中國又厲害了!剛剛,第一艘貨運飛船天舟一號發射成功!

2021-02-15 中國青年報

伴隨著一陣劇烈的轟鳴,長徵七號運載火箭從文昌航天發射場,託舉我國第一艘貨運飛船天舟一號直刺蒼穹,飛向茫茫太空。

這一天是4月20日,農曆穀雨,春季最後一個節氣,老話說這一天後,大地氣溫將迅速回升,農作物迎來生長旺季。

南海之濱,古邑文昌,發射場內火箭飛向天際的衝力,也正加快中國航天邁向「空間站時代」的腳步。

「各號注意,1小時準備!」18時41分許,文昌航天發射場上空,傳來任務01指揮員王光義清脆沉著的口令。

發射程序進入臨射倒計時。

這是一個熟悉的聲音——去年6月25日,我國自主研製的新一代運載火箭長徵七號,在這裡成功首飛,點火發射口令就由王光義下達。

如今,這個聲音將創造新的歷史——天舟一號飛行任務實施,是中國載人航天工程空間實驗室任務的收官之戰,一旦實現太空貨物補給和燃料補加,就意味著中國太空飛行器將在太空上飛得更久。

夜幕漸漸籠罩,燈火漸漸通明。

30度、90度、180度……通天塔雙臂在夜幕下緩緩張開,長徵七號運載火箭與天舟一號貨運飛船組合體落落大方露出真容——

修長的箭體上,「中國航天」四個藍色大字格外醒目,火箭頂部,霧氣蒸騰中的五星紅旗依稀可見。

15分鐘、10分鐘、5分鐘……發射時間越來越近。

72歲的龍樓鎮居民薛貴緒站在自家3層小洋樓裡,屏住呼吸盯著遠方依稀可見的發射場。他望向老家星光村的方向說:「要知道,衛星發射場可是建在我家的老房子宅基地上的。」

這種速度讓他感覺到不可思議:遠處發射場裡的幢幢科研試驗樓,仿佛像一夜間拔地而起。如今,天舟一號要從這裡啟航,踏上擁抱天宮二號的徵程。

「1分鐘準備!」

緊抱火箭的擺杆迅速擺開,發射塔架上與火箭相連的各系統設備瞬間脫落,發射進入讀秒程序。發射場氣氛驟然緊張起來。

「5、4、3、2、1,點火!」

19時41分,大地震動,烈焰飛騰,託舉天舟一號的長徵七號運載火箭緩緩起飛,逐漸加速……

發射場沸騰了!

此時,火箭尾焰灼燒空氣發出巨大的轟鳴聲,現場不少人捂上了耳朵,但也掩飾不住興奮,歡笑聲、快門聲、讚嘆聲此起彼伏。

天舟一號和天宮二號對接演示動畫

「『零窗口』發射!」有人脫口讚嘆。數月來,發射場參試人員談論最多的,就是「零窗口」。

「零窗口」發射是指將火箭在一定長度的發射窗口時間內,在緊貼窗口上沿的最優時間發射。根據測算,今天,天舟一號的發射窗口只有1分鐘!

助推器分離、一二級分離、拋整流罩……巨幅顯示屏上,火箭飛行的實時仿真動畫,準確地顯示著火箭的飛行狀態。

「船箭分離!」,天舟一號貨運飛船發射任務取得圓滿成功!

天舟一號「天空加油」演示動畫

這一夜,航天人書寫了新的裡程碑。

此刻,離開長徵七號火箭的陪伴,天舟一號貨運飛船正獨自向太空進發。對她來說,她的「長徵」才剛剛開啟。

↓ 點我,發射天舟一號,給天宮二號加油↓

↑ 點我,發射天舟一號,給天宮二號加油

隨著4月20日文昌航天發射場的一聲巨響,天舟一號,這個隱匿了6年的我國第一艘貨運飛船,終於露出了廬山真面目。

作為我國載人空間站工程的重要組成部分,貨運飛船顧名思義要承擔為空間站運輸貨物和「加油」的重擔,並負責將未來空間站裡的廢棄物帶回大氣層燒毀。

航天科技集團五院天舟一號總設計師白明生說,從2011年項目立項,到如今一飛沖天,過去整整6年時間,天舟一號 「隱姓埋名」苦練內功,經歷了上千小時測試驗證,以及上百次大型試驗考核。小編採訪有關專家,試著揭開天舟一號的神秘面紗。

天舟一號「只運貨、不送人」,因此被一些媒體形象地稱為「快遞小哥」。

「快遞小哥」身高10.6米,體寬3.35米,體量與和天宮一號目標飛行器、天宮二號空間實驗室相當,但肚大能容,運送相當於自身重量的6頓多貨物不在話下,上行載貨比優於國際現役貨運飛船,快遞貨物經濟實惠。

 

這也是我國建造貨運飛船的目的所在。按照白明生的說法,未來,我們要建造長期有人照料的空間站,就需要輸送航天員所需的生活工作物資,空間站運轉所需的推進劑。天舟系列貨運飛船就是面向我國空間站建造和運營物資運輸補給任務的而全新研製的載人太空飛行器。

天舟一號是兩艙結構,由貨物艙和推進艙組成,白明生說,這可以最大限度地滿足它貨物裝載以及提供能源、控制動力等的需求。

 

值得一提的是,天舟一號之所以能運那麼多的貨物,一個「簡約而不簡單」的貨架功不可沒。這個貨架的專業術語是「高效承載貨架設計」。


表面上看,這個貨架和普通的書架類似,但根據航天科技集團五院專家的說法,其細節和構型都是經過多輪分析討論的結果,貨架採用一種基於蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構,還精心設計了一種大承載輕量化預埋結構,經過測試,三個這種結構就可以承載一臺豪華轎車。

 

航天科技集團五院載人航天總體部研究室主任黃震也提到,天舟一號要運送的物資中,不乏一些精密的儀器設備和太空人用品,發射段受力又大,生怕磕碰,因此只用高強度的貨架是行不通的。

對於敏感的電子器件、機械硬體系統以及其它生活物資,科研人員通常採用「軟包裝」或類似方法來實現裝載、運送。這種「軟包裝」與傳統的硬連接不同,先將貨物包裹在泡沫或氣囊袋裡,再一起固定在貨架上,而非與運載工具的內部貨架結構直接相連接。

 

這並不容易,說白了,貨包設計,過硬不行,容易對貨架進行磕碰,過軟也不行,不能有效保護貨物。黃震說,由於「軟包裝」為裝載對象提供了一個柔軟的、分布式系統的支撐,可以為貨物的上行運輸提供了更好的適應性和合理的貨包綁紮方式。

就像汽車需要加油,未來空間站長期在軌也需要「加油」,這項任務就由「天舟」系列貨運飛船來完成。

 

航天科技集團五院載人航天總體部研究室主任黃震說,在天舟一號之前,掌握了在軌推進劑補加技術的國家只有俄羅斯和美國,其中,實現在軌加注應用的只有俄羅斯。歐空局、加拿大、日本等也在此方面進行著積極的研究探索,國際上在該領域的比拼從未停歇。

 

黃震說,在天舟一號飛行任務中,天舟一號將與目前正在軌飛行的我國首個空間實驗室——天宮二號將實施我國首次推進劑在軌補加,並計劃開展多次推進劑補加試驗,突破和掌握推進劑補加技術,為我國空間站組裝建造和長期運營,掃清在能源供給問題上最後的障礙。

一個看似無關的對接機構,將在這個過程中扮演重要角色。 航天科技集團八院空間實驗室系統、載人飛船系統副總設計師張崇峰說,對接機構並不直接參與空間推進劑補加任務,但是它為補加任務提供了平臺和初始條件。

 

張崇峰說,在軌推進劑補加,主要通過安裝在對接機構上的4路推進劑補加液路浮動斷接器來實現。這就相當於「加油的管路」和「油槍」都安裝在了對接機構產品上。

按照他的說法,「油槍」能不能準確無誤地插入加「油口」,那就得看對接的初始精度了。張崇峰說,天舟一號要順利地把推進劑供給天宮二號,兩個對接機構必須對接得嚴絲合縫——這對空間交會對接的精度提出非常高的要求。

在天舟一號之前,我國掌握的交會對接技術需要耗時兩天左右時間,天舟一號將開展自主快速交會對接試驗,將交會對接的時間控制在6.5個小時。

 

一個形象的比喻是,天舟一號跨出了從「普通列車」邁向「高鐵」的一大步,能做到更快、更舒適、更穩妥地運輸貨物。

黃震告訴小編,快速交會對接的實現,有利於提高飛行器在軌飛行的可靠性,減少交會對接過程中包括軌道控制等在內的產生的資源消耗,同時,更大程度上地保障飛行器,主要是未來空間站的安全,方便空間站突發事件應急處理。

 

6年前,神舟八號和天宮一號完成了我國太空飛行器的首次太空交會對接;6年後,我國第一艘貨運飛船天舟一號,要與天宮二號空間實驗室的交會對接,將再次吸引全世界的目光。

 

張崇峰說,如果把神舟八號載人飛船對接機構稱為第一代對接機構,那麼,天舟一號貨運飛船對接機構可稱為第二代產品,這是第二代產品的首飛。

 

兩代產品的背後,是太空飛行器噸位的差異。

 

神舟飛船和天宮飛行器都是8噸級的太空飛行器,兩者必須沿著質心軸線運動。捕獲、校正後,兩者要處於無偏心的位置,才能順利實現交會對接。

 

張崇峰說,8噸級太空飛行器的交會對接,已經是高難度動作了,但與空間站建設中所要涉及的交會對接相比,仍然是「輕量級」的。這就要求對接機構不斷升級。新的對接機構,必須保證未來空間站建造階段8-180噸太空飛行器實現各種方式的對接。

 

更大型太空飛行器的交會對接將會產生巨大的對接能量,對於對接機構的緩衝耗能能力提出了很高的要求。張崇峰說,這也是空間站建設必須突破的一項技術。

值得一提的是,天舟一號將在飛行任務結束後,經由地面飛控工作人員決策,將實施主動離軌,通過兩次降軌控制,受控地墜落於南太平洋指定區域。

 

這也是中國太空飛行器的第一次——實施主動離軌受控隕落。

 

形象點說,一般的太空飛行器是「燈熄人亡」,在完成使命後,隨著推進劑的消耗殆盡,也宣告著其壽命的盡頭來了。

 

天舟一號卻是「主動犧牲」,帶著可能還未殆盡的能量,主動選擇離開軌道,準備「就義」。

 

「犧牲」的地點也不同。一般的衛星是緩慢降軌,最終在大氣層燒毀,有的不免就淪為了太空垃圾。

 

天舟一號則可以落到南太平洋的指定區域,既避免離軌過程中的不可控因素,也將為打造潔淨、安全的太空環境做出自己的貢獻。



相比於人們所熟悉的「神舟」載人飛船、「天宮」空間實驗室,「天舟」的到訪某種程度上帶著一些神秘色彩,它不載人,只運貨,也因此成為我國第一艘貨運飛船。在我國成功發射了11艘載人飛船,並將11名航天員安全送入太空之後,航天人才將這艘「運貨」的飛船推上太空舞臺。

儘管亮相時間最晚,意義卻不可小覷,天舟一號飛行任務被稱作空間實驗室飛行任務的收官之戰。一旦任務成功,中國載人航天工程就全面走完「第二步」,接下來就是第三步,即中國空間站的建設。這也是為何說天舟一號任務之後,我國將邁進「空間站時代」。

天舟一號貨運飛船即將飛往太空,與天宮二號空間實驗室進行交會對接,開展推進劑在軌補加、空間科學和技術等試驗驗證。這些對中國人意味著什麼,對中國空間站的建設又意味著什麼呢?

從外形上看,天舟一號和天宮二號並無太大區別,對門外漢來說,似乎都是兩個艙體加兩個「翅膀」——太陽能帆板。但細究起來,區別卻不少,比如體格上,天舟一號就要「大」很多,這艘由航天科技集團五院負責抓總研製的貨運飛船,是我國目前為止體積最大、重量最重的太空飛行器——如此才能運送更多的貨物。

在航天科技集團五院天舟一號總設計師白明生看來,要搞清楚天舟一號在我國載人航天工程中的位置,還要從我國的載人空間站計劃說起。

上世紀90年代初期,我國正式啟動載人航天工程,並確立「三步走」發展戰略。第一步可以稱作載人飛船階段,主要任務是研製載人飛船,將航天員送到太空,開展空間應用實驗並返回。在此期間,2003年神舟五號飛船完成首次載人飛行任務;2005年神舟六號飛船完成多人多天飛行試驗任務。至此,中國載人航天工程實現了第一步戰略任務目標。

  

接下來是第二步——空間實驗室階段。這一階段掌握了交會對接技術,成功對航天員中期駐留太空進行了驗證。現在,第二步還剩下最後一項任務,就是天舟一號的飛行任務。

  

要建造長期有人照料的載人空間站,「人(航天員)」和「空間站」是兩項最基本也是最重要的因素。空間站要運行,航天員要工作、生活,空間站運轉所需的燃料即推進劑,以及人員相應的工作、生活物資必不可少,這就需要有一個專門的運輸工具,負責運輸貨物補給並為空間站「加油」——這個重要使命就由貨運飛船擔當。

  

從我國載人航天工程起步到現在,已經有了人員往返天地的工具,即載人飛船;能夠實現太空飛行器間的交會對接;能夠保證航天員在太空工作一段時間,即一個月左右;甚至可以完成人員出艙活動——所有這些都是第三步建設空間站的基礎。

第一步、第二步是準備,目前準備工作即將完成。一旦天舟一號完成任務,便意味著我國具備了向在軌運行太空飛行器補給物資、補加推進劑的能力,這一能力是確保未來我國空間站在軌長期載人飛行的前提。

  

首先是「補給物資」。根據白明生的介紹,目前的神舟飛船,一次除運送航天員外,還能攜帶300公斤物品。但未來航天員要在空間站長期工作生活,就必須儲備大量的食物、水、氧氣和備份材料——這就需要更大的貨運飛船,一次性把幾噸重的貨物送上去——天舟一號一次能將不少於6噸的貨物帶上天。

  

其次是「補加推進劑」。事實上,天舟一號貨運飛船最大的亮點,正是與天宮二號空間實驗室交會對接後,完成太空在軌推進劑補給,即我們通俗稱謂的「太空加油」,開展推進劑在軌補加技術驗證,為我國後續大型空間站建設奠定基礎。

這是國際公認的載人航天技術難題,航天科技集團五院天舟一號副總設計師徐小平告訴記者,目前僅有俄羅斯和美國有過類似的工程應用,國際空間站的這部分功能主要由俄羅斯完成。

  

徐小平說,「太空加油」和我們平時在陸地上加油並不一樣,天舟一號與天宮二號對接之後,通過兩個太空飛行器之間產生的氣體壓力,把推進劑從天舟一號上源源不斷輸送到天宮二號上,雖然看起來和地面加油差不多,但要真正實現起來,卻並不容易。

一方面要保證兩個飛行器能準確的對接,另一方面,又要滿足密封的要求,不讓推進劑洩漏。為此,科研人員研製出「可浮動」的浮動斷接器,對接時允許一定的偏差,以保證更好的對接,之後再「鎖死」進行「加油」。徐小平說,由於這些技術在地面沒有辦法模擬實現,所以必須要在太空環境中實際操作,才能夠檢驗技術的可靠性,而這也賦予了天舟一號更艱巨的任務。

  

此外,天舟一號將與天宮二號將進行的三次交會對接,也是為未來的空間站建設做準備——第一次交會對接後將測試貨運飛船對組合體的控制能力,第二次交會對接是從不同接口方向進行對接。

航天科技集團五院載人航天總體部研究室主任黃震介紹,未來空間站包括核心艙和兩個實驗艙,與貨運飛船形成組合體後由貨運飛船提供主動力,其目的主要在於儘量減少空間站動力、能源等消耗,延長空間站壽命;核心艙前後方向與垂直下方分別設有對接口,未來去往空間站執行任務的載人飛船或貨運飛船很可能從不同方向進行交會對接。

因此,第一次、第二次交會對接檢驗的,都是未來空間站運營所必須的能力。

 

更具看點的是,在最後一次交會對接中,天舟一號將採用自主快速交會對接技術。在天舟一號之前,我國掌握的交會對接技術需要耗時兩天左右時間,快速交會對接將時間控制在6個小時左右。

 

掌握該項技術,有利於提高飛行器在軌飛行的可靠性,提高航天員舒適性,進一步減輕地面跟蹤、測控工作的強度和難度。另外,對於未來空間站來說,一旦遇到突發事件可以快速處理,提高了應急能力,為未來空間站提供了安全保障。

中國載人空間站建設初期將建造三個艙段,包括核心艙、實驗艙I、實驗艙II,每個規模20多噸,基本構型為T字形,核心艙居中,實驗艙分別連接兩側,預計2022年前後建成。

如今,隨著空間實驗室任務接近尾聲,我國未來空間站的實景也越來越清晰地展現在人們面前。

文字/邱晨輝 張文軍 王玉磊  劉遠航  蔡寧寧

圖片/中國空間技術研究院

視頻素材/中國空間技術研究院

漫畫/@地草莓 (個人公號:怪獸艦隊)

編輯/張力友

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