夜晚的滨海发射场,海风轻拂。乳白色的长征七号遥二火箭,在聚光灯的照射下,分外耀眼。

  19时41分,随着“点火”口令的发出,发射场响起地动山摇般的轰鸣声,拖曳着白色尾焰的长征七号火箭冲天而上。

  约596秒后,飞船准确入轨。天舟一号发射场区指挥部指挥长张学宇宣布发射成功。

  此时,在太空已巡游7个多月、绕行地球3396圈的天宫二号正在期待“快递”的到来——由于天舟一号只送货不送人,因此获得了一个恰如其分的绰号:“太空快递小哥”。

  天舟一号的设计寿命不少于5个月,其中,组合体计划飞行2个月,天舟一号独立运行不少于3个月。为了避免成为太空垃圾,在轨任务结束后,天舟一号将携带空间废弃物带回大气层,并受控至南太平洋预定安全海域上空陨落。

  这次任务是我国载人航天工程“三步走”发展战略第二步的收官之作,标志着我国即将开启空间站时代。货运飞船于2011年立项,由中国航天科技集团公司五院载人航天总体部负责抓总研制,主要任务是为空间站(或空间实验室)上行运输和在轨存储、补给物资;为空间站(空间实验室)存储和下行废弃物资并受控陨落于预定区域;配合空间站(或空间实验室)进行组合体轨道和姿态控制;支持开展适应货运飞船能力的空间应用和技术试验。

  货运飞船由结构与机构、GNC、测控与通信、数管、电源、仪表与照明、推进、对接机构、热控、环控、货运保障、空间技术试验和总体电路13个分系统组成。

  2013年,货运飞船被正式命名为“天舟”。天舟一号的4大任务目标是:与空间实验室配合,验证推进剂在轨补加技术;全面考核货运飞船功能和性能;在空间实验室配合下,开展货运飞船控制组合体、绕飞至前向交会对接、快速交会对接等试验;支持开展空间应用及技术试(实)验。

  中国计划在2022年前后建成空间站,其初步规模包括一个核心舱和两个实验舱,如果想保持航天员长期在轨飞行,货运飞船是必可不少的。

  载荷6.5吨超美俄现役飞船

  天舟一号是我国目前为止体积最大、重量最重的载人航天器,采用两舱式结构,由货物舱和推进舱组成,其中货物舱安装货物、设备,推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂,最大直径达到3.35米,飞船全长10.6米,载荷能力达到了6.5吨,满载货物时重13.5吨。如果此次满载的话,它很可能将成为中国发射进入太空的质量最大的有效载荷,比天宫二号空间实验室还大。后者全长10.4米,直径同为3.35米,质量为8.6吨。

  4月18日美国发射的天鹅座飞船运载能力为2.7吨,美国的龙飞船运送载荷最大质量6吨,返回载荷最大质量3吨。

  苏联进步号货运飞船货舱容积为6.6立方米,运载能力为2.6吨。

  欧洲的货运飞船叫“自动转移飞行器”,重量约10吨,运货能力可达7吨,是迄今运载能力最大的货运飞船,从2008年起到2014年共发射了5次,但目前已经停止建造。

  发射时间误差控制在1秒内

  作为天舟一号的不二座驾,长征七号火箭功不可没。火箭总长53.1米,芯级直径3.35米,捆绑4个2.25米助推器,起飞重量597吨,运载能力将达到近地轨道13.5吨、太阳同步轨道5.5吨。是满足载人空间站工程、发射货运飞船的需求而研制的新一代高可靠、高安全的中型液体运载火箭,采用“两级半”构型,达到国外同类火箭先进水平。

  火箭采用“新三垂”测发模式,缩短了在发射场发射阵地的工作时间,全箭体采用防水设计,满足中雨发射条件,增强了运载火箭对海南发射场的适应性。

  本次发射要求火箭“零”窗口发射才能准确进入天宫二号运行的轨道面,所谓“零窗口”,就是要求发射误差在1秒钟以内。为此,技术人员开展了故障预案的再梳理,针对射前关键环节分析可靠性保障措施,并制定了相关的预案,确保发射前出现故障有预案,能够保障流程的顺利执行;开展了推迟发射的适应性及入轨精度分析,提升了任务的适应性。

  终于,火箭实现零窗口发射,准时点火升空,确保了天舟一号准时准点入轨。

  天舟一号货运飞船发射圆满成功 将与天宫二号先后进行3次交会对接

  据新华社 4月20日19时41分,搭载着天舟一号货运飞船的长征七号遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火发射,约596秒后,飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。

  这是天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的首次飞行试验。飞船入轨后,将按预定程序与在轨运行的天宫二号先后进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接,3次推进剂在轨补加以及空间应用和航天技术等领域的多项实(试)验。其间,天舟一号与天宫二号组合体在轨飞行约2个月,天舟一号独立飞行约3个月。完成既定任务后,天舟一号将受控离轨,陨落至预定安全海域;天宫二号留轨继续开展拓展试验和应用。

  目前,天宫二号运行在距地面393公里的近圆对接轨道,设备工作正常,运行状态良好,满足交会对接任务要求。

  长征七号遥二运载火箭与之前执行首飞任务的长征七号遥一运载火箭技术状态基本一致,为满足发射货运飞船要求,进行了部分技术状态更改,进一步提高了安全性与可靠性。这是长征系列运载火箭的第247次飞行。

  作为将承担中国空间站建设的重要任务并被寄予厚望的货运飞船,天舟一号必须保证出色地完成任务。目前来看,这单太空“快递”并不轻松,大量载荷、推进剂在轨补加、全自主绕飞等技术都十分具有挑战性。

  不过,没有金刚钻,天舟一号也不揽这瓷器活。本报记者将为您逐一解密这位太空“快递小哥”的独门绝技。

  突破7项关键技术

  天舟一号货运飞船上,共配有25N、120N、150N、490N发动机四种不同推力量级的36台发动机,他们通过默契的配合,力保天舟一号货运飞船在轨飞行速度是子弹飞行速度8倍的情况下,能够实现“俯仰有度,动静自如”。

  作为飞船的动力源泉,每一台发动机的工作精确与否,都关系着整船的飞行任务能否顺利完成,因此必须确保发动机具有100%的工作可靠性。“天舟一号”的运载量大,要求发动机工作时间和工作次数成倍的增加,也就意味着发动机可靠工作的裕度下降。如何在较短的研制周期内,大幅提高各发动机的工作可靠性是极为重要的。

  经过充分论证比较,中国航天科技集团第六研究院研制团队决定对25N、120N、150N发动机的技术状态进行适应性改进设计,在不改变性能的前提下,降低发动机工作温度,这是一个“牵一发而动全身”的改动。由于发动机工作涉及雾化、燃烧等复杂的物理化学过程,是一个世界性的难题,不仅需要理论分析和仿真计算,还需要大量的试验验证。在研制团队坚持不懈的努力下,“天舟一号”各级系统均采纳了发动机的改进方案,满足了型号总体提出的技术要求。

  为实现“天舟一号”更优的工作性能,研制团队还提出了采用高性能的第二代490N发动机。他们历经10年时间,突破7项关键技术,实现了490N发动机的更新换代。第二代490N发动机在“天舟一号”飞船上使用,不仅工作次数提高了10倍之多,而且密封性能更高。

  不断挑战承载极限

  外观上看天舟一号货运飞船的构造类似于天宫一号,都是由大直径的货物舱和小直径的推进舱组成,货物舱用于装载货物,推进舱为整个飞船提供电力和动力及装载补加推进剂,但是这只是表象,其实天舟一号内部有大玄机:作为装载航天员快递的大力士,天舟一号运载能力超过6吨,接近天宫一号有效载荷的2倍,高于俄罗斯研制的进步号M型和美国的天鹅座飞船扩展型。以公开数字为准,天舟一号的载货比同样高于日本和欧洲的货运飞船。打铁还需自身硬,天舟一号高效承载实际上离不开它自身的不断锤炼精进。

  首先,它需要把自己锻炼得更加强硬。对于天舟一号实现的大承载,内部采用的高效承载货架设计功不可没。表面上看,这货架和普通的书架类似,但其细节和构型都是经过多轮分析讨论的结果,货架采用一种基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构,形成大量的标准装货单元,传力效果好,结构与货物重量比达到8%。

  同时,采用适用于蜂窝板的预埋封边梁方法,巧妙地消除蜂窝板结构锐边,既避免划伤人手,又解决了边缘薄弱、易破坏的问题。为了不断挑战承载极限,设计师还精心设计了一种大承载轻量化预埋结构,既能适应传统刚性结构安装,又能适应柔性束缚带的连接承载,经过测试,三个这种预埋结构就可以承载一台豪华轿车。

  此外,大承载货架结构与密封舱主结构的连接环节也是结构设计一大亮点,碳纤维结合铝合金的设计,避免了在轨环境下内压载荷对结构造成的破坏。这一项项先进、便利的技术成就了高效承载的货架结构,保证天舟一号稳固地运送货物。

  精准去除部分“赘肉”

  在这些货物中,除了维持天宫二号运行的各种补给(包括推进剂)外,还有大量太空实验设备和载荷。由于运载火箭的运载能力是固定的,如果要运送更多的货物,就必须在保证飞船良好性能的同时,尽量减少飞船“自重”,强壮的天舟一号如果要提升运载能力,瘦身同样重要。

  天舟一号的身上是一个个连接框。“为了使各部分牢固连接,连接框一般都很厚实。”天舟一号货运飞船主任设计师王为介绍,科研人员经过多次试验验证,通过数控加工仿真技术,将连接框设计成镂空形式,将非受力部分的“赘肉”精准去除,只保留结构受力部分,相当于为天舟一号进行了“抽脂”,保证连接框在足够结实的前提下重量减少50%左右。

  天舟一号的外部是一种壁板结构,虽然设计厚度仅为3毫米左右,但在科研人员看来仍有“减脂”的余地。由于壁板面积很大,即使只去除A4纸那样薄薄的一层,整舱的重量也会下降不少。“在不影响飞船性能的前提下,我们通过严格控制加工温度、切削速度等参数,将壁板变薄,使天舟一号的自重减轻了30公斤。”王为告诉记者,省下的这些重量,又可以多运送好几台设备。

  瘦身成功,而且拥有强健体魄的天舟一号,还需要做的就是更加温柔。“天舟一号块头虽大,却有一颗细腻的‘心’。”中国航天科技集团第五研究院载人航天总体部载人航天器总体研究室副主任张健说,飞船内壁四周全部设置为货架,中间留出一条矩形通道供航天员通行,航天员身处货架通道中,可以随意走动、转身、取放货物。

  此外,由于天舟一号要运送的物资中有许多精密的仪器设备和宇航员用品,发射段受力又大,生怕磕碰,因此只用高强度的货架可不行,对于敏感的电子器件、机械硬件系统以及其它生活物资等通常采用“软包装”或类似方法来实现装载、运送。这种“软包装”与传统的硬连接不同,它是包裹在泡沫或气囊袋里面,再一起固定在货架上,而不是直接与运载工具的内部货架结构相连接。为了确定货物绑扎方式,结构和总装的人员在试验现场一待就是3个月,终于确定了绑扎方式和内部泡沫的设计。

  首次验证天基测控

  以往,我们对航天器的跟踪、测控以及在轨异常的及时监测处置,主要依赖陆基测控站和海基测量船。这就需要耗费大量的人力物力建造、维护地面测控站和海上测量船,研制人员奔波在各个站点之间开展相关试验,并且受到跨国、跨境地域限制。

  天舟一号货运飞船首次采用了以天基测控体制为主的设计原则。简单来说,就是将原本在地面或海上的测量系统“搬”到了天上,打破了在地面或海上的地域限制,实现了对航天器在轨飞行的关键事件的全程跟踪,以确保对在轨异常的及时监测处置,降低了人力物力财力等成本。

  此外,为了带动元器件自主研制,加速实现元器件的自主可控,提前验证空间站中所用的关键元器件,作为飞行验证平台的天舟一号首次大刀阔斧地使用了七大类国产新研核心元器件,将未来空间站建设的关键命脉牢牢握在手中。

  天舟一号验证全自主绕飞技术

  不久的将来,我国将建成自己的空间站。空间站建成后重量将达到百吨级,当有飞船造访进行交会对接时,不可能为了迎合飞船而大幅度调整姿态,而只能是飞船对空间站说:“你只管飞,我会找到你。”天舟一号货运飞船绕天宫二号的全自主绕飞就是为了验证该项技术,这是由中国航天科技集团公司五院502所专门为飞船自动寻找空间站对接口而研发的技术。

  绕飞是一种高难度的太空工作,需要飞行器进行多次变轨和姿态机动来完成。

  与神舟十号载人飞船在地面人员支持下进行的绕飞不同,此次货运飞船绕飞过程中的制导、调姿及进入5000米保持点均是船上软件自主规划完成,即当绕飞指令发出,飞船上制导导航与控制系统的计算机便开始自主规划绕飞轨迹,自主进行变轨控制,自动进行姿态机动,不需要地面人员干预,可谓“聪明”和“自立”了很多。这种全自主不仅极大减轻了地面支持人员的工作强度,更重要的是可以实现测控区外的自主绕飞。

  “如果把神舟十号的绕飞比作是‘领着’小朋友学走路,那么此次货运飞船的绕飞则是‘看着’小朋友自己走路。”502所货运飞船副总设计师张强说。

  空间绕飞,精彩但暗藏巨大风险,两个重达十几吨的飞行器在以每小时29万公里的高速飞行过程中完成“上下绕圈”和“翻跟斗”,其最大的风险就是碰撞,所以,要求两者的轨迹和姿态必须精准受控。

  同时,飞船还要根据目标飞行器的状态进行协同控制,包括相对位置、相对速度、相对姿态、相对角速度等,所有因素都必须“完美”。

  独门功夫还有哪些?

  此次天舟一号任务的一大独创就是首次开展全自主快速交会对接试验,实际上,这也是为推进剂在轨补加提供保障。天舟一号要顺利地把推进剂供给天宫二号,两个对接机构必须对接得严丝合缝。这对空间交会对接的精度提出非常高的要求。

  全自主快速交会对接

  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,天舟一号将开展自主快速交会对接试验,将交会对接的时间控制在几个小时内。快速交会对接的实现,有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性,减少交会对接过程中包括轨道控制等在内的产生的资源消耗,同时,更大程度上保障飞行器,主要是未来空间站的安全,方便空间站突发事件应急处理。一个形象的比喻是,天舟一号跨出了从“普通列车”迈向“高铁”的一大步,能做到更快、更舒适、更稳妥地运输货物。

  “如果把神舟八号载人飞船对接机构称为第一代对接机构,那么天舟一号货运飞船对接机构可称为第二代产品,这次是第二代的首飞。”中国载人航天工程载人飞船系统、空间实验室系统副总工程师张崇峰介绍道。

  相对于第一代产品,我国自主研发的对接机构2.0版所形成的快速交会对接有多重意义。

  从人的方面说,可以缩短航天员在飞船狭小空间中滞留的时间,减少航天员不必要的体力与精力付出,使载人太空飞行变得更加舒适、惬意;从任务角度来说,快速交会对接还可保障科研用品,特别是生物制剂等无法经历长期运输的货品尽快送达空间站,这对某些试验可能是至关重要甚至是决定性的;从安全的角度来说,如果空间站等航天器突遇紧急情况,快速交会对接可以快速地对故障实施抢修与紧急救援等工作。

  大吨位航天器偏心对接

  “大吨位航天器偏心对接”的概念要从神舟系列载人飞船与天宫系列目标飞行器的空间交会对接说起。神舟飞船和天宫飞行器都是8吨级的航天器,两者必须沿着质心轴线运动。捕获、校正后,两者要处于无偏心的位置,才能顺利实现交会对接。

  8吨级航天器的交会对接,已经是高难度动作了,但与空间站建设中所要涉及的交会对接相比,仍然是“轻量级”的。这就要求对接机构不断升级。新的对接机构,必须保证未来空间站建造阶段8—180吨航天器实现各种方式的对接。

  更大型航天器的交会对接将会产生巨大的对接能量,对于对接机构的缓冲耗能能力提出了很高的要求。这也是空间站建设必须突破的一项技术。为此,设计师们通过大量的技术攻关和方案论证,破解了这一难题,成功推出了二代对接机构。

  二代对接机构既不影响原捕获性能,又实现了对接机构捕获后的大吨位耗能需求,可以很好地满足本次及后续任务的需求。

  “太空加油”难在哪里?

  天舟一号货运飞船最大的亮点,是与天宫二号空间实验室交会对接后,完成太空在轨推进剂补给,即我们俗称的“太空加油”,开展推进剂在轨补加技术验证,为我国后续大型空间站建设奠定基础。

  天舟一号货运飞船系统总体副主任设计师雷剑宇说,天舟一号货运飞船“太空加油”采用的是无增压气体损耗的气体回用法。这种方法系统设计难度较大,但是气体资源利用率高。

  天舟一号与天宫二号对接之后,通过两个航天器之间产生的气体压力,把推进剂从天舟一号上源源不断输送到天宫二号上,虽然看起来和地面加油差不多,但是要真正实现起来,却并不容易。

  既要保证它能准确的对接,又能满足密封的要求,推进剂是绝对不能泄漏的。这样的话浮动断接器是可浮动的,两个对接机构对接上肯定是有一定的偏差。只有通过浮动来消除这个偏差的影响,实现准确的对接。由于这些技术在地面没有办法模拟实现,所以必须要在太空环境中实际操作,才能够检验技术的可靠性,而这也赋予了天舟一号更艰巨的任务。

  与日常生活中的加油不同,“太空加油”不仅要加注燃料,还需要加注供燃料燃烧的氧化剂。燃烧剂和氧化剂两者不能“见面”,否则会发生爆炸。它们的加注是由两套系统独立组成的,加注时序也不同。

  “太空加油”须在天舟一号和天宫二号对接锁紧,补加装置和管路气密性好的前提下进行。第一步,天宫二号的压气机将手风琴状的膜盒贮箱中的气体压回气瓶,使天宫二号的燃料储箱的压力低于天舟一号;第二步,推进剂在压力差的作用下,自动从天舟一号贮箱流入天宫二号贮箱,当两侧压力一致时,加注工作完成;第三步,进行管路吹除,确保天舟一号和天宫二号分离时,残留在管路中的推进剂不会在空间扩散,污染对接器件和航天器。

  雷剑宇说,“太空加油”过程复杂,分为29个步骤,每步都需要精细控制,整个补加过程要持续几天。

  他还介绍,在轨推进剂补加技术是继天地往返、交会对接、航天员中长期驻留技术后,中国载人航天工程的又一项关键技术。目前国际上掌握了在轨推进剂补加技术的只有俄罗斯和美国等少数国家,其中,实现在轨加注应用的只有俄罗斯。