“准备收件”天舟一号送货清单

核心提示: 这次天舟一号给天宫二号送去的货物中,不仅有各种太空实验设备,还有许多维持天宫二号运行的补给。

昨晚,我国首艘货运飞船天舟一号在我国文昌航天发射场发射成功,标志着我国即将开启空间站时代。新华社发

●货物和推进剂6吨左右

●其中货包100多个

天舟一号发射成功

天舟一号发射成功

“宇宙级快递小哥”出发了

“宇宙级快递小哥”出发啦,天宫二号请注意收货!昨天19时41分35秒,搭载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“宇宙级快递小哥”此次太空之旅踏出的第一步,目标天宫二号,主要任务——输送补给物资。

与天宫二号进行3次对接

按计划,天舟一号发射入轨后,将与已经在轨道运行的天宫二号先后进行3次交会对接。

第一次与天宫二号交会对接预计于发射入轨两天后进行,二者组合体随后在轨飞行两个月,其间计划完成3次推进剂在轨补加试验。

天舟一号核心目标任务之一,就是试验推进剂在轨补加技术,俗称“太空加油”。这项技术也是未来空间站建设的标配。

由于空间站在太空轨道运行会受到残存大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度,为了保持原有高度,就必须消耗燃料推动其上升,这就需要货运飞船为空间站进行燃料补充。天舟一号将通过一些特有的接口将燃料加注到天宫二号中。

上述任务完成后,天舟一号将与天宫二号分离,之后从另一侧与天宫二号进行二次对接。第二次对接的主要任务是进行绕飞试验,检验天舟一号前向对接能力。

完成绕飞试验以后,天舟一号将与天宫二号再次分离,各自独立飞行3个月。这期间内,天舟一号的主要任务是完成搭载的空间科学试验。在此之后,天舟一号第三次实现与天宫二号交会对接。值得一提的是这次交会将用约6个小时完成,将是一次名副其实的自主快速交会对接。

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。

对接轨道距地面393公里

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。

担任此次发射任务的是长征七号遥二运载火箭,这是长征系列运载火箭的第247次飞行。

天舟一号这次升空,除了为天宫二号带去补给之外,还着眼于更长远的计划,为中国未来的航天空间站建设进行准备。

飞控难点

任务状态新

在轨时间长

交会模式复杂

轨道控制频繁

推进剂在轨补加实施周期长、风险高

快速交会对接控制精度要求高

6年苦练内功 首创七大绝技

快速交会对接控制精度要求高

天舟一号从“普通列车”迈向“高铁时代”

天舟一号货运飞船启程,这趟太空之旅内容丰富,既要运货,又要与天宫二号“相约”,还要“太空加油”,没有点“绝活”可不行。

北京晨报记者从中国航天科技集团了解到,从天舟一号项目立项到在海南文昌发射场发射成功,过去整整6年的时间里,天舟一号“隐姓埋名”苦练内功,经历了上千小时测试验证,经受了上百次大型试验考核,首创七大独门绝技。

绝技一 载货性价比优于国际现役货运飞船

货运飞船顾名思义承担了为空间站“加油”和运输货物的重担,并负责将未来空间站里的废弃物带回大气层烧毁。

为什么要造货运飞船呢?未来,我国要建造长期有人照料的空间站,这就需要输送航天员所需的生活、工作物资、空间站运转所需的推进剂。天舟系列货运飞船就是面向我国空间站建造和运营物资运输补给任务全新研制的航天器。

因为天舟一号“只运货、不送人”,它被一些媒体形象地称为“快递小哥”。“小哥”身高10.6米,体宽3.35米,体量与天宫一号目标飞行器、天宫二号空间实验室相当,但肚大能容,运送相当于自身重量6吨多的货物不在话下,上行载货性价比优于国际现役货运飞船,快递货物经济实惠。

天舟一号的两舱结构——货物舱和推进舱,最大限度地满足了它货物装载以及提供能源、控制动力等的需求,做到了简洁却不简单。

绝技二 将实现世界第二个“太空加油”

就像汽车需要加油,未来空间站长期在轨也需要“加油”,这项任务就由“天舟”系列货运飞船来完成。在天舟一号之前,掌握了在轨推进剂补加技术的国家只有俄罗斯和美国,其中,实现在轨加注应用的只有俄罗斯。欧空局、加拿大、日本等也在此方面进行着积极的研究探索,国际上在该领域的比拼从未停歇。

在天舟一号飞行任务中,天舟一号与目前正在轨飞行的我国首个空间实验室——天宫二号将实施我国首次推进剂在轨补加,并计划开展多次推进剂补加试验,突破和掌握推进剂补加技术,为我国空间站组装建造和长期运营扫清在能源供给问题上的最后障碍。

绝技三 跟踪飞船测控系统“搬”到了天上

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,避免了在地面或海上的地域限制,实现了对航天器在轨飞行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。

绝技四 首次使用七大类国产新研核心元器件

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。

绝技五 自主快速交会对接几小时完成

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时间,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产生的资源消耗,同时,更大程度上地保障飞行器,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。

绝技六 搭载几十台载荷设备开展试验

作为往返于天地之间的交通工具,对比“神舟”系列飞船的“载人”特点,“天舟”系列货运飞船的主要功能是“运货”。而作为运货的“快递小哥”,天舟一号在满足运输货物需求的同时,还最大限度地发挥了平台效能,随船搭载了几十台载荷设备,在轨开展十余项载荷试验,实现“一次飞行、多方受益”的目标。

绝技七 太空之旅结束后将坠落南太平洋

天舟一号将在飞行任务结束后,经由地面飞控工作人员决策,实施主动离轨,通过两次降轨控制,受控地坠落于南太平洋指定区域。

相较于一般卫星在使命完成后,随着推进剂的消耗殆尽而缓慢降轨,最终在大气层烧毁的结束方式,天舟一号首次采用主动离轨方式,并能受控地落到预定区域。既避免自身成为太空垃圾、避开离轨过程中的不可控因素,又能为打造洁净、安全的太空环境作出自己的贡献。

天舟一号飞行任务作为空间实验室任务的收官之战、空间站工程的关键一战,是我国载人航天工程的重要一步。

天舟一号

总长10.6米

舱体最大直径3.35米

整船最大装载状态下重量达13.5吨

我国目前体积最大、重量最重的载人航天器,由货物舱和推进舱两舱结构组成。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。2013年,货运飞船被正式命名为“天舟”。

4大任务目标

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。

幕后英雄 中继终端:搭天路 远程操控天舟驾驶

当天舟一号货运飞船成功发射后,中继终端将在第一时间开机。随后,中继终端将与中继卫星实现“太空握手”,建立星间链路,从而搭建出从天舟一号中继终端到中继卫星再到地面的“太空天路”,科研人员将以此天基测控体制为主,对天舟一号实施在轨飞行控制,通过地面遥测遥控方式,对飞船姿态进行控制,并与地面建立通信联系,实现对天舟一号货运飞船的“远程驾驶”。

在随后的飞行过程中,天舟一号中继终端还将通过“太空天路”与天宫二号完成两次交会对接任务,并为天宫二号“太空加油”。以其中的交会对接任务为例,通过中继终端所搭建的天基测控通信系统,科研人员可以同时实现对天舟一号和天宫二号的“远程驾驶”,可以对天舟一号和天宫二号实现同时测控、同时进行高速数据传输,所建立的星间链路可以实时向地面传输交会对接画面。

除此之外,天舟一号还将进行包括载荷试验在内的多项试验验证任务。这些任务的所有命令都是通过中继终端发送的遥控和遥测指令来实现的。

通过搭建太空天路,实现“远程驾驶”听起来简单,但实现起来不仅需要跨越393千米,还必须在不到1小时内快速搭建完成,更要确保全程稳定运行,系统复杂性可想而知。

太空优质快递全靠四大秘籍

天舟一号发射太空

太空货包不简单 特殊材料抗菌又防霉

虽然天舟一号这位太空“快递小哥”和天宫空间实验室的外形酷似,但装载能力却超强,说它是专业的“运货员”一点也不夸张。随着这位太空“快递员”走向太空,天舟一号的科研单位也一一揭开了它的运货“秘籍”。

秘籍一 天舟“运货”能力是天宫一号2倍

外观上看天舟一号货运飞船的构造类似于天宫一号目标飞行器,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。其实,天舟一号内部大有玄机,作为太空快递的大力士,天舟一号搭载的货物超过6吨,接近天宫一号载荷能力的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。根据公开的数据,天舟一号的载货能力同样高于日本和欧洲的货运飞船。

秘籍二 蜂窝板、碳纤维立梁搭建太空货架

对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。这货架的细节和构型大有讲究。

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。

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。

秘籍三100多个货包确保货运物资完好

由于天舟一号运送的物资中有许多精密仪器设备和航天员用品,装载物资的货包必须具备保护功能。据介绍,新研制的高科技货包外观呈清新的乳黄色,采用新型抗菌防潮防霉布料,可确保货物在货包中存放一年。此外,针对不同体积、形状的货物,还进行了定制化和系列化设计。

为避免货物直接与货架结构相连接,货包里面还有一层新研制的防火防潮且防震的泡沫或气囊袋,再一起固定在货架上。这种“贴心”的“软包装”设计为装载对象提供了柔软、高阻尼、分布式的系统支撑。

100多个大小不一的货包,确保天舟一号的货运物资完好地运送到天宫二号。

秘籍四 为送更多太空货 天舟成功“减肥”

这次天舟一号给天宫二号送去的货物中,不仅有各种太空实验设备,还有许多维持天宫二号运行的补给。但运载火箭的运载能力是固定的,如果想运更多的货物,天舟一号这辆太空“快递车”就必须在保证自己足够强壮的同时,尽可能再不断减肥,把省下来的体重替换成更多的货物。按照国际上的标准测算,运送1千克的货物上太空,成本少则几万美元,多则几十万美元,因此“减肥”还有着巨大的经济效益。

健身的人都知道,腰部赘肉是最难减下去的。天舟的腰部是一个个连接框,为了将身躯牢固连接,连接框往往都很厚实。中国航天科技集团五院的“教练”为它制定的健身第一步就是“减腰部赘肉”。天舟的连接框设计成镂空形式,将非受力部分的“肉肉”去除掉,只保留结构受力部分。这样,每个连接框的重量都降低到原来的50%左右。

除了“腰部赘肉”外,“皮下脂肪”也不能放过。天舟的外部是一种壁板结构。壁板连接完成后,组成的密封空间就是装货的“肚子”。虽然壁板厚度只有不到3毫米,但依然有减重空间。科研人员通过严格控制加工温度、切削速度等参数,尽量使壁板厚度贴近设计人员给出的公差下限。也就是在不影响性能的基础上,通过这种“皮下脂肪去除法”,尽可能让“皮肤”——壁板变薄。由于壁板面积很大,即使去除A4纸那样薄的一层“脂肪”,整舱的重量也会下降很多。这样,体重因此又减少了30千克左右。省下的这些重量,又够多运送好几台设备。

为了装下更多的货物,设计人员用货架将“肚子”分成了许多区域。货架选用了轻质高强度材料组成货架。比如,“货架面板”——仪器板,使用的是铝合金蜂窝板;“货架框架”——立梁,使用的是碳纤维材料。

幕后英雄 “长七”首次实战 未来发射主力

天舟一号一飞冲天,承担此次发射任务的长征七号火箭功不可没。本次天舟一号货运飞船发射任务,是继2016年6月长征七号运载火箭首次试验性飞行后的第一次实战。为满足零窗口发射,科研人员对承担这次特殊任务的长征七号遥二火箭发射场操作和使用维护作出了30%的变化更改。未来,采用无毒无污染液氧煤油发动机的长七火箭,将承担我国航天发射主力任务。

“长七”火箭达到国外同类火箭先进水平

由中国航天科技集团一院研制的长征七号运载火箭总长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。为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。

长征七号运载火箭是为满足我国载人空间站工程发射货运飞船的需求和未来载人运载火箭更新换代的长远需求,而研制的新一代高可靠高安全的中型运载火箭。

“长七”火箭未来将成为我国航天发射主力

承担“天舟一号”我国首艘货运飞船发射的“长征七号”最大的亮点,是运用了液氧煤油发动机为代表的新技术。2016年6月25日,长征七号实现完美首飞。而此次发射天舟一号货运飞船,则是液氧煤油发动机首次真正意义上的工程应用。

长征七号是我国长征火箭家族中的新一代中型运载火箭,其动力系统全部采用液氧煤油火箭发动机。其中,长征七号助推与一级火箭,共使用6台120吨液氧煤油发动机,二级火箭使用了4台18吨液氧煤油发动机。

预计到2021年左右,长征七号将逐步替代现有的长征二号、长征三号、长征四号系列火箭,承担我国航天发射任务的主力。

与常规发动机相比,长征七号所用的液氧煤油发动机有着新特点。液氧、煤油这两种推进剂具有来源广泛、价格低廉的优点,平均价格比现役火箭的推进剂低一个数量级。绿色环保更是液氧煤油发动机的一大特点。它的研制成功并实现太空飞行,实现了我国火箭动力从常规有毒至绿色无毒的巨大跨越。

另外,火箭的地面热试车可重复使用。与常规发动机只要一试车就报废、只能一次性使用相比,液氧煤油发动机在地面可重复试车、点火,从而节约研试成本,缩短研制周期。而且,每台发动机交付前,均要进行工艺验收试车,大大提高了火箭飞行的可靠性及性能。

同时,火箭采用防水设计,可以中雨条件下发射,适应海南发射场。

准“零窗口”发射 “遥二”更改发射操作

长征七号遥二火箭发射天舟一号货运飞船,在轨实现与天宫二号的交会对接和推进剂在轨补加,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。零窗口发射在文昌场区是属于首次。

发射窗口是指运载火箭携带着航天器发射升空比较合适的一个时间范围,有的以小时计算,有的以天计算,在此期间火箭都可以发射。由于此次对发射精度要求很高,因此,发射窗口不是一个时间范围,而是一个确定的时间点,一秒都不能差,这就是航天人所说的“零窗口”,这对火箭和发射场系统的可靠性提出了很高的要求。

因为“零窗口”发射,火箭组成需要复杂的系统。另外,在发射前的操作、流程也是非常复杂。由于“长七”火箭采用全低温液氧煤油动力系统,发射前流程复杂,特别是进入3分钟流程后动力、控制、地面发射支持等系统项目多,若有一个环节出问题将会错过发射窗口。

科研人员开展了故障预案的再梳理,针对发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。

相比此前的首飞火箭,首次“实战性”的长征七号遥二火箭技术状态作出了更改,涉及发射场操作和使用维护更改的占30%,提升了火箭在发射场的操作方便性和安全性。比如,为了方便发射场蓄压器充气操作,避免发射场发射区液氧加注后人员进舱操作的风险,将蓄压器充气口从尾段引出至后过渡箭壁外,方便地面管路对接、充气、气检、防松等工作,同时有利于低温加注后舱内环境温度稳定。

除了火箭本身的原因外,海南多雨的天气也成为影响火箭准点启程的重要因素。设计人员在研制长征七号之初,就为它增加了“防雨防水”这项本领,使它成为我国第一款能在中雨条件下发射的运载火箭,保证了在恶劣天气下也能实现零窗口发射的能力。

防日晒 天舟涂上“防晒霜”

被称为太空“快递员”的天舟一号货运飞船,虽然不用承受风吹雨淋,但是太空中的日晒却比地球上猛烈千百倍。为此,中国航天科技集团的科研人员想了很多办法帮助“太空快递员”防晒保温。

当天舟一号在太空中,处于太阳照射的情况下,其表面会迅速升温,航天科研人员为了帮助天舟一号推进舱中的设备进行防暑降温,为其涂上了一层“防晒霜”。

天舟一号的“防晒霜”是一种航天专用的热控涂层。该涂层属于低吸收高发射无机类热控涂层,空间性能稳定,具有优良的散热性能。为保证“防晒霜”的涂装效果,针对天舟一号产品特点,科研人员在喷涂前对喷漆的压力、扇面面积、喷涂距离、喷涂量等进行了多次试验,摸索出了最优工艺参数。

在地球上,由于存在空气的流动,即使一个门窗紧闭的房间,摆放其中的家电发出的热量也会被空气带走,经过对流换热,整个房间的温度还会维持均衡。如果将天舟一号的推进舱想象成一间安装了许多家电的房间,由于太空里没有空气进行对流换热,设备的热量无法及时交换。这种情况下,很可能部分设备因温度过高而罢工,部分设备却因温度过低而出现故障。因此,研制人员又为推进舱内壁喷涂了一种热控涂层。

而这种具有高辐射率高吸收特点的热控涂层有一个神奇的功效:当周围有高热物体时,它能够快速吸热,并将热量辐射到低温区域。这相当于给推进舱内部穿上了一件换热衣,帮助热量在各设备间相互传递,保证了舱内温度的均匀。

在热控涂层实施过程中,针对天舟一号体积大、结构复杂的特点,科研人员创造性地采用了整舱旋转分区喷涂的方法,保证了涂层的均匀,将涂层精度控制在了十几微米。

天舟一号在太空中经受着冰火两重天的洗礼,但是有了航天人为他定制的防晒降温保护装备,这个“太空快递员”一定能够圆满完成此次快递工作。

防撞击 天舟装上智能系统

除了防晒,还要防止太空垃圾的威胁。早在出发前,天舟一号就听过太空“前辈”大发太空垃圾的牢骚:“被小小一块10克的太空垃圾迎面撞上,只刮花了漂亮帅气的制服都算幸运,好几次甚至差点穿透制服被送进‘医院’。”面对这种情况,力学环境测量系统就将发挥大作用。

天舟一号的飞行器结构撞击智能感知与定位功能,能够进行全飞行时段的综合力学环境监测,不只包括传统的振动、冲击、噪声环境,更可以在第一时间感知到太空垃圾撞击的位置和受损程度,甚至还能检验飞船结构设计、货物装载合理性,为在轨损伤修复和结构优化设计提供帮助。

为了运输过程更安全、更智能,设计师们这次是自主攻克了系统功能拓展支撑、传感器安装及电缆穿舱等10余项技术难题,极大降低了成本,所以“快递费”可并没有增长。

此外,中国航天员科研训练中心航天员系统副总设计师黄伟芬表示,在天舟一号货运飞船的发射任务中,涉及航天员系统的任务主要有四个方面:提供装船上行货物、获取舱外航天服数据、医学评价和工效学评价。黄伟芬说,货运飞船是按照3人30天的任务进行配置相应货物,主要包括航天员的健康、生活和工作保障。这次飞行任务还将验证货物打包、运输、信息管理、交付、装载、微生物控制等全过程方案的有效性。“希望通过这次飞行任务获取相应数据,为空间站任务做上行物资补给积累经验,提供设计依据。”黄伟芬说。她介绍,舱外航天服是航天员实现舱外活动的重要保障。未来在完成空间站的组建和设备维修等任务中,航天员都需要身着舱外航天服。“在这次任务中,我们想通过搭载舱外服的结构服,安装相关传感器获取力学和温度等数据,为未来的舱外服设计等相关方面积累数据和依据。” 北京晨报记者 韩娜


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