此“快遞”非彼“快遞” “天舟一號(hào)”遨游太空亮武藝

昨日，“快遞小哥”我國第一艘貨運(yùn)飛船“天舟一號(hào)”搭載著各類物資成功飛上太空。“天舟一號(hào)”此次進(jìn)入太空，將與“天宮二號(hào)”進(jìn)行交會(huì)對接，開展推進(jìn)劑補(bǔ)加等相關(guān)試驗(yàn)。“天舟一號(hào)”只送貨不送人。此次任務(wù)是空間實(shí)驗(yàn)室飛行任務(wù)的收官之戰(zhàn)，標(biāo)志著我國載人航天工程“三步走戰(zhàn)略”的第二步圓滿結(jié)束。
首次在軌補(bǔ)加、首次快速對接、首次自主繞飛
“快遞小哥”遨游太空施展武藝，當(dāng)然少不了亮幾手絕活。“絕活”之一就是推進(jìn)劑補(bǔ)加，這是“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船最大的亮點(diǎn)，也被稱為“太空加油”。這是國內(nèi)首次“太空加油”，將填補(bǔ)中國航天領(lǐng)域的空白，實(shí)現(xiàn)我國空間推進(jìn)領(lǐng)域的又一次技術(shù)跨越。
有人說空間交會(huì)對接，就好比在茫茫大海中穿針引線。此次“天舟一號(hào)”需要進(jìn)行液體推進(jìn)劑補(bǔ)加，精度要求提高了一倍。中國航天科技集團(tuán)公司八院主任設(shè)計(jì)師邱華勇說：“因?yàn)橐M(jìn)行液體補(bǔ)加，對接精度大幅度提升。為此，必須通過導(dǎo)向板、機(jī)構(gòu)和導(dǎo)向銷套三個(gè)措施進(jìn)行校正，以此保證精準(zhǔn)插合。”
在本次飛行任務(wù)中，“快遞小哥”施展的另一“絕活”是快速交會(huì)對接。快速交會(huì)對接技術(shù)核心在“快”，從發(fā)射到具備交會(huì)對接條件時(shí)間很短，從以天計(jì)算縮短到以小時(shí)計(jì)算。此前從發(fā)射到交會(huì)對接，飛船需繞地球30多圈，而采用快速交會(huì)對接后僅需幾圈。也就是說，從入軌到對接成功僅需要幾個(gè)小時(shí)，且以飛船的自主制導(dǎo)和控制為主，基本上相當(dāng)于乘坐高鐵從北京到上海的時(shí)間。
空間站建成后重量將達(dá)到百噸級(jí)，當(dāng)有飛船造訪進(jìn)行交會(huì)對接時(shí)，不可能為了迎合飛船而大幅度調(diào)整姿態(tài)。因而，“快遞小哥”的又一“絕活”閃亮登場——全自主繞飛。繞飛是一種高難度的太空飛行，需要飛行器進(jìn)行多次變軌和姿態(tài)機(jī)動(dòng)來完成。與神舟十號(hào)載人飛船在地面人員支持下進(jìn)行的繞飛不同，此次貨運(yùn)飛船繞飛全程均是船上軟件自主規(guī)劃完成，即當(dāng)繞飛指令發(fā)出，飛船上制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)便開始自主規(guī)劃軌跡，自主進(jìn)行變軌控制，自動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng)，不需要地面人員干預(yù)。不僅減輕了地面保障人員的工作強(qiáng)度，更可以實(shí)現(xiàn)測控區(qū)外的自主繞飛。
能源系統(tǒng)升級(jí)、計(jì)算系統(tǒng)升級(jí)、雷達(dá)系統(tǒng)升級(jí)
“快遞小哥”一出世，就引起廣泛關(guān)注，這可是我國目前體積最大、質(zhì)量最重的航天器，最大裝載重量達(dá)13.5噸，它的個(gè)頭比“天宮二號(hào)”和“神舟”系列飛船都要大。這個(gè)龐然大物是如何做到在天地間往返自如的呢？這就要先說說它的能源系統(tǒng)。
據(jù)中國航天科技集團(tuán)公司五院貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體主任設(shè)計(jì)師于磊介紹，“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船的能源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最大的進(jìn)步是基于貨運(yùn)飛船的任務(wù)目標(biāo)和自身特性所量身打造的全新體系——高壓全分散配電體系。傳統(tǒng)航天器多采用集中式配電，存在損耗大、環(huán)節(jié)多等問題，無法充分發(fā)揮高壓母線的優(yōu)勢。于磊團(tuán)隊(duì)提出的高壓全分散配電技術(shù)方案，仿佛為“天舟一號(hào)”打通了“奇經(jīng)八脈”，不僅提高了系統(tǒng)可靠性，而且有效地發(fā)揮了高壓母線的優(yōu)勢。
與“神舟”系列飛船和“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室相比，貨運(yùn)飛船不僅增加了載重量，各系統(tǒng)的復(fù)雜度、參數(shù)類型和數(shù)量也成倍增長，對儀表顯示系統(tǒng)的功能要求更高。中國航天科技集團(tuán)公司研制的“圖形化操作界面”綜合顯示單元成功解決了這一難題，航天員可以通過觸摸進(jìn)行操作，減輕了操作負(fù)擔(dān)，確保在空間環(huán)境中有效地開展工作。
“快遞小哥”上門服務(wù)，沒有絕佳的“眼力”肯定是不行的。此次“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船與“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對接，就依靠該院研制的交會(huì)對接微波雷達(dá)練就了“火眼金睛”。
最多發(fā)動(dòng)機(jī)、最大載貨比、最新型材料
如果說“神舟”系列載人飛船是天地間往返的小客車，那么“天舟”系列貨運(yùn)飛船就是天地間的大卡車。眾所周知，客車與卡車之間的最大區(qū)別就是動(dòng)力系統(tǒng)，而“神舟”系列載人飛船與“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船之間，動(dòng)力系統(tǒng)也有很大的區(qū)別。
據(jù)中國航天科技集團(tuán)公司六院院長劉志讓介紹，在此次飛行任務(wù)中，他們?yōu)椤疤熘垡惶?hào)”貨運(yùn)飛船提供了4種共36臺(tái)不同推力的發(fā)動(dòng)機(jī)，數(shù)量比天宮系列目標(biāo)飛行器增加了近一倍，使得“天舟一號(hào)”成為我國發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量最多的航天器。
“天舟一號(hào)”運(yùn)載量大，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間和運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)成倍增加，十分考驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性。36臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)如何配合才能令飛船“俯仰有度，動(dòng)靜自如”？研制團(tuán)隊(duì)對發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，在不改變性能的前提下，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度。
貨運(yùn)飛船的職責(zé)就是要盡可能多地運(yùn)送貨物，而在動(dòng)力一定的情況下，飛船越輕，就意味著載重量越大。這也就是貨運(yùn)飛船的一個(gè)主要指標(biāo)——載貨比，我們的“快遞小哥”在上崗前，為了追求最大載貨比，進(jìn)行了一番“減肥塑形”。科技人員經(jīng)過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，把“快遞小哥”的連接框設(shè)計(jì)成鏤空形式，將非受力部分的重量去除掉。最后，每個(gè)連接框的重量都降低到原來的50%左右，而受力強(qiáng)度一點(diǎn)沒下降。
據(jù)“天舟一號(hào)”貨運(yùn)飛船總設(shè)計(jì)師白明生介紹，飛船運(yùn)載能力是根據(jù)空間站的規(guī)模來設(shè)計(jì)的，“天舟一號(hào)”的載貨比高，將來還可以進(jìn)一步優(yōu)化到0.48，該數(shù)值將超越歐洲、日本等國家的現(xiàn)役貨運(yùn)飛船，處于國際領(lǐng)先水平。
“快遞小哥”不僅要準(zhǔn)時(shí)送達(dá)，還要保證物資安全。為此，“天舟一號(hào)”飛船搭載了一個(gè)低溫鎖柜。低溫鎖柜對于隔熱保溫材料的性能有著極其嚴(yán)格的指標(biāo)要求，既要絕熱，又要輕薄，這是傳統(tǒng)隔熱材料不能實(shí)現(xiàn)的。科技人員大膽創(chuàng)新，將現(xiàn)有的氣凝膠材料“真空化”，研制出了基于氣凝膠材料的“真空絕熱板”，使得飛船隔熱性能提高了近一倍。
試驗(yàn)證明，這個(gè)“真空絕熱板”圓滿達(dá)到了“天舟一號(hào)”低溫鎖柜嚴(yán)苛的技術(shù)要求，最終被制作成了“天舟一號(hào)”低溫鎖柜的保護(hù)外衣。