天舟一号是我国专门针对空间站而建造的第一艘

天舟一号是我国专门针对空间站而建造的第一艘货运飞船,天舟一号独立飞行约3个月。20日19时41分,搭载天舟一号货运飞船的长征七号遥二运载火箭在我国文昌航天发射场点火发射,约596秒后,飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得成功。

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中新网北京4月20日电 19日来自中国载人航天工程办公室的消息称,经空间实验室飞行任务总指挥部研究决定,瞄准4月20日19时41分在文昌航天发射场发射天舟一号货运飞船。

这是天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的首次飞行试验。飞船入轨后,将按预定程序与在轨运行的天宫二号先后进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接,3次推进剂在轨补加,以及空间应用和航天技术等领域的多项实验。其间,天舟一号与天宫二号组合体在轨飞行约2个月,天舟一号独立飞行约3个月。完成既定任务后,天舟一号将受控离轨,陨落至预定安全海域;天宫二号留轨继续开展拓展试验和应用。

我国首艘货运飞船天舟一号20日晚开启了“太空快递”的旅程。在揭开神秘面纱的那一刻,科研人员早已用一连串简单数字将它的使命任务勾勒出来。 数字“0” “零窗口”发射:在这次发射中,为提高飞船入轨精度,中国海南文昌航天发射场瞄准“零窗口”发射,让火箭分秒不差准时点火升空,确保天舟准时准点入轨。 发射窗口,是指适合运载火箭发射升空的时间范围。“零窗口”发射则是指发射窗口时间内,紧贴窗口上沿即最优时间实施发射。 数字“1” 第一艘:天舟一号是我国专门针对空间站而建造的第一艘货运飞船,总长10.6米,舱体最大直径3.35米,整船最大装载状态下重量达13.5吨,是我国目前为止体积最大、重量最重的航天器。 首次飞行:这次任务是天舟一号与长征七号共同组成的空间站货运运输系统的首次飞行,主要意义在于验证货物运输系统设计的正确性和产品的可靠性,以及中国载人航天工程各个系统执行货物运输任务的协调性、匹配性。 数字“2” 第二次飞行:天舟一号飞行任务,是长征七号运载火箭的第二次飞行。长征七号是我国新一代中型运载火箭的基本型号,可为我国载人航天工程发射货运飞船,也可用于发射人造卫星等其他载荷。这型火箭采用液氧煤油发动机等新技术,近地轨道运载能力13.5吨,于2016年6月25日在文昌航天发射场成功完成首次发射飞行任务。 “三步走”战略“第二步”:天舟一号飞行任务是空间实验室飞行任务的收官之战,也是中国载人航天工程“三步走”发展战略“第二步”的收官之战。这次任务完成后,我国将正式迈进“空间站时代”。 1992年9月,中央决策实施载人航天工程并确定了我国载人航天“三步走”发展战略:第一步,发射载人飞船,建成初步配套的试验性载人飞船工程并开展空间应用实验;第二步,突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模的短期有人照料的空间应用问题;第三步,建造空间站,解决有较大规模的长期有人照料的空间应用问题。 数字“3” 第三次亮相:中国海南文昌航天发射场是我国自主设计建设的第一座绿色生态环保、完全对外开放的现代化新型航天发射场,主要承担地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、大吨位空间站、货运飞船、深空探测器等发射任务。2016年,长征七号和长征五号在这里首飞成功。天舟一号飞行任务是发射场承担的第三次发射任务。未来,我国的探月工程三期飞行器、现代化空间站等都将从这里发射升空。 3种型谱:天舟货运飞船是我国载人空间站的重要组成部分,主要任务是为空间站补加推进剂和运输货物等。针对运输货物的不同类型和需求,天舟货运飞船设计了“全密封”“半开放”“全开放”三种型谱。其中,全密封货运飞船主要用于运输航天员消耗品、密封舱内设备与试验载荷;半密封货运飞船除了可以运输密封舱内货物外,还可以满足包括太阳电池翼等舱外物资的运输需求;全开放货运飞船主要用于大型舱外货物的运输。 3次交会对接:天舟一号发射入轨后,将在近半年的时间里与天宫二号进行3次交会对接。其中,第一次交会对接和此前神舟飞船自动交会对接的控制方式一样。第二次为绕飞交会对接,这是空间站建造和运营的关键技术之一,可以让航天器从多个方向与空间站对接。第三次为自主快速交会对接,可将之前需要2天左右的交会对接过程提速到6小时左右。 3次推进剂在轨补加:除了3次交会对接,天舟一号还将对天宫二号实施3次推进剂在轨补加。推进剂补加技术是空间站实现长期驻留的必要条件。目前国际上掌握了在轨推进剂补加技术的只有俄罗斯和美国等少数国家,其中实现在轨加注应用的只有俄罗斯。 数字“4” 4大任务目标:天舟一号飞行任务将验证推进剂在轨补加技术,全面考核货运飞船功能和性能,开展货运飞船控制组合体、绕飞至前向交会对接、快速交会对接等试验,支持开展空间应用及技术试验。 数字“5” 在轨飞行5个多月:天舟一号计划在轨飞行至少5个多月的时间,其中包括2个月的组合体飞行和不少于3个月的自主飞行,这是目前中国执行载人航天任务时间跨度最大的一次。 数字“6” 运输货物超6吨:天舟一号有6吨左右的货物运输能力。其中,搭载试验载荷主要包括非牛顿引力实验检验装置、探测跟踪技术验证试验装置等10余项载荷。有关设备和物质主要包括,按照3人30天需求量配置的真实生活物资或质量模拟件、1套模拟舱外服、软质水箱和硬质水箱各1个、氧瓶和氮瓶模拟组件各2个。

天舟一号是中国自主研制的首艘货运飞船。这个身强力壮功能多的“快递小哥”,将与天宫二号空间实验室交会对接,通过高大上的“太空加油”技术,为其带去来自地球的“能量包裹”。

目前,天宫二号运行在距地面393公里的近圆对接轨道,设备工作正常,运行状态良好,满足交会对接任务要求。

“箭”在弦上

长征七号遥二运载火箭与之前执行首飞任务的长征七号遥一运载火箭技术状态基本一致,为满足发射货运飞船要求,进行了部分技术状态更改,进一步提高了安全性与可靠性。这是长征系列运载火箭的第247次飞行。

——瞄准20日19时41分发射天舟一号

准备

中国载人航天工程办公室消息称,天舟一号货运飞船与长征七号遥二运载火箭等飞行产品自2月中旬陆续进入发射场后,按照飞行任务测试发射流程,于4月17日完成了总装测试等技术区各项工作。

“快递小哥”提前几个月热身

18日,天舟一号飞行任务进行最后一次全区合练。结果表明,各系统组织指挥畅通,技术状态正确,参试设备状态良好。合练的完成,标志着全区各系统具备执行发射任务条件。

天舟一号是一位强壮的“快递小哥”,只运货,不运人,主要任务是为天宫二号“快递”。不过,天舟一号要为这趟旅程提前几个月做准备。

19日晚间的消息称:经空间实验室飞行任务总指挥部研究决定,瞄准4月20日19时41分在文昌航天发射场发射天舟一号货运飞船。

2月13日,天舟一号货运飞船安全运抵中国文昌航天发射场,开展发射场区总装和测试工作。

作为中国首艘太空货运飞船,天舟一号的首飞,将标志着中国载人航天工程胜利完成“三步走”战略中的“第二步”任务,为空间站建设任务奠定坚实技术基础。

3月2日,中国航天科技集团公司科技委主任包为民接受采访时表示,长征七号遥二运载火箭近日通过出厂评审。几天后,长征七号从天津港起程后,经过一周多的海陆运输,3月11日运抵文昌航天发射场,开展发射场区总装和测试工作。承担发射天舟一号货运飞船任务的长征七号动力系统试验队,也提前2天到达,他们与负责飞船推进剂在轨补加技术的试验队员联合开展工作。

中国首艘货运飞船长啥样?

4月10日,远望7号船赴太平洋某海域执行天舟一号海上测控任务。远望7号船自去年7月入列以来,先后完成神舟十一号与天宫二号交会对接、长征五号火箭首飞等重大任务。

——身强力壮功能多

4月17日,天舟一号货运飞船和长征七号遥二火箭终于不再“犹抱琵琶半遮面”,垂直转运,走出厂房,总重近1800吨的平台沿轨道慢慢移动,10时许精准停驻在发射塔架前。

作为中国自主研制的首艘货运飞船,天舟一号到底长啥样,引发外界关注。

4月18日,天舟一号发射任务举行最后一次全区合练。合练结束后,标志着全区各系统具备执行发射任务条件。

公开报道显示,天舟一号采用两舱构型,由货物舱和推进舱组成,全长10.6米,舱体最大直径3.35米,整船最大装载状态下重量达13.5吨,个头比天宫二号和神舟飞船都要大,是目前中国体积最大、重量最重的航天器。

货物

“能装才是硬道理”——天舟一号物资上行能力约6吨,其中,推进剂补加能力约为2吨,上行载货比优于国际现役货运飞船。

“飞天”一趟带了6吨多货物

国际宇航联空间运输委员会秘书长、中国航天科工集团公司二院二部研究员杨宇光日前透露,天舟一号具备独立飞行3个月的能力,具有与天宫二号空间实验室交会对接、实施推进剂在轨补加、开展空间科学实验和技术试验等功能。

天舟一号的任务是运送超过6吨的物资与设备飞向太空。在这些货物中,除了维持天宫二号运行的各种补给外,还有大量太空实验设备和载荷。

难度极高!

天舟一号是两舱结构:货物舱和推进舱,货物舱装载货物,推进舱为它提供电力能源,推进控制动力并装载推进剂。它此次装载的6吨货物,2吨是推进剂,载货比达到0.48,赶超了日本,更远超美国、俄罗斯等国家的货运飞船。其余4吨货物主要是未来航天员生活、工作所需要的物资:生活补给、精密仪器等等,甚至有为航天员准备的水果。

——首次挑战“零窗口”发射

货运飞船机械总体主管设计师郭军辉介绍,新研制的高科技货包外观呈清新的乳黄色,采用新型抗菌防潮防霉布料,可确保货物在货包中存放一年。为避免货物直接与货架结构相连接,货包里面还有一层新研制的防火防潮且防震的泡沫或气囊袋。

有媒体援引专家的话表示,此次发射天舟一号飞船,是“零窗口”发射,所以难度非常高,面临着极大挑战。

中国航天员科研训练中心航天员系统副总设计师黄伟芬表示,货运飞船是按照3人30天的任务进行配置相应货物,主要包括航天员的健康、生活和工作保障。这次飞行任务还将验证货物打包、运输、信息管理、交付、装载、微生物控制等全过程方案的有效性。

那么,什么是“零窗口”发射?

天舟一号货运飞船系统总体副主任设计师张健表示,要将1公斤重的东西送入太空,大约要花费几十万美元。普通人想通过天舟飞船向空间站快递货物,仍然不太现实。

据了解,发射窗口是指运载火箭携带着航天器发射升空比较合适的一个时间范围,有的以小时计算,有的以天计算,在此期间火箭都可以发射。由于此次发射天舟一号飞船要和天宫二号空间实验室实现交会对接,对发射精度要求很高,因此,发射窗口不是一个时间范围,而是一个确定的时间点,一秒都不能差,这就是航天人所说的“零窗口”,这对于火箭和发射场系统的可靠性提出了很高的要求。

工作

航天科技集团一院长征七号运载火箭总指挥王小军指出,“因为零窗口发射,加之火箭组成是一个很复杂的系统,由大量的系统组成。另外,在射前的操作、流程也是非常复杂。在这个工作过程中间任何一个环节出了问题,我们就在保证零窗口发射中都会存在一定的困难。”

除了“送快递”还要“做实验”

“快递小哥”要干点啥?

若以为天舟一号只负责送货,那你就错了,天舟一号还是科学家,上面装载着四项重要科学实验研究、技术试验验证。这些实验、试验只能在摆脱了地球引力的太空环境中做。

——给天宫二号“太空加油”

实验一是微重力环境对细胞增殖与分化影响研究。研究分8个课题,包括失重状况下产生的骨质疏松药物开发、太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞,等等。在生殖细胞研究方面,空间人类胚胎干细胞定向分化生殖细胞属国际首创。实验二是两相系统实验平台关键技术研究。

发射入轨后,天舟一号此行将干点啥,备受全球关注。

试验一的非牛顿引力实验检验的关键技术验证由华中科技大学引力中心所承担,是一个有关牛顿万有引力定律检验的空间基础物理实验,可以为引力理论的研究提供重要的实验依据。项目将在轨测试“高精度静电悬浮加速度计”的工作性能,其分辨率达到国际先进水平,获得的在轨试验结果可为非牛顿引力实验检验进行关键技术验证,也将对我国“卫星重力测量”、“空间引力波探测”等空间计划提供重要技术支撑。试验二的主动隔振关键技术验证项目在轨进行六自由度磁悬浮主动隔振关键技术验证;同时为非牛顿引力实验检验关键技术验证装置提供高于飞行器平台1至2个数量级的微重力环境。也将为空间站高微重力实验平台研制奠定技术基础。

“给航天员送吃的、用的,给航天器送推进剂——天舟一号3次交会对接,3次在轨补加就是为了完成这两件事。”中国航天科技集团在其微信公众号一篇文章中形象写道。

准时

天舟一号“只运货、不送人”,因此被一些媒体形象地称为“快递小哥”。此行,天舟一号将与中国首个空间实验室天宫二号完成交会对接,实施推进剂在轨补加,突破和掌握推进剂在轨补加等关键技术。

千里送“快递”能分秒不差

其中,推进剂在轨补加俗称“太空加油”,是天舟一号核心目标任务之一,是空间站建设的标配。据中国航天科技集团公司五院GNC分系统主任设计师、天舟一号GNC分系统主任设计师刘宗玉介绍,这将为中国空间站组装建造和长期运营解决能源供给问题。

面对曲折的送货路线和复杂的使命任务,天舟一号携带了三件“秘密武器”。

需要指出的是,货运飞船,不仅是送货那么简单。天舟一号还搭载了非牛顿引力实验等10余项应用载荷,将在轨开展空间科学及技术试验。

第一件“秘密武器”是力学环境测量系统。天舟一号的飞行器结构撞击智能感知与定位功能,能够进行全飞行时段的综合力学环境监测,可以在第一时间感知到太空垃圾撞击的位置和受损程度,甚至还能检验飞船结构设计、货物装载合理性,为在轨损伤修复和结构优化设计提供帮助。

中国为何要研发货运飞船?

第二件“秘密武器”是网络交换技术使网络平台。它首次利用在地面通信中已经十分成熟的网络交换技术,成功构建了一个标准化的、高速的、大容量的开放性网络平台。它不仅支持船内高清视频、大批量载荷数据的传输,还可以无缝接入天宫二号等空间站网络,天舟一号因此也成为推动航天器数据传输跨入千兆比特高速时代的“第一人”。

——将开启空间站时代的黎明

第三件“秘密武器”是相对测量子系统,让“快递”与“客户”千里相会、签收无误。首次利用北斗导航星座的相对测量子系统的扩展性和通用性更高、定位更连续稳定,不仅确保了与“客户”天宫二号首次交会对接的自主可控,安全性大大提高,还因为新增的整秒脉冲输出功能,为全船的相关设备都提供了高精度的时间基准,确保货物准时送达。

中国为何要研发货运飞船?航天科技集团五院天舟一号货运飞船总设计师白明生解释称,未来中国的空间站在太空轨道运行,会受到残存大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度,为了要保持原有的高度,就必须消耗燃料推动空间站上升,这就需要货运飞船为空间站进行燃料补充。

对接

杨宇光进一步表示,未来中国的载人空间站,将有几名航天员在轨长期驻留,在乘组轮换期间甚至将有两艘神舟飞船和更多的航天员短期同时在轨。显然,没有货运飞船的支持,是无法完成长期在轨驻留任务的。这也是中国航天研发天舟货运飞船的根本原因。

时间从两天左右缩短到几小时

因此,对于中国来说,天舟一号将开启空间站时代的黎明。

在天舟一号之前,我国掌握的交会对接技术需要耗时两天左右。而天舟一号此次将开展自主快速交会对接试验,将交会对接的时间控制在几个小时内。快速交会对接的实现,有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性,减少交会对接过程中包括轨道控制等在内的产生的资源消耗,同时,更大程度上保障飞行器,方便空间站突发事件应急处理。

此外,航天专家还将视线投向更远的未来,例如建设月球基地或火星基地,必然需要降低货物运输的成本。

第一次对接:天舟一号升空约2天后,与天宫二号进行交会对接,形成组合体,并在轨飞行两个月时间。在此期间,它们要检查整体状态,补加推进剂,并测试天舟一号对组合体的控制能力。

“将月球基地的货物运输成本降低到近地轨道货运的水平”,杨宇光说,那将使人类进入“开发太阳系的新纪元”。

第二次对接:组合体形成两个月后,天舟一号从天宫二号后向撤离,再绕到前向与天宫二号对接。因为天宫二号后方没有对接口,因此做天舟一号绕飞的过程中,天宫二号也会随之不断调整方向。这次绕飞试验后,天舟一号再次与天宫二号分离,二者各自独立飞行三个月,在此期间天舟一号还需完成搭载的多项空间科学实验和试验。

第三次对接:分开三个月后,重头戏来了!天舟一号将与天宫二号进行第三次对接,验证自主快速交会对接技术,这要求两个航天器在约6个小时的时间实现对接。一旦这个试验成功,今后的载人飞船也可以采取这一对接技术,不仅可以缩短对接时间,还能让航天员更舒服一些。

交货

突破“太空加油”技术才能“交货”

作为一名合格的“快递小哥”,天舟一号要如何把6吨货物安全交给天宫二号?这要把货物分成两类来说。

一类是给天宫二号的补给品——航天员未来生活、工作所必需的食物、气体、精密仪器等。这些补给品将通过天舟一号与天宫二号的交会对接来实现“送货上门”。在此次任务中,天舟一号与天宫二号将实现三次交会对接。

另一类,就是未来空间站长期在轨所必需的推进剂,就像汽车需要加油一样,因此给航天器送推进剂也被称为“太空加油”。一个航天器的寿命长短与推进剂紧密相关,因为航天器经常是因为推进剂消耗殆尽而结束使命的。太空中在轨推进剂补加,是空间站建造和运营的关键技术之一。

这一关键技术将为我国空间站的组装建造和长期运营扫清在能源供给上的最后障碍。未来几天,这项技术即将迎来太空中的考验。天舟一号与天宫二号将进行我国首次推进剂在轨补加,并计划开展多次推进剂补加试验。推进剂补加约有三十个步骤,相当复杂。

本版文/本报记者雷嘉新华社

释疑

神舟和天舟哪个难度大?

神舟系列载人飞船于1999年首次发射成功,至今已经发射了十一艘,天舟一号直到2017年才首飞,这是因为货运飞船研制难度更大吗?

天舟一号货运飞船总设计师白明生表示,神舟系列飞船与天舟系列飞船研发的先后顺序,是由我国载人航天工程“三步走”发展战略决定的。按照计划,天宫二号空间实验室任务结束后,我国将建造长期有人照料的空间站,这就需要输送航天员所需的生活、工作物资、空间站运转所需的推进剂。天舟系列货运飞船就是面向我国空间站建造和运营物资运输补给任务的,全新研制的载人航天器。

新鲜果蔬也能送上太空?

天舟一号货运飞船副总设计师徐小平表示,天舟系列飞船“只运货、不送人”,运送航天员是神舟系列飞船的任务。虽然天舟系列飞船个头更大、空间更多,但其舱段构型和舱内布局都是专门为输送物资设计的,更强调的是“大肚能容”,而不是神舟飞船的安全舒适,并不能用来运送人员。

天舟一号货运飞船主任设计师王为表示,将来,天舟系列飞船给空间站输送物资时,地面人员会精心挑选一些新鲜果蔬,在发射前通过整流罩操作口、货运飞船操作口装进飞船。一切顺利的话,让航天员们在飞船发射后六七个小时,就能品尝到来自祖国的新鲜美味。

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