運飛船需要具備的物資上行運輸、廢棄物資下行、支持組合體姿軌控、空間應用和技術試驗支持四大任務功能。作為天舟貨運飛船的首飛船，天舟一號主要任務為：①與空間實驗室配合，驗證推進劑在軌補加技術；②全面考核貨運飛船功能和性能；③在空間實驗室配合下，開展貨運飛船控制組合體、繞飛至前向、快速交會對接等試驗；④支持開展空間應用及技術試(實)驗。

3 主要技術方案

天舟貨運飛船由貨物艙和推進艙兩艙組成，采用基于模塊化的型譜方案，設計了全密封貨物艙、半密封半開放貨物艙、全開放貨物艙和推進艙4個模塊，形成了全密封貨運飛船、半密封半開放貨運飛船和全開放貨運飛船3種型譜(圖1)，可滿足空間站現階段不同貨物種類運輸需求。

圖1 天舟貨運飛船型譜設計Fig.1 Type spectrum of Tianzhou cargo spacecraft

首飛船天舟一號為全密封型譜，飛船軸向總長約10.6 m，艙體結構最大直徑Φ3.35 m。最大起飛重量13.5 t，貨物上行能力6.5 t。整船構型如圖2所示。天舟一號主要系統功能方案設計如下。

圖2 天舟一號貨運飛船構型Fig.2 Structure of Tianzhou-1 cargo spacecraft

3.1 結構方案

天舟一號全密封貨物艙外部為長壽命、低漏率整體壁板結構(圖3)，密封艙內部支撐采用輕量化高效鋁蜂窩板結構[4]，設計為4層貨架裝載貨物量達到5.5 t(圖4)。

圖3 貨物艙結構Fig.3 Structure of pressurized cargo cabin

圖4 貨物艙內貨架結構Fig.4 Shelf structure inside cargo compartment

推進艙設計為非密封半硬殼鉚接結構，采用上下兩層法蘭的連接形式增加連接點和增大連接面積，加大推進艙結構中間框的強度與剛度，實現了4.4 t推進和補加一體化模塊承載[5]，推進艙承載布局設計如圖5所示。

3.2 貨運保障方案

密封貨物艙內采用“貨架+標準裝載結構”形成上行貨物的標準裝載接口。貨架與整船結構統一設計，預留通用機械接口，通過標準裝載結構實現與裝載貨物連接、固定，并可以適應艙外航天服、水箱、氣瓶等特殊貨物的運輸任務。貨物艙內各類貨物裝載在軌實景見圖6。

圖5 推進艙內裝載布局Fig.5 Overall arrangement inside propulsion module

圖6 貨物艙內貨物裝載圖(在軌)Fig.6 Cargo stowage plan(in orbit)

同時配置載荷管理單元、載荷配電單元為貨物(試驗載荷)統一提供供電、信息支持，接入平臺以太網絡，試驗數據下行速率100 Mbps，平臺可為貨物(載荷)供電1000 W[6]。

3.3 推進劑補加方案

到目前為止，掌握了在軌推進劑加注技術的國家只有俄羅斯和美國，其中實現在軌加注應用的只有俄羅斯，采用的是氣體回用法；美國沒有進行過在軌加注應用，但通過飛行試驗掌握了加壓加注技術[7-8]。加壓法系統簡單，但推進劑加壓溫升帶來了安全隱患，同時補加方需消耗一定量的高壓氣體。氣體回用法系統復雜，技術難度大，但氣體資源無消耗，技術一旦突破對長期在軌的空間站更為有利。

考慮中國載人空間站長期在軌推進劑補加需求，天舟貨運飛船聯合空間站采用“增壓氣體回用+推進劑恒壓擠壓”技術方案。貨運飛船完成與被補加飛行器的推進劑管路對接與密封，由被補加飛行器壓氣機將貯箱氣腔內增壓氣體回抽至氣瓶，降低貯箱背壓，以具備接收推進劑條件，貨運飛船再以恒壓方式將推進劑輸送至被補加飛行器膜盒貯箱，并吹除連接管路推進劑和脫開連接管路，完成推進劑補加。

進步號和ATV貨運飛船用于推進劑補加的模塊與貨運飛船平臺自身控制所需的推進模塊獨立設計，規避了兩個模塊之間壓力體制差異、安全隔離等融合技術難題，但系統推進劑利用率低、任務適應性差、故障應對手段少。天舟貨運飛船全新研制8只400 L金屬膜片貯箱，分為推進和補加兩個功能模塊，總攜帶量可達3.5 t，可用于補加的推進劑為2.1 t。模塊間實現了融合使用，滿足了推進/補加模塊的安全隔離和靈活切換的要求，提高了推進劑利用效率以及任務應急能力。

3.4 交會對接方案

貨運飛船與空間站交會對接是實現貨物補給和推進劑補加的基礎，是貨運飛船關鍵任務功能之一。全相位交會對接擴展了貨運飛船的發射窗口，提高了空間站運營管理的靈活性，全自主快速交會對接為空間站快速貨物補給和人員運送奠定了技術基礎，全方位繞飛交會對接解決了空間站階段多艘飛船停靠不同對接口的問題[9]。

2012年8月2日，俄羅斯進步M-16M貨運飛船首次測試快速對接模式[10]，但關鍵事件仍需要地面干預。天舟一號貨運飛船首次提出了基于絕對定位數據的快速交會對接自主導航與制導方案，解決了依靠地面定軌、計算、注入時間長難以實施快速交會對接的難題，交會對接時間由2 d縮短至6.5 h，在國際上首次實施了全自主的快速交會對接。設計了前向、后向、徑向繞飛方案，可與空間站不同對接口對接，提高了任務適應能力。

對接機構設計了主動控制電子阻尼器方案，解決了與大偏心構型空間站(例如“L”型)對接時俯仰和偏航方向能量緩沖消散難題，具備了與空間站全部構型對接適應能力[11]。

3.5 制導、導航與控制方案

姿態與軌道控制采用以陀螺、星敏、紅外地敏多種測量方式融合方案完成飛行姿態測量確定，采用純噴氣控制實現姿態和軌道控制。

針對貨運飛船大慣量積、變質心的特點，設計36臺發動機，提出了基于指令分配的分組姿軌發動機使用策略，設計了基于前饋補償的交會對接平移靠攏段高精度位置、姿態控制器，解決了非合作目標安全交會、多航天器近距離編隊飛行中的近距離準靜態懸停技術難題[12]。

3.6 熱控方案

針對貨運飛船熱源分布不均、各飛行階段變化大、外熱流變化范圍大的難點，提出了基于強制通風與二次輻射的密封艙熱控方法，取代一般密封艙采用的流體回路熱控方法，建立了輕量化貨運飛船熱管理系統(圖7)，大幅減輕了散熱系統重量[13-14]。

圖7 輕量化貨運飛船熱管理系統Fig.7 Lightweight thermal management system of cargo spacecraft

密封艙內設計通風系統實現熱量統一收集傳遞，后球底作為散熱面實現熱量可控排散，密封艙/非密封艙一體化耦合設計。通過二次輻射調節傳熱路徑和熱阻，提高了密封艙散熱面溫度水平，設計3臺風扇組合強制通風，增強了散熱面的溫度均勻性，解決了密封艙艙壁作為散熱面容易結露的技術難題，在國內外載人航天器上尚屬首例。

3.7 環境控制方案

載人環境控制與空間站一體化設計，簡化了自身系統配置。密封艙內配置壓力控制和溫濕度、氧和二氧化碳濃度測量設備，具備艙內照明、顯示報警等功能，支持航天員進艙操作。

3.8 電源方案

采用太陽電池翼-鋰離子電池組的光伏電源系統提供100 V電源，配置60 Ah鋰離子電池組和左右兩翼總面積約30 m2三結砷化鎵太陽電池翼[15]。采用22串ICP30單體高壓鋰離子蓄電池組設計方案(圖8)，航天領域首次實現了100 V高壓鋰離子蓄電池組在軌應用。其中，ICP30單體與空間站通用，提前驗證了空間站電源關鍵技術。

整船采用100 V分散配電體制(圖9)，100 V高壓傳輸直接給電子單機供電，單機內部配置國產DC/DC厚膜器件，減少配電體系中兩級DC/DC變換損耗以及供電鏈路串聯環節，提高了供電效率和可靠性[16]。

圖8 高壓鋰離子蓄電池組Fig.8 High-voltage lithium ion battery pack

圖9 100 V直接配電體系結構示意圖Fig.9 Schematic diagram of 100 V direct distribution system

3.9 測控通信方案

測控通信以天基為主，關鍵時段配以陸海基測控支持，實現了交會對接和推進劑補加等關鍵事件全程跟蹤測控，同時減少了對陸基測控站和海基測量船的依賴。

針對航天器內部網段設計和IP over CCSDS的協議轉換技術，提出一種適用于近地軌道航天器的天地網絡一體化方案，設計以太網交換機實現了IP協議與CCSDS AOS空間數據鏈路協議的相互轉換，構建了天地一體化互聯網絡[17]。可提供不少于12路百兆以太網接口，接口速率100 Mbps，支持標準以太網協議。

4 研制過程概述

2011年，原總裝備部載人航天工程辦公室依據中央專委批準的《載人空間站工程實施方案》，提出了《貨運飛船立項綜合論證技術要求》，中國空間技術研究院隨即牽頭開展貨運飛船方案論證工作。2012年，貨運飛船正式立項。2012年6月，載人航天工程辦公室正式下發《貨運飛船研制總要求》，明確了貨運飛船任務、技術指標、技術要求以及總體技術方案要點。

2013年4月27日，貨運飛船完成總體方案設計，轉入初樣研制階段，同步開展全密封、半密封貨運飛船研制工作，全開放貨運飛船作為空間站運營階段擴展任務僅完成了方案設計。初樣階段，除例行的整船力熱EMC綜合電測等系統級試驗外，根據任務特點，開展了推進全系統液流補加仿真、貨物艙貨物模裝試驗等專項試驗。初樣研制各類試驗共計207項，全面驗證了飛船方案設計的合理性和可靠性。在整個初樣研制階段，總體、分系統和單機單位進行了大量的研制、試驗、分析、驗證和改進工作；著眼于飛船所擔負的任務使命，從元器件、原材料做起，攻克了一個個難關，明確了正樣產品的技術狀態。

2014年8月，貨運飛船進入正樣階段，開始首飛船——天舟一號研制。除例行的正樣試驗外，貨運飛船參加了長征七號運載火箭/貨運飛船在海南發射場的合練，是新火箭、新飛船、新發射場的首次磨合，充分驗證了箭船發射場接口匹配性。2017年1月，天舟一號順利通過出廠評審，并于2017年2月13日經海路順利到達海南發射場。發射場工作推進的同時，聯合北京飛控中心并行開展飛控準備工作。海南、北京兩地精心的組織和準備，確保了天舟一號任務的順利實施。

5 天舟一號飛行過程

天舟一號貨運飛船于2017年4月20日起飛，4月22日與天宮二號空間實驗室對接鎖緊完成形成組合體。4月23日開始第一次推進劑補加任務，4月27日完成推進劑補加，標志著天舟一號飛行任務圓滿成功。

4月28日天舟一號貨運飛船轉入組合體載荷支持模式，開展對天/對地觀測、空間環境監測等多項空間實驗，于6月14日進行了第二回推進劑補加。6月21日與天宮二號空間實驗室前向分離撤離，進行為期3個月的獨立飛行，期間釋放了一顆立方星。隨后于9月12日開展了全自動快速交會對接試驗，然后進行了第三回推進劑補加及拓展試驗，9月22日17：59受控隕落于南太平洋區域。整個飛行過程如圖10所示。

圖10 天舟一號飛行過程示意圖Fig.10 The flight procedure of Tianzhou-1

6 主要成果

天舟貨運飛船瞄準“國際領先”這一核心目標，打造出運輸效能高、任務范圍廣、自主能力強的貨運飛船，在滿足空間貨物運輸主任務的同時，具備了多維度在軌服務拓展能力，實現了7個“首次”。

1)首次執行天舟貨運飛船飛行試驗任務：天舟貨運飛船是面向空間站建造和運營物資運輸補給任務全新研制的載人航天器，上行載貨比、貨物運輸、推進劑補加等綜合能力比肩甚至優于國際現役貨運飛船。

2)首次在軌實施飛行器間推進劑補加：天舟一號與天宮二號實施了我國首次推進劑在軌補加，突破并試驗了推進劑補加技術，為我國空間站組裝建造和運營奠定基礎。

3)首次以天基測控體制為主實施飛行控制：以天基測控體制為主的原則進行設計，實現了關鍵事件全程跟蹤測控、在軌異常及時監測處置，減少了對陸基測控站和海基測量船的依賴。

4)首次大規模推動核心元器件自主可控：為帶動元器件自主研制，加速實現元器件自主可控，提前驗證空間站用關鍵元器件，作為飛行驗證平臺首次使用7大類44項新品元器件。

5)首次開展全自主快速交會對接試驗：首次開展自主快速交會對接試驗，采用自主導引模式，完全依靠船上設備導航和控制，在6.5 h內自主規劃、多次變軌實現交會對接。

6)首次搭載多項空間應用與技術試(實)驗載荷：在滿足貨物運輸的同時，最大發揮平臺效能，隨船搭載了40臺載荷設備，完成了13項載荷在軌試驗項目，實現一次飛行、多方受益。

7)首次實施主動離軌受控隕落：天舟一號貨運飛船為我國首次實施大型航天器受控再入大氣層。在軌任務結束后，經地面決策，實施主動離軌，通過2次降軌控制，受控墜落于南太平洋預定區域。

7 國內外貨運飛船綜合比較

1978年1月20日蘇聯發射了第一艘進步號貨運飛船[18-19]，2008年3月9日歐洲發射第一艘自動轉移飛行器(ATV)[20-21]，2009年9月11日日本H2轉移飛行器(HTV)成功首飛[22]。借助NASA商業軌道運輸計劃(COTS)和商業乘員發展計劃(CCDev)，SpaceX公司和軌道科學公司先后發射了龍飛船[23]和天鵝座貨運飛船[24]。

目前，航天飛機已經退役。ATV在完成5次貨運任務后，也退出現役。國際空間站貨物運輸將主要依靠進步號[25]、HTV[26-28]、龍飛船[23]和天鵝座貨運飛船[24]。其中，ATV單次運輸重量最大，達到7.67 t[20，26]。我國天舟貨運飛船開展了全要素輕量化設計，雖然單次運輸量6.5 t不及ATV，但上行貨重比達到0.48(上行貨重比＝上行能力＼發射質量)，貨物上行效率為國際現役貨運飛船最高。天舟貨運飛船與國外貨運飛船貨物運送能力比較見表1。

表1 貨運飛船貨物運送能力比較[29]Table 1 Comparison of payload of cargo spacecrafts[29]

任務能力比較見表2，天舟貨運飛船具備空間站貨物上行、廢棄物下行、組合體支持和拓展試驗的綜合任務能力。由于龍飛船載貨版和載人版一體化設計，具備貨物返回和重復使用能力。天舟貨運飛船目前尚不具備貨物返回和重復使用能力，我國空間站工程進入長期運營和空間應用階段后，高效低成本貨物補給要求將愈發強烈，同時在軌生產的需要送回地面的高價值空間貨物量會迅速增加，天舟貨運飛船發展貨物返回和重復使用能力是未來必然趨勢。

表2 貨運飛船綜合任務能力比較Table 2 Comparison of comprehensive capabilities of cargo spacecrafts

8 結束語

天舟一號貨運飛船飛行試驗任務的圓滿完成，標志著我國載人航天工程第二步第二階段任務完美收官，為第三步空間站工程的順利實施奠定了堅實基礎。

空間站階段，貨運飛船將繼續根據任務要求，研制半開放貨運飛船和全開放貨運飛船，提升貨物運輸能力，支持空間站大型維修備件和大型試驗載荷運送，支持空間站長期運營以及任務拓展。

貨運飛船將進一步完善任務功能，發展高效低成本、可重復使用等貨運飛船譜型，逐步建成我國獨立自主、功能齊備的空間貨物運輸體系，服務于航天器在軌維護、載人登月、載人登火星等重大航天工程和前沿科學領域，推動我國航天水平的進步，譜寫我國航天歷史的新篇章。