文/鄧雨楠

11月12日10時03分，長征七號運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火起飛，成功將天舟五號貨運飛船送入預定軌道。12時10分，天舟五號貨運飛船成功對接于空間站天和核心艙后向端口，創(chuàng)造了空間站階段交會對接最快紀錄。11月13日14時18分，航天員開啟貨物艙艙門，在完成環(huán)境檢測等準備工作后，于15時03分順利進入天舟五號貨運飛船，按計劃開展貨物轉運等相關工作。

這已是中國空間站迎來的第四艘貨運飛船，浪漫的中國航天人再一次向空間站送上了“驚喜禮包”?！疤熘畚逄枴币彩强臻g站三艙組合體建成后的首個來訪飛行器，還是中國首次在空間站有人駐留的情況下實施貨運飛船交會對接。無論是天舟五號貨運飛船本身，還是此次對接過程，都有很多亮點值得細品。

▲ 長征七號火箭發(fā)射天舟五號貨運飛船

“多面手”和“小忙人”

按照工程總體飛行任務規(guī)劃，空間站關鍵技術驗證及建造階段會發(fā)射天舟二號至天舟五號共4艘貨運飛船，“天舟五號”是本階段最后一艘執(zhí)行應用性運輸任務的貨運飛船，將為完全狀態(tài)的中國空間站運輸物資、補給燃料、下行廢棄物，未來還將陪伴神舟十五號飛船乘組度過為期6個月的太空旅程。

據(jù)了解，“天舟五號”上行物資約6.7噸，包括航天員系統(tǒng)準備的食品、醫(yī)藥物品、衛(wèi)生清潔用品等貨包，空間站關鍵設備的備份件、維修件，空間應用系統(tǒng)的實驗載荷，以及為空間站組合體攜帶的1400千克補加推進劑。這些物資都將為未來的航天員在軌駐留、空間站長期運營并開展材料科學、微重力、航天醫(yī)學試驗等空間應用領域提供物資保障。

天舟貨運飛船系統(tǒng)總體副主任設計師張振華介紹，飛船這次上行了新鮮水果，裝載過程中進行了保鮮處理，將更好地滿足航天員的營養(yǎng)物質需求。

天舟五號貨運飛船還搭載了約1千克植物種子，包括水稻、小麥、玉米等主糧作物和少量林木種子，用于開展航天育種實驗，未來將通過載人飛船返回地面，培育后投入市場。

按計劃，天舟五號貨運飛船還將承擔實驗支持的職責。上行的物資包括3項實驗載荷，將在空間失重環(huán)境下開展科學實驗，對一些前沿的航天關鍵技術進行驗證。

此外，天舟五號貨運飛船還具備承擔空間站姿態(tài)軌道控制、并網供電及空間站遙測、數(shù)據(jù)傳輸支持等任務的能力，支持空間站運營及科學實驗。

據(jù)張振華介紹，近地軌道上幾乎沒有空氣，但對于以接近第一宇宙速度飛行的空間站來說，極為稀薄的高空大氣阻力是不可忽視的因素。雖然空間站安裝有軌道控制發(fā)動機，但如果有貨運飛船對接駐留，就主要使用貨運飛船的發(fā)動機來維持軌道，而天和核心艙的發(fā)動機和燃料更多是以備不時之需。

“太空快遞”送達后，貨運飛船就地“變身”。張振華透露，“天舟五號”將在陪伴神舟十五號飛船乘組度過空間站的時光后離軌。此外，天舟五號貨運飛船在空間站駐留時可充當“回收站”，航天員可將空間站內的廢棄物品搬運到貨運飛船上，從而增大有效活動空間，保持空間站整潔，生活得更舒適。

快速交會對接進入“高鐵時代”

長征七號運載火箭點火飛行約10分鐘后，船箭分離。天舟五號貨運飛船太陽帆板展開，隨后進入快速交會對接模式，約2小時后，與空間站組合體成功對接。

所謂交會對接，是指兩個航天器在空間軌道上會合并連接成一個整體的技術，類似于我們在地面上將兩塊積木插在一起，但要在太空中完成這個動作可不容易。

“對接的兩個航天器最初不在同一個軌道上，而要到達同一軌道上，必須通過發(fā)動機噴氣來改變航天器的運動速度大小或方向，從而變換軌道來實現(xiàn)?！睆堈袢A介紹，交會對接具體的流程包括遠距離導引、近距離控制兩個階段，主要由追蹤飛行器完成。而快速交會對接相比原交會對接流程，壓縮時間最多的就是遠距離導引段。

所謂快速交會對接，是相對于較早的交會對接流程而言。如“神舟八號”與“天宮一號”的交會對接，從飛船發(fā)射到完成對接，總時長約45小時?！疤熘鄱枴笔状螌崿F(xiàn)的快速交會對接僅用了約8小時?！疤熘廴枴薄疤熘鬯奶枴睂⑦@一過程壓縮為約6.5小時。

而這次，天舟五號貨運飛船的快速交會對接更是進入了“高鐵時代”，僅用2小時就可以成功與“T”字構型空間站組合體實施對接，對接目標達80噸量級。這也是中國首次在空間站有人駐留的情況下實施貨運飛船快速交會對接。萬一遇到故障情況，航天員有能力遙控操作貨運飛船對接，提高了對接的可靠性。

“快速交會對接并不是飛行速度變得快了，而是軌道控制的流程變短了?！睆堈袢A表示，從“天舟二號”到“天舟四號”，貨運飛船需要經歷6次變軌，然后到達離空間站大概50千米左右的瞄準點。接下來，它們逐漸逼近，不斷地確認位置關系，調整自己的姿態(tài)和速度，最終追上目標飛行器，完成對接。不過，對于上述過程，天舟五號貨運飛船只需要經過2次變軌便可輕松完成。

“一般來說，貨運飛船入軌后，地面飛行控制人員要對貨運飛船進行狀態(tài)確認，然后才會進入快速交會對接模式。我們這次優(yōu)化了狀態(tài)確認的時間，把以前串行的工作變?yōu)椴⑿虚_展，為2小時快速交會對接搶些時間。貨運飛船入軌5分鐘后就進入了快速交會對接模式?！睆堈袢A表示。

當然，要確保飛船狀態(tài)不出問題，快速進入對接模式，對天舟五號貨運飛船研制團隊也提出了更高的要求。為確?！疤熘畚逄枴笨煽抗ぷ鳎兄茍F隊在模擬軌道真空環(huán)境條件下對“天舟五號”連續(xù)加電測試了340小時，飛船正常工作無誤。發(fā)射前，“天舟五號”GNC控制器、數(shù)管計算機、推進電子單機等關鍵設備測試時間超過1500小時，驗證非常充分。

“天舟”不斷升級任務多樣

“天舟五號”的成功背后是航天人長期科研攻關，中國貨運飛船經歷了不斷優(yōu)化的發(fā)展過程。

在神舟飛船上，航天員最多可以攜帶幾百千克的隨身行李。隨著中國空間站建設穩(wěn)步推進，補給需求大增，貨運飛船應運而生。

2011年，航天科技集團五院開始著手進行貨運飛船的立項論證工作，確立了貨物艙和推進艙兩艙構型總體技術方案，并將“天舟一號”作為我國首艘試驗性貨運飛船。

天舟系列貨運飛船副總師黨蓉介紹，由于貨運飛船尺寸很大，每次任務的貨物裝載量不同，質心位置會發(fā)生變化，且貨運飛船在軌廢棄物的裝載也會對質心的控制造成影響。為保證貨運飛船能夠適應不同質心位置和高精度的控制要求，“天舟一號”將4類36臺發(fā)動機分別布在飛船的前錐面和后端面上。

“盡可能運送更多貨物”是設計師們追求的主要目標。天舟貨運飛船系統(tǒng)總體副主任設計師張振華表示，這就要求飛船提高承載能力并減輕自身重量。一方面，船內的高效承載貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構，形成大量標準裝貨單元，傳力效果好，結構與貨物重量比卻僅為8%。另一方面，飛船所有關鍵電子單機采用國產100伏厚膜電源模塊，不僅減輕了配電設備和電纜的重量，還奠定了100伏高壓傳輸?shù)幕A。

以前，只有俄美掌握推進劑在軌補加技術。中國科研團隊堅持“太空加油技術一定要掌握在自己手中”，用10年時間攻克了一系列關鍵技術，最終在2017年完成天舟一號貨運飛船在軌對天宮二號空間實驗室的推進劑補給。

▲ 天舟五號貨運飛船

▲ 天舟五號貨運飛船室內測試組裝

▲ 天舟五號貨運飛船對接天和核心艙示意圖

為提前驗證空間站中所用的關鍵元器件，加速實現(xiàn)自主可控，天舟一號貨運飛船大刀闊斧地使用了7大類44項國產新研核心元器件，科研團隊建立了一套全新的電子和信息系統(tǒng)。

“天舟二號”同樣擔任了多項關鍵技術驗證者的角色。

考慮到載人飛船的應急救生要求，“天舟二號”在完成8小時自主交會對接的前提下，還在離軌前進行了2小時快速交會對接的在軌試驗。

為了提高交會對接可靠性，“天舟二號”配合航天員完成了手動遙操作試驗。貨船首先要獲取圖像，然后將其傳遞給空間站，航天員在空間站上根據(jù)收到的圖像來操控。為降低時間延遲的影響，研制團隊升級了航天器之間雙向通信的“空空通信機”，將其傳輸性能從千字節(jié)提升到了兆級。

空間站某些時段難以避免自身的太陽翼帆板被遮擋，暫時削弱供電能力?？臻g站能為貨運飛船供電，“天舟”也能夠“反哺母艦”，為其提供電力。

此外，“天舟二號”檢驗了利用機械臂操作空間站艙段轉位的可行性和有效性，驗證了空間站艙段轉位技術和機械臂大負載操控技術，為后續(xù)空間站在軌組裝建造積累了經驗。

從“天舟三號”開始，貨運飛船正式進入組批研制模式。設計更加人性化，逐步增強用戶體驗，成為貨運飛船設計者們秉承的理念。

之前“天舟二號”攜帶的160多個貨包都是米黃色。神舟十二號飛船的3位航天員反饋，無法快速識別物資類型。因為貨包所用的特種材料的顏色很難改變，研制團隊給貨包“打蝴蝶結”，不同顏色的束縛帶代表不同種類的貨物。到了“天舟四號”，貨包用上了彩色“身份證”，有淺藍、深藍、綠色、紫色、淺棕、深棕共6種顏色。其中，綠色代表航天員系統(tǒng)食品，淺棕色代表攝影設備包，紫色代表醫(yī)學實驗領域物資。

此外，科研人員建立了地面到云端的全任務周期物資數(shù)字化管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)貨物自動信息錄入和物資取放動態(tài)的信息管理等。天舟系列貨運飛船總指揮馮永透露，這個系統(tǒng)還采用了VR技術，為航天員提供可視化的作業(yè)指導書，找貨更方便。

人性化設計理念體現(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，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)分空間站報警類型；對貨包內的緩沖泡沫進行分塊小型化設計，方便航天員帶上更多下行物資……

“天舟三號”任務期間，科研人員將一只穿花衣服的小牛玩偶掛在了貨包上，幫助航天員緩解在天上出現(xiàn)的視覺疲勞。后來“小花?！北缓教靻T葉光富掛在了自“家”門口。

隨著中國空間站取得進展，對貨運飛船又提出了新要求。比如，“天舟”每次帶給空間站的推進劑都夠用，甚至有剩余，未來需攜帶更多貨物，這意味著天舟六號貨運飛船面臨結構調整。

張振華介紹，貨運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構，內置飛船自身的平臺電子設備。改進后的飛船將原有的8個推進劑儲箱減少4個，騰出來的空間放置平臺電子設備，釋放后錐段空間，增加載貨量。

馮永認為，現(xiàn)在的貨運飛船均為組批投產，狀態(tài)相對穩(wěn)定，但科研人員永遠都在使用新產品、新技術、新工藝和新材料。往往一些單點的創(chuàng)新，在某一天會帶來突變。在這之前，要做好充分的技術驗證，確保可靠性，嚴格把控每一個細節(jié)，既不“過度設計”，也不“欠缺設計”，還要考慮成本問題。未來，商業(yè)貨運飛船、返回式貨運飛船亦或是其他新型貨運飛船，在中國皆有可能出現(xiàn)。

總之，未來的“天舟”還將實現(xiàn)更快的運輸速度、更大的載重能力、更高的運輸效能、更多的先期技術驗證。