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神舟飛船上天，航天員最多可以攜帶幾百公斤的隨身行李。2013年，神舟十一號(hào)飛行乘組的兩名航天員在天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室駐留一個(gè)月后，物資基本消耗殆盡。當(dāng)中國決定建造并長期運(yùn)營自己的“天宮”空間站，隨之而來的一個(gè)問題就是，空間站上的推進(jìn)劑怎么補(bǔ)加？航天員長期駐留，生活物資不夠了怎么辦？

貨運(yùn)飛船應(yīng)運(yùn)而生。如今，中國的天舟系列貨運(yùn)飛船已有五艘揚(yáng)帆起航，舟行天地，構(gòu)筑起載人航天工程的生命補(bǔ)給線。作為天地運(yùn)輸通道上的?？?，它從何而來，又向何去？

開創(chuàng)：實(shí)現(xiàn)空間推進(jìn)技術(shù)跨越的天舟

基因的差異，造就不同的生命形態(tài)。貨運(yùn)飛船從無到有，它的設(shè)計(jì)和研制工作，必須根據(jù)自身特性和滿足空間站任務(wù)需求來完成，這是一個(gè)逐步發(fā)現(xiàn)、探索、突破和改進(jìn)的過程。

2011年，航天科技集團(tuán)五院就開始著手進(jìn)行貨運(yùn)飛船的立項(xiàng)論證工作，確立了貨物艙和推進(jìn)艙兩艙構(gòu)型總體技術(shù)方案，并將天舟一號(hào)作為我國首艘試驗(yàn)性貨運(yùn)飛船，以驗(yàn)證飛船平臺(tái)設(shè)計(jì)本身的合理性。

天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船示意圖

天舟系列貨運(yùn)飛船副總師黨蓉介紹，由于貨運(yùn)飛船尺寸很大，每次任務(wù)的貨物裝載量不同質(zhì)心位置會(huì)發(fā)生變化，且貨運(yùn)飛船在軌廢棄物的裝載也會(huì)對(duì)質(zhì)心的控制造成影響，如果像其他航天器一樣將姿態(tài)控制推力器安裝在質(zhì)心附近和后端面，將不能很好地適應(yīng)每一次任務(wù)需求，容易造成姿態(tài)穩(wěn)定性差，甚至影響交會(huì)對(duì)接。

這是研制貨運(yùn)飛船需要首先考慮的問題。為保證貨運(yùn)飛船能夠適應(yīng)不同質(zhì)心位置和高精度的控制要求，天舟一號(hào)將4類36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)分別布在飛船的前錐面和后端面上。

“盡可能運(yùn)送更多貨物”是設(shè)計(jì)師們追求的主要目標(biāo)。天舟貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師張振華表示，這就要求飛船提高承載能力并減輕自身重量。

在提高承載能力方面，船內(nèi)的高效承載貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結(jié)構(gòu)，形成大量標(biāo)準(zhǔn)裝貨單元，傳力效果好，結(jié)構(gòu)與貨物重量比卻僅為8%。在減輕自身重量方面，飛船所有關(guān)鍵電子單機(jī)采用國產(chǎn)100伏厚膜電源模塊，不僅減輕了配電設(shè)備和電纜的重量，還奠定了100伏高壓傳輸?shù)幕A(chǔ)。

“天舟”要運(yùn)送的一項(xiàng)重要貨物是推進(jìn)劑，這就要突破推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)。在此之前，掌握在軌推進(jìn)劑補(bǔ)加技術(shù)的國家只有俄羅斯和美國，也有國外同行表示可以為中國提供技術(shù)合作，但研制團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持“太空加油技術(shù)一定要掌握在自己手中”，用10年時(shí)間攻克了一系列關(guān)鍵技術(shù)，最終在2017年完成天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船在軌對(duì)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的推進(jìn)劑補(bǔ)給，實(shí)現(xiàn)了我國空間推進(jìn)領(lǐng)域的一次技術(shù)跨越。

先行：作為飛行驗(yàn)證平臺(tái)的天舟

天舟一號(hào)要把握寶貴的一次飛行機(jī)會(huì)，在滿足自身任務(wù)的同時(shí)，為空間站建造和載人飛船做大量的先期技術(shù)驗(yàn)證。

為提前驗(yàn)證空間站中所用的關(guān)鍵元器件，加速實(shí)現(xiàn)自主可控，作為飛行驗(yàn)證平臺(tái)的天舟一號(hào)大刀闊斧地使用了7大類44項(xiàng)國產(chǎn)新研核心元器件。無論是100伏高壓全分散配電系統(tǒng)和高壓鋰電池的應(yīng)用，還是貨運(yùn)飛船內(nèi)部以太網(wǎng)高速信息系統(tǒng)，再到針對(duì)載荷單獨(dú)規(guī)劃出供電、信息流，研制團(tuán)隊(duì)建立了一套全新的電子和信息系統(tǒng)?！爱?dāng)時(shí)我們跑遍了廠家，做足了各種試驗(yàn)?！秉h蓉說。

到了天舟二號(hào)，研制團(tuán)隊(duì)還做了幾件大事。

第一，驗(yàn)證自主快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)。對(duì)于貨物運(yùn)輸而言，時(shí)效性要求并不高，但考慮到載人飛船的應(yīng)急救生要求，“天舟”就要承擔(dān)起先行者的責(zé)任——天舟二號(hào)在完成8小時(shí)自主交會(huì)對(duì)接的前提下，還在離軌前進(jìn)行了兩小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接的在軌試驗(yàn)。

第二，為了提高交會(huì)對(duì)接可靠性，天舟二號(hào)配合航天員完成了手動(dòng)遙操作試驗(yàn)。黨蓉表示，與之前航天員在主動(dòng)飛行器上看著目標(biāo)飛行器進(jìn)行操控不同，航天員是在空間站上遙控貨運(yùn)飛船與空間站對(duì)接。貨船首先要獲取圖像，然后將其傳遞給空間站，航天員再根據(jù)收到的圖像來操控，這樣一來一往就會(huì)受時(shí)間延遲的影響。為此，研制團(tuán)隊(duì)升級(jí)了航天器之間雙向通信的“空空通信機(jī)”，將其傳輸性能從千字節(jié)提升到了兆級(jí)。

第三，打通了“天舟”與空間站雙向并網(wǎng)供電的能力。空間站工程是一個(gè)大系統(tǒng)。這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)在軌道上飛行，過程中不可避免會(huì)存在太陽翼帆板陽光被遮擋的問題，這會(huì)讓航天器的供電能力暫時(shí)無法滿足特定工作模式的用電需求?？臻g站能為貨運(yùn)飛船供電，而在空間站電力不足的情況下，“天舟”也能夠“反哺母艦”為其提供電力。

第四，檢驗(yàn)了利用機(jī)械臂操作空間站艙段轉(zhuǎn)位的可行性和有效性，驗(yàn)證了空間站艙段轉(zhuǎn)位技術(shù)和機(jī)械臂大負(fù)載操控技術(shù)，為后續(xù)空間站在軌組裝建造積累了經(jīng)驗(yàn)。

這一階段的“天舟”，就是一位技術(shù)先行者。

改進(jìn)：不斷增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的天舟

隨著“天舟一號(hào)”和“天舟二號(hào)”任務(wù)的圓滿成功，技術(shù)狀態(tài)日趨穩(wěn)定，從“天舟三號(hào)”開始，貨運(yùn)飛船正式進(jìn)入組批研制模式。

設(shè)計(jì)一艘人性化、更符合人機(jī)功效學(xué)設(shè)計(jì)，并能逐步增強(qiáng)用戶體驗(yàn)的貨運(yùn)飛船，這是當(dāng)時(shí)航天人最想要秉承的一種設(shè)計(jì)理念。

從貨包來看，天舟二號(hào)攜帶的160多個(gè)貨包，都呈現(xiàn)為米黃色。神舟十二號(hào)載人飛船的3位航天員反饋，因?yàn)轭伾粯樱瑹o法快速識(shí)別物資類型。因?yàn)樨洶锰胤N材料的顏色很難改變，研制團(tuán)隊(duì)開始給貨包“打蝴蝶結(jié)”，不同顏色的束縛帶代表不同種類的貨物。

到了天舟四號(hào)，貨包直接用上了彩色“身份證”。淺藍(lán)、深藍(lán)、綠色、紫色、淺棕、深棕6種顏色，其中綠色代表航天員系統(tǒng)食品，淺棕色代表攝影設(shè)備包，紫色代表醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域物資。研制人員建立了地面到云端的全任務(wù)周期物資數(shù)字化管理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)貨物自動(dòng)信息錄入和物資取放動(dòng)態(tài)的信息管理等。“這個(gè)系統(tǒng)還采用了VR技術(shù)，為航天員提供可視化的作業(yè)指導(dǎo)書，這樣他們找貨就更方便了?！碧熘巯盗胸涍\(yùn)飛船總指揮馮永說。

這樣的設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在方方面面：航天員可以觸摸到的所有地方都是鈍角、盡量選擇柔和的光線和色調(diào)、地面磚做成毛面避免反光刺眼、用不同顏色營造“天地”視覺感受、用不同頻率和不同聲音區(qū)分空間站報(bào)警類型、對(duì)貨包內(nèi)的緩沖泡沫進(jìn)行分塊小型化設(shè)計(jì)方便航天員帶上更多的下行物資……凡是跟人的觸覺、嗅覺、味覺、視覺、聽覺五種感官相關(guān)的，研制人員都要統(tǒng)統(tǒng)考慮到。

天舟三號(hào)任務(wù)期間，研制人員將一只穿花衣服的小牛玩偶掛在了貨包上。“航天員在天上可能會(huì)出現(xiàn)視覺疲勞，希望這能給他們帶來不一樣的感受?！瘪T永說。

后來這只“小花牛”被航天員湯洪波掛在了自己的“家”門口。

升級(jí)：將“改變”寫在基因里的天舟

隨著空間站更多科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的開展，對(duì)貨運(yùn)飛船又提出了新的要求。從目前的反饋情況來看，“天舟”每一次帶給空間站的推進(jìn)劑都?jí)蛴茫踔吝€有剩余，未來需要攜帶更多的貨物，這意味著天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船面臨一次結(jié)構(gòu)上的調(diào)整。

張振華介紹，貨運(yùn)飛船的貨物艙分為前錐、柱段和后錐三段，其中后錐段是非密封結(jié)構(gòu)，內(nèi)置飛船自身的平臺(tái)電子設(shè)備。改進(jìn)后的飛船將原有的8個(gè)推進(jìn)劑儲(chǔ)箱減少4個(gè)，騰出來的空間放置平臺(tái)電子設(shè)備，釋放后錐段空間，增加載貨量。

“天舟”發(fā)展至今，唯一不變的就是“變化”。馮永認(rèn)為，“天舟”的設(shè)計(jì)階段已經(jīng)過去了，現(xiàn)在的貨運(yùn)飛船均為組批投產(chǎn)，狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，最大程度保證載人航天工程的速度與質(zhì)量，但這不代表它不再做出改變。

“我們永遠(yuǎn)都在使用新產(chǎn)品、新技術(shù)、新工藝和新材料?！瘪T永表示，往往一些單點(diǎn)的創(chuàng)新，在某一天會(huì)帶來突變。在這之前，我們要做好充分的技術(shù)驗(yàn)證，確保可靠性，嚴(yán)格把控每一個(gè)細(xì)節(jié)，做到既不“過度設(shè)計(jì)”也不“欠缺設(shè)計(jì)”，同時(shí)還要考慮成本問題。因?yàn)樯虡I(yè)貨運(yùn)飛船、返回式貨運(yùn)飛船，亦或是其他新型貨運(yùn)飛船，在中國皆有可能出現(xiàn)。

天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船和整流罩組合體矗立在廠房 記者 宿東 攝

2022年11月12日，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船起飛，這是中國空間站形成“T”字基本構(gòu)型后迎來的首艘貨運(yùn)飛船。未來的“天舟”還將實(shí)現(xiàn)更快的運(yùn)輸速度，更大的載重能力，更高的運(yùn)輸效能，更多的先期技術(shù)驗(yàn)證。

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