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天舟三号为神舟十三号提前备好'粮草'

中央纪委国家监委网站 王雅婧

图为天舟三号与空间站天和核心舱对接模型图。 (图片来源:视觉中国)

最近,中国空间站引起全球关注。神舟十二号飞船刚刚携带3名航天员返回地球,神舟十三号便已准备就绪,近期将再次搭载三名航天员抵达空间站。

兵马未动,粮草先行。9月20日,满载货物的天舟三号货运飞船先一步驶入太空,成功对接空间站天和核心舱后向端口,这是我们向空间站送来的第二批太空“包裹”。作为“宇宙级网红快递”,天舟系列货运飞船的主要作用是为中国空间站在轨运行期间提供补给支持。整个天舟家族目前除了已经发射的天舟二号、天舟三号,还有尚未发射的天舟四号和天舟五号。

与天舟二号相比,天舟三号在装载能力以及系统设计、测试流程等多个方面都进行了优化升级,展现出我国航天领域的强大技术实力。天舟三号具备哪些优秀性能?每项技术优化升级的背后有哪些我们所不知道的原因?未来的天舟飞船又会有哪些不同?围绕相关问题,国庆节前夕,记者采访了中国航天科技集团五院货运飞船系统总体副主任设计师雷剑宇。

天舟三号装载的货包数量增加了25%,但运送物资的总重量却减轻了约1.5吨

记者:这次天舟三号给中国空间站带去了丰富的物质。除了可支持3名航天员在轨6个月的生活物资,还有空间站备份设备和空间科学载荷。后两者大家可能不是很熟悉,您能否给我们介绍一下。

雷剑宇:按照我们的设计,中国空间站在轨飞行的时间至少要达到10年。为了保证空间站长期在轨稳定运行,空间站舱内及舱外大概有100到200台的重要设备是有备份的。特别是舱内的一些关键设备,比如计算机、配电设备、平台设备等,都是可更换、可维修的。可以说,空间站的一个重要特点就是具备可维修性。我们通过可维修性技术来提高空间站的在轨寿命,降低制造成本。

根据重要程度,我们给这些关键设备划分了等级,然后利用天舟货运飞船将对应的维修备用件分批运上去。天舟三号带上去的这些配件,目前还用不着,只是存放在空间站里面,等以后如果哪个设备出现故障,我们再把它替换掉。

空间科学载荷是指航天系统中能实现某种特定任务的仪器、设备、样本及试件等,我们也会上行一些实验辅助装置,完善我们在轨实验的条件。

记者:神舟十三号三位航天员在轨时间是6个月,比上一批多了3个月,天舟三号带上去的驻留物资相应也变多。在火箭运载能力有限制的情况下,我们如何保证飞船不超重?

雷剑宇:天舟三号的发射重量约12吨,运送物资约5.6吨,和天舟二号货运飞船相比,在携带的生活工作物资有所增加的情况下,运送物资的总重量反而减轻了约1.5吨。为什么呢?主要是因为天舟三号货运飞船携带的补加推进剂变少了,整整减少了四个推进剂贮箱。

携带推进剂的目的,主要是给空间站补充燃料。我们的空间站在稳定运行后采用了电推进的方式,对常规推进剂的需求量没有那么多了,所以我们就决定多带货、少带推进剂。

和天舟二号相比,天舟三号的整船装载密度更大,装载的货包数量增加了25%。四个推进剂贮箱被减掉之后,就有一部分非密封的空间空了出来,因此我们在后续研制的货运飞船的空间利用上做了一些优化,把这部分空间加到了密封空间里去,这样密封舱内的货物运输量就变大了。因为航天员生活物资、实验载荷大部分都是放在密封舱里面的,这部分需求目前最为迫切。

记者:天舟系列货运飞船被大家形象地称为“太空快递”。众所周知,我国的物流发展水平全球领先。“太空快递”在货物装载和分拣上是否有借鉴地面物流业的一些成熟经验?

雷剑宇:空间站的货物管理确实借鉴了一些地面的先进物流技术。比如天舟一次会运送好几吨的货物上去,这么多的货物,航天员怎么才能快速准确地知道它们都是什么、用在哪里、放在哪里,答案就是我们应用了一个RFID无线射频识别系统,航天员可以通过扫描货箱上的二维码,获得货物的产品信息和位置信息。同时,该系统还可以对产品信息的库存数量做到动态掌控,辅助航天员在轨时对货物进行盘点。

由于太空和地面使用环境存在很大差异,因此很多地面上先进的物流技术并不能简单复制到空间站,我们的应用态度十分审慎。比如空间站外壳基本上是一个全金属的结构,一些无线设备上去,可能会对空间站运行带来干扰。

记者:在天舟三号上天前,天舟二号飞船从空间站天和核心舱后向端口绕飞至节点舱上的前向端口,为天舟三号与核心舱对接腾出了位置。为什么我们不让天舟三号直接对接到前向端口上?

雷剑宇:正常情况下,货船还是会对接在后向端口上的,或者说,后向端口是天舟飞船的主对接口。这样,航天员进入空间站后可以更方便地从天和核心舱的后门进入天舟三号舱内,货物转运也更加方便。

此外,我们要尽可能利用天舟二号开展空间站建造涉及的关键技术先期验证,为空间站后续任务扫清障碍。比如天舟二号此次在前向对接端口开展机械臂转位试验,就是提前验证机械臂转位实验舱这一关键技术。

后续天舟四号上去,天舟三号也要转到前面去,给天舟四号挪位置。那个时候,天舟二号任务完成,就会自动脱离空间站,坠入地球大气层销毁。

航天员更喜欢在货运飞船里待着,因为货舱空间相对宽敞

记者:相较于天舟二号,天舟三号进行了哪些系统优化设计?

雷剑宇:首先是我们根据空间站的实际需求,对推进剂贮箱进行了动态配置。这是为了提升整个平台的效益,降低平台重量。

其次是我们对交会对接系统进行了优化,将分体式激光雷达升级为一体组合式激光雷达,因为一体组合式的重量更轻,体型更小。同时,我们还直接减配了原有的微波雷达。微波雷达原本主要作为交会对接远距离相对导航系统的一个应急备用。我国北斗导航系统建成之后,飞船远距离相对导航主要靠北斗系统。通过天舟一号、天舟二号几次的在轨飞行验证,我国北斗系统的制导精度高、可靠性好,远距离相对导航安全有保障,因此可以取消微波雷达。

此外,我们还对制导导航与控制系统的控制器硬件进行了性能升级,计算能力大幅提升,控制器软件优化设计了多项功能,进一步提高了飞船在复杂工况下的全自主能力。

记者:天舟三号在停靠期间具备并网供电能力,可以为空间站提供供电支持。为什么天舟三号要设计这样一个功能呢?

雷剑宇:空间站工程是一个大系统,包括核心舱、实验舱、神舟飞船和天舟货运飞船。这样一个复杂系统在轨道上飞行,过程中不可避免会存在太阳翼帆板阳光被遮挡的问题,这会让航天器的供电能力暂时无法满足特定工作模式的用电需求。因此,就需要其他航天器对其进行供电,实现互帮互助。

目前,天舟货运飞船和核心舱之间是100伏的双向高压并网供电模式,核心舱能为货运飞船提供最高2000瓦的供电,货运飞船也能为核心舱提供1000瓦左右的电力。

特别是现在,我们的核心舱还处在“装修”阶段,空间站的用电相对来说是比较紧张的,因此飞船给空间站供电就十分必要。因为飞船后期大部分的平台设备都处于关机状态,不需要工作了。这种情况下,船体的电力消耗比较小,但太阳能板发的电还和以前一样,没有减少,所以我们就可以把多余的电能通过并网的手段传输给空间站,相当于是一个互通有无、资源共享的设计。

记者:持续提高元器件国产化率是天舟三号的一个显著任务特点。您可否简单介绍一下这方面的情况?

雷剑宇:天舟三号在充分继承天舟二号货运飞船研制和飞行成果的基础上,进行了系统优化设计,简化了平台配置,推动元器件自主可控,核心电子元器件基本实现了国产化。同时,国产化也是逐步实现的,一些不是核心的卡脖子的元器件,来源又非常稳定,使用量又极少,要在国内重新开一条生产线的话,其实是不经济的。当然,对于核心元器件的生产研制技术,我们是必须掌握的。

记者:天舟系列货运飞船在研制过程中,有哪些地方是您觉得比较困难的?

雷剑宇:天舟系列从2011年立项至今,整个发展过程我都有幸参与了。我个人感觉,天舟在设计过程中最大的难点就是它的任务类型非常多,对综合任务能力的要求很高。在实现这么多任务的前提下,要把运输效率做到全球最高,是很难的。

此外,货运飞船和常规航天器存在巨大区别的一点是它的质量特性是动态变化的。密封货物舱内装载的货物和推进舱携带的推进剂之间的配比可能变化很大。此外,它所装载的货物类型也各式各样,不是固定的。这需要货运飞船在结构设计上具备很强的适应能力。为此,我们围绕天舟的高效轻量化结构开展了系列技术攻关,包括它的货架/主结构一体化设计以及一些极限边界工况力学实验等等。

很多人以为货运飞船只是一个“货船”,但实际上,在国际空间站航天员喜欢在货运飞船里面待着,因为货舱的空间相对宽敞。建造阶段,天舟三号里面堆满了东西,等到运营阶段,空间压力就小多了,过道就能空出来,航天员是可以较长时间待在里面的。所以天舟内部的空气、湿度、温度等也是需要有保证的,由空间站统一控制,标准与神舟是一致的。

建设时期货物上行需求是最大的,维护阶段发射频次会降低

记者:从天舟三号开始,我们的货运飞船就进入到批组生产的模式。您能简单介绍一下这种模式吗?它有哪些优势?

雷剑宇:批组生产首先是统一生产标准,包括在系统层面统一技术要求、统一验收要求、统一质量要求,在单机层面统一方案设计、统一产品备料、统一技术状态管理。首先总体层面对飞船的技术状态、设计状态进行固化。每艘船可能会略有差异,但我们会把这些差异识别出来,形成一个统一设计方案。

接下来,分系统以及单机单位就可以在一个统一的状态和基线下面开展研制,效率会更高,生产成本也会相应减少。

现在我们的飞船生产模式,被称为“A+B”模式,A就是固定的标准和设计,B就是我们针对每一次不同的任务,会对具体某一方面进行补充性要求或针对性改进。

记者:我们的空间站要长期在轨运行,后续应该还会需要我们的“太空快递”送货上去。随着空间站任务阶段的变化,天舟飞船之后的发射频次会不会也有一些变化?

雷剑宇:按照目前的规划,后续天舟飞船的发射频次应该没有现在这么密集。因为目前我们在太空的这个“房子”,也就是我们的空间站还处于关键技术验证、“装修”和建造阶段,很多维修备件需要在这个时候集中运上去,所以货物上行的需求是最大的。

现在,我们基本保持着“一年两发”的发射频率。我个人感觉,以后,我们的“房子”造好后,进入长期维护阶段,货物运送量就会变小,主要就是一些航天员的在轨驻留物资以及实验载荷,发射的频次会略有下降。当然,我们货运飞船升级扩容、任务拓展之后,发射频度会有比较明显的下降。

记者:目前天舟送货都是单向上行,以后是否可能会出现“送去带回”这种双向运送的货船?

雷剑宇:就我们目前的技术水平来说,“送货上去再带货下来”是完全可以做到的,但我们首先需要考虑它的经济性。需要根据从太空带回来的高价值产物的量来设计我们的货物下行能力。

就货运飞船来说,如果增加了货物下行的设计,上行的效率必然会降低。因为你看我们以往发射的具有返回功能的航天器,基本都是一个倒锥形的结构,这种结构决定了货船的舱内容积在同等重量下会明显减小。假设我们的货船现在一次能带7吨的东西,改成返回式之后,可能就只能带2吨多的东西,上行带货量相当于减少了三分之二。

现阶段,因为神舟系列载人飞船本身已经有一部分的下行能力,所以当我们的太空实验室的下行需求,包括它的高价值产物不是特别多的时候,是不需要货船来专门向地球运送的,神舟飞船就可以胜任。随着空间站的建成运营,高价值的产物会越来越多,因此我们也在设计新型返回式货运飞船,大幅增加下行运力。

当然,很多人可能会畅想未来我们是否有可能利用外太空的资源,这可能是我们更长远的未来的一个奋斗目标。



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原文地址《 天舟三号为神舟十三号提前备好'粮草'》发布于2021-10-10
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