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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，神舟十一號飛行乘組的兩名航天員在天宮二號空間實(shí)驗室駐留一個(gè)月后，物資基本消耗殆盡。當中國決定建造并長(cháng)期運營(yíng)自己的“天宮”空間站，隨之而來(lái)的一個(gè)問(wèn)題就是，空間站上的推進(jìn)劑怎么補加？航天員長(cháng)期駐留，生活物資不夠了怎么辦？

貨運飛船應運而生。如今，中國的天舟系列貨運飛船已有五艘揚帆起航，舟行天地，構筑起載人航天工程的生命補給線(xiàn)。作為天地運輸通道上的?？?，它從何而來(lái)，又向何去？

開(kāi)創(chuàng )：實(shí)現空間推進(jìn)技術(shù)跨越的天舟

基因的差異，造就不同的生命形態(tài)。貨運飛船從無(wú)到有，它的設計和研制工作，必須根據自身特性和滿(mǎn)足空間站任務(wù)需求來(lái)完成，這是一個(gè)逐步發(fā)現、探索、突破和改進(jìn)的過(guò)程。

2011年，航天科技集團五院就開(kāi)始著(zhù)手進(jìn)行貨運飛船的立項論證工作，確立了貨物艙和推進(jìn)艙兩艙構型總體技術(shù)方案，并將天舟一號作為我國首艘試驗性貨運飛船，以驗證飛船平臺設計本身的合理性。

天舟一號貨運飛船示意圖

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(wù)的貨物裝載量不同質(zhì)心位置會(huì )發(fā)生變化，且貨運飛船在軌廢棄物的裝載也會(huì )對質(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，將不能很好地適應每一次任務(wù)需求，容易造成姿態(tài)穩定性差，甚至影響交會(huì )對接。

這是研制貨運飛船需要首先考慮的問(wèn)題。為保證貨運飛船能夠適應不同質(zhì)心位置和高精度的控制要求，天舟一號將4類(lèi)36臺發(fā)動(dòng)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。

在提高承載能力方面，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%。在減輕自身重量方面，飛船所有關(guān)鍵電子單機采用國產(chǎn)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伏高壓傳輸的基礎。

“天舟”要運送的一項重要貨物是推進(jìn)劑，這就要突破推進(jìn)劑在軌補加技術(shù)。在此之前，掌握在軌推進(jìn)劑補加技術(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，但研制團隊堅持“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年完成天舟一號貨運飛船在軌對天宮二號空間實(shí)驗室的推進(jìn)劑補給，實(shí)現了我國空間推進(jìn)領(lǐng)域的一次技術(shù)跨越。

先行：作為飛行驗證平臺的天舟

天舟一號要把握寶貴的一次飛行機會(huì )，在滿(mǎn)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)驗證。

為提前驗證空間站中所用的關(guān)鍵元器件，加速實(shí)現自主可控，作為飛行驗證平臺的天舟一號大刀闊斧地使用了7大類(lèi)44項國產(chǎn)新研核心元器件。無(wú)論是100伏高壓全分散配電系統和高壓鋰電池的應用，還是貨運飛船內部以太網(wǎng)高速信息系統，再到針對載荷單獨規劃出供電、信息流，研制團隊建立了一套全新的電子和信息系統?！爱敃r(shí)我們跑遍了廠(chǎng)家，做足了各種試驗?！秉h蓉說(shuō)。

到了天舟二號，研制團隊還做了幾件大事。

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

第二，為了提高交會(huì )對接可靠性，天舟二號配合航天員完成了手動(dòng)遙操作試驗。黨蓉表示，與之前航天員在主動(dòng)飛行器上看著(zhù)目標飛行器進(jìn)行操控不同，航天員是在空間站上遙控貨運飛船與空間站對接。貨船首先要獲取圖像，然后將其傳遞給空間站，航天員再根據收到的圖像來(lái)操控，這樣一來(lái)一往就會(huì )受時(shí)間延遲的影響。為此，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提升到了兆級。

第三，打通了“天舟”與空間站雙向并網(wǎng)供電的能力?？臻g站工程是一個(gè)大系統。這樣一個(gè)復雜系統在軌道上飛行，過(guò)程中不可避免會(huì )存在太陽(yáng)翼帆板陽(yáng)光被遮擋的問(wèn)題，這會(huì )讓航天器的供電能力暫時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足特定工作模式的用電需求?？臻g站能為貨運飛船供電，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(shù)和機械臂大負載操控技術(shù)，為后續空間站在軌組裝建造積累了經(jīng)驗。

這一階段的“天舟”，就是一位技術(shù)先行者。

改進(jìn)：不斷增強用戶(hù)體驗的天舟

隨著(zhù)“天舟一號”和“天舟二號”任務(wù)的圓滿(mǎn)成功，技術(shù)狀態(tài)日趨穩定，從“天舟三號”開(kāi)始，貨運飛船正式進(jìn)入組批研制模式。

設計一艘人性化、更符合人機功效學(xué)設計，并能逐步增強用戶(hù)體驗的貨運飛船，這是當時(shí)航天人最想要秉承的一種設計理念。

從貨包來(lái)看，天舟二號攜帶的160多個(gè)貨包，都呈現為米黃色。神舟十二號載人飛船的3位航天員反饋，因為顏色一樣，無(wú)法快速識別物資類(lèi)型。因為貨包所用特種材料的顏色很難改變，研制團隊開(kāi)始給貨包“打蝴蝶結”，不同顏色的束縛帶代表不同種類(lèi)的貨物。

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

這樣的設計理念體現在方方面面：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(xiàn)和色調、地面磚做成毛面避免反光刺眼、用不同顏色營(yíng)造“天地”視覺(jué)感受、用不同頻率和不同聲音區分空間站報警類(lèi)型、對貨包內的緩沖泡沫進(jìn)行分塊小型化設計方便航天員帶上更多的下行物資……凡是跟人的觸覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)五種感官相關(guān)的，研制人員都要統統考慮到。

天舟三號任務(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?！昂教靻T在天上可能會(huì )出現視覺(jué)疲勞，希望這能給他們帶來(lái)不一樣的感受?！瘪T永說(shuō)。

后來(lái)這只“小花?！北缓教靻T湯洪波掛在了自己的“家”門(mén)口。

升級：將“改變”寫(xiě)在基因里的天舟

隨著(zhù)空間站更多科學(xué)實(shí)驗任務(wù)的開(kāi)展，對貨運飛船又提出了新的要求。從目前的反饋情況來(lái)看，“天舟”每一次帶給空間站的推進(jìn)劑都夠用，甚至還有剩余，未來(lái)需要攜帶更多的貨物，這意味著(zhù)天舟六號貨運飛船面臨一次結構上的調整。

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(jìn)后的飛船將原有的8個(gè)推進(jìn)劑儲箱減少4個(gè)，騰出來(lái)的空間放置平臺電子設備，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”。馮永認為，“天舟”的設計階段已經(jīng)過(guò)去了，現在的貨運飛船均為組批投產(chǎn)，狀態(tài)相對穩定，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(lái)突變。在這之前，我們要做好充分的技術(shù)驗證，確?？煽啃?，嚴格把控每一個(gè)細節，做到既不“過(guò)度設計”也不“欠缺設計”，同時(shí)還要考慮成本問(wèn)題。因為商業(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。

天舟五號貨運飛船和整流罩組合體矗立在廠(chǎng)房 記者 宿東 攝

2022年11月12日，天舟五號貨運飛船起飛，這是中國空間站形成“T”字基本構型后迎來(lái)的首艘貨運飛船。未來(lái)的“天舟”還將實(shí)現更快的運輸速度，更大的載重能力，更高的運輸效能，更多的先期技術(shù)驗證。

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