天舟貨運飛船空間試驗平臺設計

雷劍宇,賈東永,白明生,梁建輝,方 方

(中國空間技術研究院,北京 100094)

1 引言

貨運飛船是為空間站服務的空間物資運輸載人航天器,旨在通過運輸食物、推進劑和其他物資來支持空間站的建造與運行,并攜帶空間站重要貨物返回地面[1]。1978年1月,蘇聯發射了第一艘進步號貨運飛船;2008年3月,ESA 發射第一艘自動轉移飛行器(Automated Transfer Vehicle,ATV);2009年9月,日本H2 轉移飛行器(H-II Transfer Vehicle,HTV)成功首飛。借助NASA 商業軌道運輸計劃(Commercial Orbital Transportation Services,COTS)和商業乘員發展計劃(Commercial Crew Development,CCDev),SpaceX 公司和軌道科學公司先后發射了龍貨運飛船和天鵝座貨運飛船[2]。

由于貨運飛船屬于服務型載人航天器,平臺功能強大,安全性可靠性高,在完成貨運主任務的同時,具備開展空間試驗的先天優勢。龍飛船設計之初即考慮空間試驗功能,并設計有DragonLab版本,任務中多次攜帶小白鼠研究生物長期在軌生理效應,并進行了云氣溶膠傳輸系統實驗[3]。2020年12月加強版龍飛船發射,空間和供電能力提升,使得整個任務期間都可以搭載科學載荷,成為了國際空間站的擴展實驗室[2]。天鵝座的服務艙專門為微納衛星留出了一個搭載區域,于2017年、2019年和2022年分3 次釋放了23 顆立方星和100 顆皮衛星[4-5],并多次開展大型航天器火災機理在軌試驗[6-7]。HTV 完成了空間碎片清理電動力繩系拖曳裝置在軌試驗[8-10],也在規劃發展返回版本[11-12]。進步號同樣作為科學實驗平臺,開展了系列微重力空間試驗[13-14]。

天舟貨運飛船是中國載人航天工程的重要組成部分,瞄準國際領先這一核心目標,打造出的運輸效能高、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[15-16]。2017年4月20日天舟一號成功發射,2017年9月22日天舟一號圓滿完成了空間實驗室階段收官任務。天舟二號、天舟三號于2021年5月和9月成功入軌,均采用全相位、全自主快速交會對接方式與核心艙后向端口對接,同時停靠空間站核心艙,運行狀態良好。

天舟貨運飛船上行能力達到7 t,可以根據任務要求調整貨物配比,試驗載荷搭載量大,貨物艙艙內和艙外均可安裝載荷,可支持試驗領域廣。平臺采用中繼為主的通信體制和標準化以太網協議,支持試驗數據、圖像高速實時下行;可為試驗載荷提供1 kW 供電支持。完成貨運主任務,脫離空間站后,天舟貨運飛船獨立飛行,可利用剩余推進劑配合試驗進行軌道機動和姿態調整,適應軌道高度范圍200～500 km,任務約束少,便于試驗規劃,對空間站運行影響小。

空間站階段,天舟貨運飛船以每年1～2 艘頻度發射,具備成為常態化試驗平臺的優勢。2021年11月24日,中國載人航天工程辦公室發布了《關于征集通過天舟系列貨運飛船搭載科學技術試(實)驗和應用項目的機會公告》[17],用以充分利用天舟貨運飛船資源,發揮載人航天工程綜合效益,促進科學技術創新研究和航天高科技人才培養。同時,作為國際合作交流的窗口,可為國外科研院所聯合國內研究機構、院校聯合開展科學試(實)驗提供平臺。

本文主要介紹貨運飛船試驗平臺設計、可以支持的試驗方向、試驗支持接口設計、搭載流程及接口認證設計。

2 貨運飛船總體設計

通過載人航天工程第一步和第二步一階段的實施,中國已初步建成功能完備的神舟飛船天地往返運輸系統,能滿足近地載人航天任務需求。為適應中國空間站階段物資運輸以及推進劑在軌補加需求,需建造空間物資運輸專用系統——貨運飛船。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等四大任務功能。

2.1 型譜規劃

貨運飛船采用模塊化、通用化、組合化設計方案,形成了全密封、半開放、全開放貨運飛船型譜(圖1),解決了未來空間站艙內、艙外貨物特別是大型貨物上行的難題,研制出具有中國特色的國際首型多功能貨運飛船[15]。

圖1 天舟貨運飛船型譜Fig.1 Three configurations of TZ cargo spaceship

按照工程總體飛行任務規劃,空間站關鍵技術驗證及建造階段將發射TZ-2 至TZ-5,共4 艘貨運飛船,均為全密封狀態。

空間站運營期間,適時研制半開放、全開放貨運飛船,大型試驗載荷支持能力將得以大幅提升。本文主要介紹全密封貨運飛船的空間試驗平臺設計。

2.2 基本構型

貨運飛船為兩艙構型,由貨物艙和推進艙組成。貨物艙前錐段及柱段為密封段,后錐段為非密封段。推進艙為柱狀構形的非密封金屬結構。

整船長10.65 m,艙體最大直徑為Φ3.35 m,最大起飛重量為13.5 t,最大貨物上行能力為7 t,推進劑補加能力2.5 t,如圖2 所示。

圖2 貨運飛船構型Fig.2 Configuration of the Tianzhou cargo spaceship

1)貨物艙。如圖3 所示,貨物艙由前錐段、柱段、后錐段組成。貨物艙柱段是整船直徑最大的區域,其最大外徑為Φ3.35 m,長為4 m。前錐段、柱段為整體焊接的金屬壁板結構。

圖3 貨物艙構型Fig.3 Configuration of pressurized cargo cabin

2)推進艙。推進艙為能源和動力艙,主要布置太陽電池翼、電池組等能源系統設備,貯箱、氣瓶等推進補加設備和發動機組。推進艙為柱狀構形的非密封金屬結構,外徑為Φ2.776 m,高度為3.2 m,如圖4 所示。推進艙后端框通過包帶與運載火箭連接。

圖4 推進艙構型Fig.4 Configuration of the propulsion module

2.3 通信

以天基測控通信為主,上升段、交會對接段和末期離軌段等關鍵時段配以陸基測控支持。天地跟蹤測軌采用USB 鏈路、窄波束中繼S 鏈路、BDGPS 導航鏈路。交會對接自主導航定位利用BD、GPS 和GLONASS 星座信號實現。

天基測控通信利用中繼衛星系統,通過中繼終端實現,配置S/Ka 雙頻段中繼終端,同時設計了寬波束中繼S 終端作為備份手段,提高入軌初期測控覆蓋率以及對姿態變化較大或故障情況下的測控適應能力。陸基測控通信采用USB 測控體制,通過S 波段應答機和S 波段數傳機實現。采用天地一體化網絡通信系統實現高速數據(包括圖像、試驗數據等)下行[18]。

2.4 姿軌控

針對短期自主飛行、長期停靠的需求,采用純噴氣姿軌控模式。使用光纖和二浮陀螺、星敏、紅外地敏多種測量方式完成飛行姿態確定。共配置32 臺姿控和4 臺490 N 軌控發動機,提供交會對接平移和姿態控制沖量,具備了對上行物資動態調配引起的質心3.2～5.7 m 大范圍適應能力。

3 試驗平臺設計

3.1 試驗平臺優勢

天舟貨運飛船除空間物資運輸主任務之外,可為試驗載荷提供基本的機械安裝、供電和信息接口支持。完成貨運任務撤離空間站至再入銷毀,可獨立飛行3 個月,期間利用平臺剩余資源支持開展各類技術試驗,具有如下優勢:

1)頻度高。空間站階段,天舟貨運飛船將以每年1～2 艘的頻度執行補給任務。

2)成本低。天舟貨運飛船起飛重量為13.5 t,單次任務可以運送7 t 貨物,每次任務可余出300 kg 左右重量,用于上行試驗載荷。平臺推進劑消耗考慮了極端工況以及故障應急,任務末期往往超過200 kg 剩余,再入前可以充分利用此部分推進劑開展技術試驗。試驗搭載任務均使用平臺剩余上行重量和富余推進劑,不影響貨運主任務,且在火箭運載能力范圍內。

3)平臺能力強。天舟貨運飛船是僅次于空間站的大型航天器。作為交會對接跟蹤飛行器,具有精確自主測定軌以及軌道機動能力;平臺100 V 高壓能源體系、中繼高速天地通信系統可以滿足大部分試驗項目需求[18-20];直徑3.35 m 艙體具備較大型載荷裝載能力;充分利用推進劑的情況下,可以為試驗任務留軌6 個月以上,達到分階段充分試驗的目的。

4)任務適應性好。任務末期,天舟貨運飛船脫離空間站后,可以根據試驗需要與空間站編隊飛行,相互配合;也可以撤至不同軌道高度,拉大相位差,避免試驗對空間站運行產生影響。可以釋放微納星、機動飛行器,充當地基/空基定向能武器試驗靶標;作為通信節點開展激光通信試驗;植入先進控制算法進行軌道機動和再入控制。

3.2 試驗支持方向

天舟貨運飛船通過充分發掘自身資源應用潛力,雖然不是專用的空間試驗航天器,仍然可以支持諸多領域的在軌試驗,主要包括:

1)空間科學和技術試驗。天舟平臺密封貨物艙內可以開展微重力流體物理與熱物理、微重力燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、空間元器件等方面科學和技術試驗。

2)在軌探測和觀測試驗。天舟平臺貨物艙艙外可以搭載對地、對天觀測試驗裝置,并且可以開展90～500 km 軌道高度各類空間環境探測。

3)關鍵技術在軌驗證。航天器關鍵的探測、通信、控制設備設計定型前,可以在天舟平臺上搭載飛行,在軌驗證關鍵技術、考核性能指標、發現薄弱環節,降低定型產品研制風險。

4)微納衛星群部署。支持1 U～100 kg 微納衛星釋放部署,一次任務可釋放多達50 顆以上。微小衛星可以在釋放后獨立完成預定試驗任務,也可在天舟平臺的配合和支持下開展工作。

5)先進控制算法驗證。天舟平臺主控制計算機采用可重構設計,支持在軌注入和更新,為先進控制算法在軌驗證提供了條件。平臺可以通過自主精確測定軌驗證算法的合理性,為算法改進提供數據支撐,且具備分階段、多輪次試驗的優勢。

3.3 試驗支持設計

3.3.1 載荷安裝設計

天舟貨運飛船充分挖掘貨物艙艙內、艙外各類空間資源,為載荷提供安裝位置。相比于天鵝座,天舟貨運飛船載荷安裝位置類型更多、區域更大。

1)貨物艙內部。采用貨架作為貨物裝載支撐結構,貨架由鋁蜂窩板結構的儀器板和立板組成,高度約為4 m,結構形式如圖5 所示。儀器板共5 層,通過螺釘安裝在艙體框架上,形成4 層物資安裝空間,儀器板兩層之間使用立板連接支撐。

圖5 貨架結構示意圖Fig.5 Shelf structure inside cargo cabin

每個貨格的水平儀器板上均預留了螺釘孔,作為載荷設備安裝標準接口,可以安裝包絡尺寸不超過500 mm×650 mm×700 mm,重量不超過50 kg 的載荷設備。對于超包絡的特殊載荷設備,可以通過拆除立板的方式擴大安裝空間。

2)貨物艙柱段外側。外柱段I 象限和III 象限部分區域可用于載荷安裝,單個試驗載荷設備重量不超過10 kg,設備高度不大于100 mm。分布區域如圖6 所示。

圖6 貨物密封艙外柱段載荷安裝區域示意圖(紅色部分)Fig.6 Potential rideshare mounting location on column section of cargo cabin(Red part)

3)后錐段艙內/外壁。后錐段艙內壁、外壁桁架設計16 個460 mm×460 mm 的試驗載荷安裝平臺,用于試驗載荷設備安裝,即圖7 中的紅色區域。每個平臺可安裝重量不超過20 kg,高度不超過300 mm 的載荷設備。

圖7 貨物艙后錐段載荷安裝區域示意圖(紅色部分)Fig.7 Potential rideshare mounting location on rear cone of cargo cabin(Red part)

3.3.2 供電信息支持設計

貨運飛船目前配置了載荷管理單元、載荷配電單元和以太網交換機為核心的試驗支持公用平臺(圖8)[21-22],設計了標準化、網絡化、即插即用供電信息接口,實現搭載載荷支持接口通用、簡捷實施、動態管理。平臺為試驗載荷提供的供電、信息接口以及上下行信息支持設計如下:

圖8 天舟貨運飛船試驗公用平臺Fig.8 Common test platform of TZ cargo spaceship

1)供電接口設計。載荷供電單元配置10 路可控100 V 供電輸出,單路最大電流5 A,總輸出功率不大于1000 W。

2)信息接口設計。管理單元為載荷統一提供1553B 總線、遙測、指令等信息支持,以太網交換機為貨物提供高速數據下行支持。①管理單元作為BC 對專用1553B 總線進行管理,載荷作為RT 接入總線,能夠支持10 個RT;②管理單元提供68 路模擬量采集通道,采樣周期為500 ms;③管理單元提供12 路開關指令,驅動能力不大于300 mA,用于對貨物進行控制;④以太網交換機可提供10 路百兆以太網接口,用于貨物傳輸遙測數據和試驗數據。

3)上行信息傳輸支持。貨運飛船獨立飛行期間,試驗載荷可以通過USB、中繼S、中繼Ka 信道上行注入數據,最大速率不超過2 Mbps。貨運飛船組合體飛行期間處于停靠模式時,可通過對接總線接收對接目標轉發的注入數據,每次注入數據有效長度不超過192 字節。

4)下行信息傳輸支持。貨運飛船獨立飛行期間,可以通過數傳和中繼Ka 鏈路下行模擬量和數字量遙測。通過中繼Ka 鏈路下行貨物以太網遙測和試驗數據,最大下行速率為100 Mbps。組合體期間,通過空間站代傳下行試驗數據。

3.3.3 軌道機動設計

貨運主任務完成,貨運飛船可以根據試驗需求,利用剩余推進劑開展軌道機動,與空間站形成一定的相位差,達到指定的試驗軌位。任務末期再入銷毀過程中,可以開展亞軌道飛行。飛行試驗軌道高度能力范圍為120～500 km。

3.3.4 低溫樣本運輸支持設計

低溫鎖柜用于低溫試驗樣本的裝載運輸,可在火箭臨射前進行裝載。柜體構型為立方體,帶有前后開門,按照制冷范圍分為0 ℃(25 L)和-20 ℃(5 L)兩種規格,外形結構如圖9 所示。低溫鎖柜后門用于臨射前通過火箭整流罩和貨運飛船側操作口往低溫鎖柜中裝載樣本,航天員在軌通過前門取出試驗樣本。

圖9 低溫鎖柜外形圖Fig.9 Outside view of the space refrigerator

4 搭載流程及接口認證設計

為了充分利用天舟貨運飛船平臺試驗支持能力,提升任務綜合效益,載人航天工程辦公室廣泛征集可在天舟貨運飛船平臺上搭載的各類試驗項目。為此,貨運飛船發布了通用接口要求,建立了與搭載方聯合設計的全新模式,設計了等效認證測試平臺,簡化搭載項目實施流程,縮短研制周期。

4.1 載荷搭載實施流程

試驗載荷搭載遵循以下流程:

1)載荷方首先根據貨運飛船通用接口要求進行可行性論證,具備初步可行性后,向載人航天工程辦公室提交試驗方案;

2)載人航天工程辦公室審查認可后,組織貨運飛船系統以及其他相關系統進行接口匹配性詳細確認和方案設計評審;

3)接口匹配性確認和方案設計評審通過后,載荷方按要求向載人航天工程辦公室履行立項申報手續;

4)載荷方開展試驗載荷研制,如接口發生變化,則與貨運飛船系統進行設計迭代。必要時,貨運飛船系統可以與載荷方進行聯合設計,消除設計障礙;

5)試驗載荷完成研制后,通過認證測試即可上船搭載。對于力、熱特別敏感的設備可以隨整船進行系統級力熱試驗。

4.2 通用接口設計

貨運飛船系統發布通用標準接口要求,規定了機械、供電、信息等方面詳細要求(圖10),作為試驗載荷設計的依據,便于試驗載荷方開展搭載接口設計,降低接口不匹配和研制反復的風險。

圖10 貨運飛船通用標準接口要求的主要內容Fig.10 The main contents of general standard interface requirements for space experiments

4.3 聯合設計與保障

部分試驗項目意義重大,且實施技術難度大,難以獨立完成,鑒于部分載荷方沒有在軌飛行試驗項目研制經驗,因此,貨運飛船系統提出了與搭載方聯合完成試驗項目方案設計的全新方式,充分發揮總體設計優勢和航天器研制經驗,可以應載荷方要求介入方案設計,設計在軌試驗場景,優化接口狀態,推動試驗項目順利實施,幫助載荷方更快更好地實現試驗目標。

4.4 等效認證平臺

貨運飛船平臺與試驗項目研制進度往往不能匹配,載荷設備難以采用平臺設備一樣的測試、試驗模式。為實現貨運飛船平臺與試驗項目研制解耦,以通用接口要求為基礎,圍繞管理單元、配電單元和以太網交換機為核心建立等效認證平臺。試驗載荷在等效認證平臺通過接口測試,即表明機械、供電、信息等主要接口設計狀態滿足要求,具備上船搭載開展飛行試驗的條件。等效認證平臺的建立,提高了貨運飛船平臺試驗搭載的適應能力,以及試驗項目研制的靈活性。

5 試驗平臺應用情況

2017年4月20日,TZ-1 貨運飛船發射,在軌開展了非牛頓引力實驗檢驗關鍵技術驗證、主動隔振關鍵技術驗證、微重力對細胞增殖和分化影響研究、兩相系統實驗平臺關鍵技術研究、空間環境監測與控制試驗等13 項試驗[23-26],于2017年8月22日釋放了一顆3 U 立方星。2021年9月20日,TZ-3 貨運飛船發射,在軌開展激光視覺交會測量敏感器和空間碎片探測載荷2 項試驗。圖11～圖13 為部分載荷實際安裝照片。

圖11 立方星部署發射器Fig.11 CubeSat emitter on TZ-1

圖12 空間碎片探測載荷Fig.12 Test equipment for space debris detection

圖13 艙內貨架安裝的試驗載荷Fig.13 Test equipments installed in the cabin

TZ-1 和TZ-3 貨運飛船以分時工作、分時下傳數據的模式進行載荷試驗,全面滿足了載荷在軌試驗時長、時機、能源、信息傳輸、微重力環境、空間環境等多維度需求。圖14 為TZ-1 貨運飛船在軌釋放立方星的影像,圖15 為發動機羽流監測裝置獲取的貨物艙反推發動機羽流溫度場[24]。15 項試驗均達到了預期的試驗目的,實現一次任務多方受益。

圖14 天舟一號在軌釋放立方星Fig.14 CubeSat released by TZ-1 in orbit

圖15 發動機羽流溫度場Fig.15 Temperature field of engine plume

6 結論

天舟貨運飛船系統充分挖掘自身資源,發展出頻度高、成本低、能力強且適應性好的空間試驗平臺;以開放的姿態,完成了標準接口和等效認證模式設計,減小了載荷設備研制風險,簡化了搭載實施流程,加快了在軌試驗進程。對于意義重大、技術和實施難度大的項目,貨運飛船系統可以采用聯合設計模式,深入試驗方案設計,促成項目落地,更好地發揮載人航天工程綜合效益,促進科學技術創新研究。