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天舟一号首踏太空送货路

来源:综合 作者:太空谈索
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原标题:天舟一号首踏太空送货路

  天舟一号首踏太空送货路

  本刊特约记者 崔恩慧

  (原载《太空谈索》杂志2017年第5期)

  立项于2011年的天舟系列货运飞船,作为我国载人空间站工程的重要组成部分,由于担负着为空间站(空间实验室)运输货物和推进剂等物资的重任,被外界亲切地称为太空“快递小哥”。

  攒了6年的力气,4月20日晚,我国首位太空“快递小哥”天舟一号顾不得夜路漫漫,由长征七号运载火箭发射升空,踏上其太空送货之旅。

  一路上,天舟一号怀揣设计师们赋予它的诸多“绝技”,奔向等待它多时的天宫二号空间实验室,出色应对着“快递”首单中的种种挑战。

  身强力壮载货多 运输过程非暴力

  从外观上看,“快递小哥”天舟一号的“长相”与早已亮相的天宫一号目标飞行器和天宫二号空间实验室十分相似。只是10.6米的身高、3.35米的体宽,以及最大装载状态下13.5吨的总体重,使其身形更显魁梧敦实。

  衡量货运飞船技术是否先进的一个主要指标为载货比。所谓“载货比”是指货物重量占整个飞船总重量的比例。载货比数值越高,货运飞船运载效率越高。

  作为我国目前体积最大、重量最重的航天器,“快递小哥”天舟一号是位“大肚能容”的“大力士”,可发送6吨多货物至空间实验室。这一重量几近于其自身体重。

  “天舟系列货运飞船的运载能力是根据空间站的规模来设计的。天舟一号的载货比能达到0.48。”天舟一号货运飞船总设计师白明生介绍。

  即使与俄罗斯的“进步”号、美国的“天鹅座”等世界先进现役货运飞船相比,天舟一号的物资上行能力也毫不逊色。目前,只有俄罗斯货运飞船的载货比超过0.4,我国货运飞船接近0.5的载货比可谓在国际上遥遥领先。

  “我们的货运飞船不仅是多功能、多用途的货物运输平台,还是空间载荷的应用平台,在补加、绕飞、快速对接、遥操作等很多技术方面都达到国际先进水平。可以说,天舟一号是能最大程度满足需求又规模适中的‘快递小哥’。”五院载人航天总体部研究室主任黄震说。

  为了让天舟一号能“快递”更多物资,五院研制团队在其体内设置了高效承载货架。货架采用基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构,形成大量标准装货单元,传力效果好,结构与货物重量比却仅为8%。

  喜欢挑战的设计团队在探索货架承载极限的过程中,还精心设计了一种大承载轻量化预埋结构。测试结果表明,3个预埋结构就能承载起1台豪华轿车。

  精打细算的“快递小哥”知道,运送1千克货物到太空,成本少则几万美元,多则几十万美元。上天前,天舟一号“私人减肥教练”——五院529厂的研制人员对其进行了全面检查,且量身制定了健身方案。经过严格训练,“快递小哥”的体重降下来了,体格却更精瘦结实,能为“客户”运送更多货物。

  快递行业的“暴力运输”在天舟一号这里是绝对行不通的。货运飞船要运送的物资包括许多精密仪器设备和航天员用品,金贵得很。它们在发射段受力大,很容易发生磕碰。

  货运飞船的结构设计师们将其携带的敏感电子器件、机械硬件系统以及其他生活物资先包裹在泡沫或气囊袋里,再装入特别设计的货包,然后将其固定于货架之上。这样的“软包装”为装载对象提供了高度隔离和减震的载荷环境。“快递小哥”得以将快件完好地交到“客户”手中。

  自控绕飞“耍花样” 对接只需6小时

  金风玉露一相逢,便胜却人间无数。“快递小哥”天舟一号和我国首个空间实验室天宫二号的“初吻”在其入轨两天后发生。对于它的出现,天宫二号已经在太空翘首期盼了半年多时间。

  神舟飞船和天宫飞行器都是8吨级的航天器,二者的交会对接已经是高难度动作。13吨级的“大块头”天舟一号以子弹飞行速度的8倍在轨飞行,要尽量温柔地“拥抱”同样高速飞行的天宫二号,难度可想而知。而未来空间站建设中更将涉及8吨~180吨航天器各种方式的交会对接,要满足这些“重量级”要求,升级对接机构成为必然选择。

  “如果把神舟八号对接机构作为第一代产品,那么天舟一号对接机构可称为第二代产品。”八院载人飞船系统副总设计师张崇峰说,设计团队在第二代对接机构上增加了用于缓冲撞击能量的可控阻尼器,既不影响其原捕获性能,又实现了对接机构捕获后的大吨位耗能需求。

  组合体在轨飞行2个月的时间里,有几个小时非同寻常。期间,组合体飞行的“控制权”会从天宫二号完全交由“快递小哥”。“快递小哥”将对天宫二号做“推一把”的动作,以检验其控制能力。这里的“控制”,既包括轨道提升,也意味着姿态控制。组合体尺寸和重量的增大,以及质心位置的变化,使得对其控制难度加大,控制程序也要重新设计。

  “以后当空间站出现紧急情况时,‘快递小哥’要接替‘控制’角色,对组合体进行‘治病’或‘协助’。”五院货运飞船GNC分系统主任设计师刘宗玉说。

  之后,天舟一号将暂时撤离天宫二号。伴随着空间实验室180度转向,“快递小哥”从下方绕至其前方,与天宫二号进行第二次“前向”合体。

  未来,待我国空间站建成,每当有飞船造访进行交会对接时,百吨级的空间站难以为迎合飞船而进行大幅度调整姿态。五院502所科研人员专门为飞船自动寻找空间站对接口发展了全自主绕飞技术。

  两个庞然大物在太空边高速飞行边协同“起舞”,最大的风险就是碰撞。这要求两者的轨迹和姿态必须精准受控。除了避免碰撞,“快递小哥”要完全靠自己规划出最优绕飞轨迹,完成在特定位置的变轨控制,以在预定时间点到达预定位置,从而消耗尽量少的燃料。

  不仅如此,“快递小哥”还要“操心”目标飞行器的状态,对其进行协同控制,使其相对位置、相对速度、相对姿态、相对角速度等要素“一切刚刚好”。

  完成绕飞试验后,天舟一号将与天宫二号再次分离,各自独立飞行3个月。这期间,天舟一号的主要任务是完成搭载的空间科学试验。之后,按照计划,天舟一号将第三次实现与天宫二号的交会对接,这在我国载人航天史上也是第一次。

  在天舟一号之前,我国掌握的交会对接技术需要耗时两天左右的时间。天舟一号的第三次交会对接仅用约6小时完成,是一次名副其实的快速交会对接。

  “这跟我们从北京乘高铁到上海的时间差不多。”五院502所货运飞船副总设计师张强憧憬道,“空间站建成后,我们和航天员同时从北京出发,等到我们下火车的时候,航天员已经可以在遥远的空间站里跟我们打招呼了。”

  从上世纪60年代至今,人类已经进行了上百次交会对接活动。目前,2~3天交会对接策略是地面向国际空间站运送航天员的主要方式,神舟飞船、联盟飞船、航天飞机以及国际空间站均采用此种方式。但自2012年起,俄罗斯分别采用进步号货运飞船和联盟号载人飞船与国际空间站成功实施了7次快速交会对接试验,该方式逐渐成为国际航天器交会对接方式中的“新时尚”。

  在与天宫二号的快速合体过程中,天舟一号以自主制导和控制为主。“快递小哥”就像无人驾驶汽车,无需地面干预,可以完全自主地处理飞行路线规划、转向、加减速等复杂问题,极大地节省了交会对接时间,也减轻了地面人员压力。

  快速交会对接的实现,提高了飞行器在轨飞行的可靠性,减少交会对接过程中产生的资源消耗。航天员在飞船狭小空间中的滞留时间大幅缩短,提高了载人太空之旅的舒适性。有时候,“快递小哥”也要把一些生物制剂等无法经历长期运输的货品“加急”送达空间站,这对某些科学试验无疑是至关重要的。

  “更重要的是,未来空间站等航天器一旦突发紧急情况,快速交会对接可以及时对故障实施抢修与紧急救援工作,从而保障空间站安全运营。”黄震说。

  天舟一号还是个乐于奉献的“快递小哥”——不仅管送货、能“加油”,在整个飞行任务结束后,还负责将空间站垃圾带回大气层烧毁。

  相较于一般航天器在完成使命后,漂浮于原来轨道直至推进剂耗尽的终结方式,“快递小哥”首次采取主动离轨方式,受控陨落于南太平洋指定区域。具有“牺牲”精神的“快递小哥”不仅避免自身成为太空垃圾,也减少了离轨过程中的不可控因素。

  “货运飞船从设计之初就考虑到这些因素。这也体现了中国作为航天大国,对打造洁净、安全的太空环境负责任的态度。”白明生说。

  “太空加油”高精准、不泄漏

  就像汽车在地面行驶需要加油一样,“太空加油”对于未来我国空间站长期在轨是最关键的技术之一。除了送货,此次“快递小哥”天舟一号太空之行的最重要使命,就是实施我国首次推进剂在轨补加,为我国空间站建造和长期运营扫清能源供给方面的技术障碍。

  在此之前,掌握在轨推进剂补加技术的国家只有俄罗斯和美国,而只有俄罗斯实现了在轨加注应用。与此同时,欧洲、加拿大、日本等也在该领域加紧了研究探索的步伐。

  10年前,有外国同行表示可以为中国提供技术合作,但提出“补加技术中国人搞不出来,你们的货运飞船必须配套我们的系统”。倔强的中国航天人却坚持“太空加油技术一定要在自己手中实现”,用10年时间攻克了一系列关键技术。

  天舟一号由货物舱和推进舱两个舱段组成。推进剂补加要靠推进舱来完成。“我们设计的推进舱可装载2.4吨~3.5吨推进剂,最高装载量是天宫二号携带推进剂重量的2.5倍。”八院货运飞船系统副总指挥顾侧峰介绍。

  整个飞行任务中,“快递小哥”将为天宫二号进行3 次燃料补充。在复杂的太空环境下,这样的行为并不容易实现。

  “太空加油”过程中,最怕出现推进剂泄露。想要“ 快递小哥”把“ 加油枪”准确无误地插入“ 加油口”,两个航天器的对接机构得衔接得严丝合缝。之前天宫与神舟的交会对接被媒体比喻为“在茫茫太空中穿针引线”,此次“快递小哥”身兼液体补加任务,对接精度更是提高一倍。

  这样的要求起初也让八院对接机构主任设计师邱华勇所在的研制团队“着实苦恼了一阵”,但“没被吓倒”。他们小心谨慎地在已经生产好的上天产品上增加了4个液路浮动断接器及若干补加管路的安装接口。作为连接通道,断接器是可浮动的,借此消除两个高速飞行航天器对接机构对接时的偏差影响。

  “‘太空加油’得以实施的一个前提条件是,受加注方空间站或空间实验室要具备可重复接受加注的能力。”六院801所副所长魏青说。

  六院科研人员为天宫二号配备了国内最大的金属膜盒贮箱,内有管理装置,实现箱内的气液分离。贮箱可像手风琴风箱一样推拉往复运动,这样的补加装置能接受上百次加注。

  “太空之吻”实现后,天宫二号贮箱内的气压由压气机调低,两个航天器燃料贮箱间形成压差,液体推进剂从压力高处向低处流动,实现天舟一号对天宫二号的加注。

  每次补加结束后,为保持管路清洁以便后续多次补加,“ 快递小哥”需在太空真空环境下,对补加管路里残留的推进剂进行“吹除”,并且在此过程中不能污染飞行器表面。这项技术在国内也是首创。

  目前,国内空间飞行器只含有单一的推进系统,为飞行提供动力,货运飞船除此之外还有在轨补加系统。研制团队对天舟一号的推进和补加系统进行了一体化设计。

  “我们将两个系统连接起来,在不影响各自独立功能的前提下,补加系统的推进剂可以供应推进系统的发动机工作,而推进系统的推进剂也可以用于补加,从此一来,实现了推进剂的最大化利用。”魏青说,当其中一个系统出现故障,可以通过隔离及切换,确保推进和补加功能均可顺利完成。

  不光要“对得上”,还要能“分得开”。“就好像笔杆和笔帽的关系,笔帽卡太紧,有可能拔不下来。”邱华勇顺手拿起桌上的钢笔演示着。“万一出现这种状况,对接机构的分离推杆力能克服故障状态下的力,使航天器正常分离。”一直从事天宫二号对接机构研制工作的副主任设计师丁立超说。

  对于补加过程中可能发生的泄漏,科研人员早已准备好了预案。而在“快递小哥”全身上下,他们也极尽所能地设置了各种故障发生时的“PLAN B”。“我们团队投入大量精力和时间,针对飞船的500 多种故障模式提出预案,以保证任务的万无一失。”白明生说。

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