中國空間站的“快遞小哥”

沈羨云

4月20日19時41分，搭載著“天舟”一號貨運飛船的“長征”七號遙二運載火箭，在我國文昌航天發射場點火發射，約596秒后，飛船與火箭成功分離，進入預定軌道，發射取得圓滿成功。這是我國貨運飛船的首次飛行試驗，作為載人航天家族的新成員，“天舟”一號的加入，意味著中國載人空間站的建成將向前更進一步，這也是中國人實現“太空筑家”夢想的關鍵一步。

“快遞小哥”簡介

我國將建造長期有人照料的空間站，空間站要運行，航天員要工作、生活，向空間站運轉所需的燃料（推進劑）及航天員工作、生活所需要的物資是必不可少的。這就需要有一個專門的運輸工具來負責運輸貨物，并為空間站“加油”——這個重要使命就由貨運飛船來擔當。

“天舟”一號是我國自主研制的首艘貨運飛船，由于它只運貨，不送人，所以被一些媒體昵稱為太空中的“快遞小哥”。“快遞小哥”是兩艙式結構，直徑較小的是推進艙，直徑較大的為貨物艙。其最大直徑達到3.35米，飛船全長10.6米，太陽帆板展開后最大寬度為14.9米，物資上行能力約6噸，滿載貨物時重13.5噸。它是中國發射進入太空的航天器中質量最大的有效載荷，比“客戶”（“天宮”二號空間實驗室）還大 。這次任務，“天舟”一號要為“天宮”二號帶去6噸左右的貨物和推進劑，其中有大大小小100多個貨包。此外，其強大運載能力還表現在載貨比指標上。“天舟”一號的載貨比（即貨物重量占整個飛船的總重量的比例，是考核貨運飛船的主要指標，載貨比數值越高，說明運載效率越高）較高，將來還可以進一步優化到0.48，該數值超越歐洲、日本等國家的現役貨運飛船，處于國際領先水平。

“快遞小哥”的“腰部”是一個個鏤空形式的連接框，可以與各部分牢固連接。它的外衣是一種壁板結構，貨物艙為圓柱形，艙壁周圍為格狀結構的貨架，上面裝有天藍色把手，中間形成一個矩形過道。為了讓未來的“客戶”在艙內活動更安全、舒適，內部的地板采用了深色硬質結構，方便蹬踏，天花板為淺色。上淺下深顏色的布局，可以營造出一種天地感，讓人不會眩暈。為了使艙內空間利用更加合理，裝載更多的貨物，“天舟”一號的貨艙被自己的“骨骼”——貨架分割成了許多區域。在貨架的設計上，科研人員選用了輕質高強度材料。“貨架面板”儀器板使用的是鋁合金蜂窩板，“貨架框架”立梁使用的是碳纖維材料。經過多次工藝攻關后，“天舟”一號的整體結構變得又輕又強壯，確保能將貨物完好無缺地送達“天宮”二號。

目前，國際上使用的貨運飛船有多種，包括俄羅斯的“進步”號貨運飛船、歐洲的自動轉移飛行器、美國的“龍”飛船，以及日本的HTV貨運飛船等。“天舟”一號是世界上現役運載能力最強的貨運飛船。

“天舟”一號入軌后，將按預定程序與在軌運行的“天宮”二號先后進行3次交會對接、3次推進劑在軌補加以及空間應用和航天技術等領域的多項試驗。其間，“天舟”一號與“天宮”二號組合體在軌飛行約2個月，“天舟”一號獨立飛行約3個月。完成既定任務后，“天舟”一號將受控離軌，隕落至預定安全海域;“天宮”二號留軌繼續開展拓展試驗和應用。

“快遞小哥”的任務

“快遞小哥”到達太空后，除了給“天宮”二號送補給品外，還有很多任務等待它來完成。“快遞小哥”的主要任務是：

檢驗“太空加油”技術

就像汽車需要加油，未來空間站長期在軌也需要“加油”。“天舟”一號這次就要進行在軌推進劑補加技術驗證，在太空為“天宮”二號“加油”。有了貨運飛船超強運輸、補給能力的支撐，未來，3名航天員能在“太空之家”連續工作180天，各類實驗物資也可以源源不斷地運抵空間站，把空間站建設成為我國在太空的新技術試驗田。

三次對接

未來空間站包括核心艙和兩個實驗艙， 核心艙前后方向與垂直下方分別設有對接口，未來去空間站執行任務的載人飛船或貨運飛船很可能從不同方向進行交會對接。“快遞小哥”在太空將完成3次交會對接任務。第一次交會對接是測試貨運飛船對組合體的控制能力。第二次交會對接時“天宮”二號轉體180°，“天舟”一號從“天宮”二號下方繞飛，同時轉體180°，加速趕到“天宮”二號前方，與“天宮”二號進行對接。第一次、第二次交會對接檢驗的都是未來空間站運營所必須的能力。

在最后一次交會對接中，“天舟”一號將采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，快速交會對接將時間控制在6個小時左右。這意味著可以縮短航天員在飛船狹小空間中滯留的時間，使載人太空飛行變得更加舒適、愜意，還可以讓無法經歷長時間運輸的貨品盡快送達。同時，這項技術將在更大程度上保障未來空間站的安全，方便空間站突發事件的應急處理。

空間應用及技術實驗

雖然，“天舟”一號的主要功能是“運貨”，但在滿足貨物運輸需求的同時，“快遞小哥”還利用隨船搭載的幾十臺載荷設備， 過一把科學研究的癮，在飛行期間開展十余項科學實驗研究及技術驗證實驗。其中，“非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證”將在軌測試高精度靜電懸浮加速度計的工作性能，獲得的實驗結果將為我國“衛星重力測量”“空間引力波探測”等空間計劃提供重要支撐。此外，“微重力對細胞增殖和分化影響研究”項目有望應用于心臟和肝臟疾病的治療、器官移植、生殖健康以及預防和治療骨質變化疾病等方面。

“快遞小哥”的技術亮點

太空加油

“天舟”一號飛船將對“天宮”二號空間實驗室實施推進劑在軌補加，突破和掌握推進劑補加等關鍵技術。“天舟”一號貨運飛船“太空加油”采用的是無增壓氣體損耗的氣體回用法。這種方法系統設計難度較大，但是氣體資源利用率高。

與日常生活中的加油不同，“太空加油”不僅要加注燃料，還需要加注供燃料燃燒的氧化劑。燃燒劑和氧化劑兩者不能“見面”，否則會發生爆炸。它們的加注是由兩套系統獨立完成的，加注時序也不同。“太空加油”須在“天舟”一號和“天宮”二號對接鎖緊、補加裝置和管路氣密性好的前提下進行。“太空加油”分3步：第一步，“天宮”二號的壓氣機將手風琴狀的膜盒貯箱中的氣體壓回氣瓶，使“天宮”二號的燃料儲箱的壓力低于“天舟”一號;第二步，推進劑在壓力差的作用下，自動從“天舟”一號貯箱流入“天宮”二號貯箱，當兩側壓力一致時，加注工作完成;第三步，進行管路吹除，確保“天舟”一號和“天宮”二號分離時，殘留在管路中的推進劑不會在空間擴散，以防污染對接器件和航天器。

“太空加油”過程復雜，具體分為29個步驟，每步都需要精細控制，整個補加過程要持續幾天。

它是這次任務的最大亮點， 是世界范圍內的難題， 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。

高科技的“貨架”和“貨包”

快遞小哥送貨的“貨架”和“貨包”與普通的貨架、貨包不同，是專門為“天舟”一號定制的。為提升“天舟”一號承載量，飛船內部采用了高效承載貨架設計。表面上看，這些貨架和普通的儲物格類似，但其細節和構型都經過科學分析論證。貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構，形成大量的標準裝貨單元，結構與貨物重量比達到8%，此比例在業內已屬領先。

由于運送的貨物中有不少精密儀器和航天員用品， 裝載物資的貨包必須具備保護功能。“天舟”一號精心準備了一種高科技貨包來裝載貨物。這種高科技貨包，采用系列化設計，根據貨物尺寸，可調節大小、形狀。其外觀呈乳黃色，采用新型的抗菌、防潮、防霉布料，里面則使用一種新研制的防火、防潮且減振的泡沫或者氣囊來包裹貨物，“軟包裝”能夠很好地為貨物減振，可保證貨物安全到達太空和部分貨物在貨包中安全地存放一年。

天基測控搭建“太空天路”

以往，對航天器的跟蹤、測控以及在軌異常的及時監測處置，主要依賴陸基測控站和海基測量船。這需要耗費大量人力、物力來建造、維護地面測控站和海上測量船，研制人員奔波在各個站點之間開展相關試驗，并且受到跨國、跨境等地域限制。

“天舟”一號貨運飛船首次采用了以天基測控體制為主的設計原則。簡單來說，就是將原本在地面或海上的測量系統“搬”到了天上，打破了在地面或海上的地域限制，實現了對航天器在軌飛行關鍵事件的全程跟蹤，以確保對在軌異常的情況及時監測處置。這項測控應用有效降低了人力、物力、財力等成本，為未來與空間站通訊聯絡鋪平了道路。

精準的組合體姿態控制

要實現“太空加油”，“天舟”一號和“天宮”二號這個組合體必須穩定。但是，由于“快遞小哥”的質心、慣量變化范圍大，在“加油”時，對組合體的飛行姿態有較大的干擾。為了保證組合體在太空的姿態穩定，中國空間技術研究院研制了200Nms控制力矩陀螺（CMG）系統，它有完善的自主故障診斷和重構能力，該系統在實現對組合體穩定控制的同時，可以保證當某一個CMG出現異常或故障時，系統可以無縫切換，并保證對姿態干擾的程度最小。對組合體的控制，將再次驗證我國大型變結構航天器控制技術的可靠性，對后續飛行器設計有重要參考意義。

【責任編輯】蒲 暉