天舟貨運飛船發展歷程與特點

白明生 王冉 徐小平

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

天舟貨運飛船經歷立項論證，開展了初樣、正樣研制工作，并按照任務要求順利完成天舟一號至天舟三號飛行任務工作。天舟一號貨運飛船的成功發射，建立了我國首個專用空間物資運輸平臺，為空間站提前驗證了推進劑在軌補加、快速交會對接等關鍵技術，標志著空間實驗室任務圓滿收官，我國載人航天工程正式步入空間站時代[1-2]。空間站關鍵技術驗證及建造階段，陸續發射天舟二號至天舟五號貨運飛船，為空間站運營奠定基礎。

1 貨運飛船立項論證

依據上級批準的文件和工程總體下發的立項綜合論證工作要求，在各大系統及工程院所等單位協助下，緊密圍繞貨運飛船任務特點，強化功能、優化性能，針對空間站工程全任務周期的補給需求，貨運飛船進行全面、深入的立項綜合論證，確立了立項論證指導思想。

1)優化設計，滿足空間站任務需求

以全面滿足空間站任務需求為目標，積極借鑒國外先進設計理念和先進技術，加強平臺方案和貨運方案的系統優化設計和可靠性設計，提高貨物最大運輸能力，適應空間站推進劑在軌補加、航天員駐留資源補給以及設備的維修、維護、更換等不同任務需求，體現中國特色，總體性能達到或超過國際先進水平。發揮貨運飛船的在軌潛力，支持并配合空間站進行組合體軌道控制，開展空間科學試驗，實現貨運飛船在軌綜合利用。

2)充分繼承，降低型號研制風險

貨運飛船立項綜合論證充分借鑒和繼承載人航天工程以及衛星型號的技術和研制成果，包括成功經驗、成熟技術和成熟產品，降低研制風險，縮短研制周期，減少研制經費，確保貨運飛船在空間實驗室階段能夠實現首飛試驗，為空間站的建造與運營奠定牢固基礎，滿足空間站工程高可靠、高安全性要求。

3)統籌規劃，提高載人航天器研制效率

在滿足工程任務的前提下，貨運飛船與載人飛船、空間實驗室、空間站等其它載人航天器型號統籌規劃。力爭利用貨運飛船平臺更多驗證并突破空間站和三期載人飛船關鍵技術。力求實現產品通用化和互換性，做到優勢互補、資源調配靈活，增強型號質量穩定控制的可靠性，提高整個載人航天器研制效率。

4)集成創新，適應后續任務發展

在成熟產品基礎上進行集成設計，實現系統創新。以“支撐現在、引領未來”為指導思想，充分考慮載人航天后續任務需求，標準方案與擴展方案集成設計，通過適當改進可實現全開放貨船、貨物回收、共軌平臺等多種功能，一次設計、長期受益。

貨運飛船型號研制總體任務由中國空間技術研究院負責，按計劃完成總體方案大綱的確定和分系統方案評審等工作，2012年6月貨運飛船立項。自此，貨船系統按照研制總要求全面開展相關研制工作。

2 貨運飛船研制過程

2.1 模塊化設計

貨運飛船按模塊化進行設計，主要包括推進艙模塊、密封貨艙模塊、半密封半開放貨艙模塊和全開放貨艙模塊。單艘貨運飛船根據任務需要由推進艙模塊和后3種模塊中的任意一種組成，形成貨運飛船型譜(圖1)，包括全密封貨運飛船、半密封貨運飛船和全開放貨運飛船。全密封貨運飛船主要執行密封加壓貨物(航天員生活貨物、試驗載荷、維修備件等)以及推進劑運輸任務。半密封貨運飛船除具備全密封貨運飛船的運輸能力外，可運送艙外非密封試驗載荷(如測控天線)以及艙外維修備件(如太陽電池翼)。全開放貨運飛船用于運送空間站拓展艙段、大型天線等大型貨物。三型貨運飛船配合使用，可以滿足空間站工程各類貨物(含試驗載荷)運輸需求。

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

2013年4月，貨運飛船轉入初樣研制階段，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平臺擴展任務，后續根據任務需要在半密封貨運飛船基礎上開展初樣研制工作。

2.2 初樣驗證工作

初樣階段利用結構熱控船開展全密封貨運飛船力熱載荷環境、與運載火箭機械接口驗證，試驗項目覆蓋整船力學試驗、整船熱平衡試驗、與運載支架對接試驗和船箭聯合振動試驗等。利用貨運飛船電性船開展了全密封貨運飛船綜合測試。測試項目驗證了貨運飛船系統功能的正確性、合理性，分系統間接口的正確性和匹配性，測試方法和流程合理、可行。

2014年12月，完成了半密封貨運飛船初樣階段全部工作，包括半密封貨艙水壓氣密試驗、靜力試驗、熱平衡試驗和振動試驗，充分驗證半密封貨物艙的力、熱性能，滿足各項指標和技術要求。

2.3 發射場合練工作

為實現“驗證貨運飛船海南發射場測試發射流程的正確性、合理性和覆蓋性；驗證貨運飛船運輸方案及流程的合理性；驗證貨運飛船工作需求與海南發射場技術條件保障能力的匹配性和協調性；檢驗貨運飛船系統在海南發射場與航天員系統、長征七號運載火箭系統、海南發射場系統的接口匹配性和協調性；驗證貨運飛船貨物裝載、推進劑加注泄出操作等專項工作的方案合理性，為正樣階段正式執行貨運飛船發射任務做好準備工作”的目的，貨船系統按工程總體要求組織開展了發射場合練工作。

歷時4個月，貨運飛船圓滿完成了海南發射場合練任務，按要求完成了技術流程中規定的所有工作項目，達到了預期試驗目的，在發射場接口、保障能力匹配性、技術流程合理性等方面得到了充分驗證。

2.4 正樣研制工作

貨運飛船系統以圓滿完成空間實驗室任務階段和空間站任務階段飛行任務為總目標，按照平臺化、通用化的設計指導原則，全面開展了貨運飛船平臺正樣設計工作，覆蓋了系統和分系統方案設計、軌道和發射窗口設計、飛行方案和故障預案設計、研制技術流程設計、總裝、測試與試驗(AIT)方案設計、可靠性安全性和總體專項設計、工程大系統接口設計，確定了貨運飛船平臺正樣設計方案和設計狀態。

2015年3月，啟動貨運飛船總裝工作，開展了各分系統正樣產品交付工作。經過兩年多的不懈努力，貨運飛船系統依據工程總體要求，完成了天舟一號貨運飛船北京地區全部研制工作，2017年1月，順利通過中國航天科技集團公司和中國空間技術研究院院級出廠評審，2月全面開展發射場工作。

3 主要技術驗證情況

3.1 推進補加技術設計驗證工作

推進劑在軌補加技術是載人空間站工程的關鍵技術之一，研制和發射天宮二號空間實驗室和貨運飛船，由兩飛行器配合突破和掌握推進劑在軌補加技術，實現貨運飛船與空間站推進劑在軌補加技術的先期驗證。

貨運飛船系統和空間實驗室系統對推進劑補加的系統配置、信息系統、熱控方案、供配電方案進行了設計，并開展了研制工作。先后完成了2次推進劑補加技術地面原理性試驗、推進劑吹除效果專項試驗、連接分離試驗、全系統方案熱試車試驗、液路長期帶壓貯存試驗、氣路長期貯存等多項試驗，并開展了系統間正樣聯試。貨船系統組織完成天舟一號貨運飛船推進劑補加專項總結，結果表明：貨運飛船系統完成了出廠前的補加系統設計與驗證工作，與空間實驗室補加接口正確，滿足任務與技術指標要求。

3.2 物裝載設計驗證工作

通過貨運飛船運輸的物資包括航天員食品、水及其它工作、生活和健康保障用品，艙外航天服及出艙保障用品，空間站設備、部件、備件、維護維修工具及推進劑和氣體等消耗品，應用及試(實)驗的載荷設備、樣品、部件、備件、維護維修工具及其它消耗品等。

針對各類貨物上行需求，貨運飛船基于平臺化技術進行了適應性設計，平臺提供標準機、電、熱接口，研制了貨物標準裝載設備，適應空間站不同運輸任務、不同運營階段貨物運送需求。同時制定了貨運飛船對貨物標準接口要求，明確貨運飛船與上行運送貨物的機、電、信息、熱等標準接口，作為貨物運送實施基礎。標準接口要求文件是各貨物方、載荷方開展工作的主要依據，對后續長期任務規范貨物接口起到重要的作用。針對特殊接口上行貨物，貨船系統在初、正樣階段分別開展了各項驗證試驗。

3.3 載荷支持及接口認證

為便于隨船開展空間應用和科學試(實)驗，貨運飛船設計了載荷綜合支持平臺，為試驗載荷統一提供供電、信息支持。同時，采用以太網通信技術及天地一體化網絡協議實現天地網絡通信，設計以太網交換機實現網絡數據交換，支持標準以太網協議，方便載荷設備自由接入。

不同于采用標準貨包類裝載的貨物，試驗載荷接口要求多樣，機械安裝不完全能夠采用預留標準接口，且與平臺存在信息交互，耦合關系強。為此，提出了單機分散準入和系統綜合測試的分級驗證方法，解決了載荷非標接口的動態接入安全性和驗證充分性的難題，實現了試驗載荷與平臺研制的解耦和載荷設備靈活快速裝載。

貨運飛船載荷接口認證是各試驗載荷產品裝船前與貨運飛船系統平臺之間接口匹配性和正確性的一次關鍵驗證，是試驗載荷產品交付貨運飛船系統前必須開展的工作。實驗室認證人員與各載荷方通力合作，按照既定流程和細則完成了所有認證項目，獲得了豐富的測試數據，是對貨運飛船接口認證平臺及認證流程進行了有效考核，對各試驗載荷項目與貨運飛船平臺之間的接口進行了充分驗證，對后續載荷搭載工作做出了很好的鋪墊工作。

4 天舟一號飛行任務

天舟一號任務是我國載人航天工程“三步走”發展戰略第二步第二階段的收官之戰，貨運飛船研制任務的圓滿完成，標志著我國成功建立了空間物資運輸專用平臺，突破了推進劑在軌補加、快速自主交會對接等重大技術問題，為空間站建造與運營奠定了堅實的基礎。

4.1 任務特點

此次任務主要包括以下特點：

(1)國內首次對貨運飛船平臺物資運輸能力、標準接口以及管理模式的飛行驗證，建立我國空間物資專用運輸平臺；

(2)國內首次開展在軌實施飛行器間推進劑補加試驗，為我國空間站組裝建造和長期運營掃清能源供給問題上的最后障礙；

(3)首次開展全自主快速交會對接試驗以及前向繞飛對接試驗，極大提升空間站工程建設的安全水平和整體效能；

(4)搭載了多項空間應用與技術試驗，支持在軌試驗任務，最大程度發揮任務綜合效益，實現一次飛行、多方受益；

(5)國內首次以天基測控體制為主實施飛行控制，采用天地一體化信息網絡，實現對航天器在軌飛行的關鍵事件的全程跟蹤，有效降低人力、物力、財力等成本。

4.2 聯合飛控

針對天舟一號飛行任務的特點，首次探索實施了分布式與集中式相結合的飛控模式。在飛船發射、交會對接等重要飛控事件期間，各系統試驗隊進駐北京中心現場開展飛控實施，在載荷試驗、飛船長管等一般飛控事件期間，由北京指揮控制中心為主監視和操作，相關系統試驗隊在各自的支持中心就位，根據任務分工進行數據接收和監視處理，必要時提供遠程支持。貨運飛船集中式飛控和分布式飛控模式的成功實施，改變了以往任務單純依靠集中式飛控的工作模式，既是載人航天型號在我國空間站新任務、新階段、新形式下對于更高效、更和諧飛控工作模式的一種積極探索，又是上級領導對于型號研制人員親切關懷的切實體現，更為空間站運營階段飛控實施積累了經驗，并不斷地持續優化和提高飛控效率。

4.3 發射成果及意義

天舟貨運飛船的首次飛行并在軌應用，建立了我國首個專用空間物資運輸平臺，為空間站提前驗證了推進劑在軌補加、快速交會對接、分布式高壓供電、空間網絡等關鍵技術，標志著空間實驗室任務圓滿收官，我國載人航天工程正式步入空間站時代。天舟貨運飛船綜合技術達到國際先進水平，其中物資運輸效率、自主快速交會對接、電動液路浮動斷接器等技術國際領先，并創造了多項第一[3]。

(1)提出了多種類物資運輸、推進劑在軌補加、全自主快速交會對接的多功能貨運飛船總體技術方案，突破了輕量化結構、高效被動熱控、高壓全分散供配電等關鍵技術，解決了空間站物資上行、廢棄物下行、組合體支持和拓展試驗多重任務要求約束下平臺輕量化設計難題，實現上行貨重比達到0.48。

(2)提出了基于推進和補加一體化的推進劑在軌補加技術方案，突破了電動液路浮動斷接器、400L金屬膜片貯箱等關鍵技術，解決了補加量精準控制、推進劑高效利用、加注高可靠高安全等技術難題，在我國首次成功實現了推進劑在軌補加試驗。

(3)提出了基于標準化接口、分級認證、智能動態規劃的貨物運輸技術方案，突破了殼聚糖纖維新型貨包技術，解決了貨物上下行運輸狀態多變及抗菌防霉、阻燃、無毒、高強度的貨物包裝等難題，能夠滿足空間站工程貨物運輸需求。

(4)提出了全相位、全自主、全方位的多模式交會對接方案，突破了0～360°任意相位差交會、自主完成快速交會對接、不同對接口的自由轉換等技術難題，實現了交會對接飛行任務快速規劃和靈活實施，具備了船箭分離后6.5 h全自主交會對接的能力。

5 天舟二號及后續飛行任務

根據空間站工程任務安排，關鍵技術驗證及建造階段每年發射兩艘貨運飛船為空間站建造進行技術驗證和物資補給。2021年以來，天舟二號至五號陸續成功發射，并順利完成在軌任務實施，取得一系列重要成果。

(1)天舟二號首次實施了自主快速交會對接，基于北斗導航數據自主規劃并實施變軌，將交會對接時間由原來的2天縮短到8 h以內，為載人飛船實施自主快速交會對接提前進行了技術驗證。

(2)天舟二號首次在軌實施了遙操作交會對接試驗、2 h超快速交會對接試驗和艙段轉位試驗，驗證了大時延遙操作交會對接信息與控制、快速自主導航和艙段轉位過程在軌動力學特性和對接機構分離和再對接等關鍵技術，為空間站組裝建造奠定基礎。

(3)天舟三號降低平臺研制成本，積極推動系統配置優化工作，并首次實施四貯箱狀態飛行，拓展載荷設備安裝位置，在滿足任務要求的前提下，實現了運輸效益最大化。

(4)天舟四號首次實施貨包色彩標識，方便航天員更加直觀的區分不同類別貨物。通過優化包內緩沖材料、改進貨物裝載方案，使得貨物裝載效率進一步提高，整船平均裝載密度高達280 kg/m3。

(5)天舟五號是空間站有人駐留情況下的首次貨運飛船交會對接，對接時間由6.5 h提升到了2 h以內，創造了世界最快交會對接記錄。同時搭載多項試驗載荷，充分利用上行運力資源，支持開展空間科學與技術試驗，提高飛行任務綜合效益。

6 結束語

本文以天舟貨運飛船的立項論證和初、正樣等工程研制階段為脈絡，全面總結了貨運飛船發展歷程和特點。天舟一號貨運飛船順利完成飛行任務，建立了我國首個專用空間物資運輸平臺，為空間站提前驗證了推進劑在軌補加、快速交會對接等關鍵技術。天舟二至五號貨運飛船的成功發射，為我國空間站建造奠定了堅實基礎。

后續，天舟貨運飛船將進一步拓展完善功能，提升裝載運輸效率，服務于載人登月等重大航天工程和前沿科學領域，推動我國航天水平持續進步。

參考文獻(References)

[1] 周建平. 我國空間站工程總體構想[J]. 載人航天， 2013，19(2): 1-10

Zhou Jianping. Chinese space station project overall vision[J]. Manned Spaceflight， 2013，19(2): 1-10 (in Chinese)

[2] 賀迎春， 楊欣， 肖建軍. 貨運飛船天舟一號發射圓滿成功[N]. 人民日報， 2017-04-21

He Yingchun， Yang Xin， Xiao Jianjun. China’ s first cargo spacecraft Tianzhou-1 launched successfully[N]. People’s Daily， 2017-04-21 (in Chinese)

[3] 白明生，金勇，雷劍宇，等.天舟一號貨運飛船研制[J].載人航天，2019,25(2):249-254

Bai Mingsheng，Jin Yong，Lei Jianyu，et al. Research and Development of Tianzhou-1 cargo spacecraft[J]. Manned Spaceflight，2019,25(2):249-254 (in Chinese)