天舟一號：太空快遞抵達天宮

陳冰

“太空快遞小哥”已到達，天宮二號請簽收！

4月20日19時41分發(fā)射成功的天舟一號，經(jīng)過一天多的飛行，在4月22日12時23分與天宮二號空間實驗室順利完成自動交會對接。這是天宮二號自2016年9月15日發(fā)射入軌以來，首次與貨運飛船進行的交會對接。

“大塊頭”的溫柔擁抱

天舟一號是我國專門針對空間站而建造的第一艘貨運飛船，總長10.6米，艙體最大直徑3.35米，整船最大裝載狀態(tài)下重量達13.5噸，有6噸左右的貨物運輸能力，是我國目前為止體積最大、重量最重的航天器。

作為天舟一號與長征七號共同組成的空間站貨運運輸系統(tǒng)的首次飛行，主要意義在于驗證貨物運輸系統(tǒng)設(shè)計的正確性和產(chǎn)品的可靠性，以及中國載人航天工程各個系統(tǒng)執(zhí)行貨物運輸任務(wù)的協(xié)調(diào)性、匹配性。

“如果把神舟八號載人飛船對接機構(gòu)稱為第一代對接機構(gòu)，那么天舟一號貨運飛船對接機構(gòu)可稱為第二代產(chǎn)品。之前天宮與神舟的交會對接被媒體比喻為“在茫茫太空中穿針引線”，此次“快遞小哥”身兼“太空加油”任務(wù)，對接精度更是提高一倍，保證不漏油。

不光要“對得上”，還要能“分得開”。就好像筆桿和筆帽的關(guān)系，筆帽卡得太緊，有可能拔不下來。萬一出現(xiàn)這種狀況，對接機構(gòu)的分離推桿力能克服故障狀態(tài)下的力，使航天器正常分離。

此前，神舟飛船和天宮飛行器都是8噸級的航天器，二者的交會對接已經(jīng)是高難度動作。13噸級的“大塊頭”天舟一號以子彈飛行速度的8倍在軌飛行，要盡量溫柔地“擁抱”同樣高速飛行的天宮二號，難度可想而知。

而未來空間站建設(shè)中更將涉及8至180噸航天器各種方式的交會對接，要滿足這些“重量級”要求，升級對接機構(gòu)成為必然選擇。更大型航天器的交會對接將會產(chǎn)生巨大的對接能量，對于對接機構(gòu)的緩沖耗能能力提出了很高的要求。因此，中國航天科技集團設(shè)計團隊在第二代對接機構(gòu)上增加了用于緩沖撞擊能量的可控阻尼器，既不影響其原捕獲性能，又實現(xiàn)了對接機構(gòu)捕獲后的大噸位耗能需求。

據(jù)航天專家介紹，天舟一號的交會對接能力，比神舟飛船有了質(zhì)的飛躍，具備了360度相位差的交會對接能力，本次天舟一號和天宮二號在飛行軌道的任意相位差條件下均可實現(xiàn)完美對接。

天舟一號又新增加了星敏感器，以確保貨船交會對接過程中的姿態(tài)更加精準(zhǔn)。由于貨運飛船發(fā)動機的配置數(shù)量、推力大小和神舟飛船都不一樣，所以本次交會對接，實際上是對現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的又一次驗證。同時，這次交會對接還有一個比較顯著的特點，就是新研的光學(xué)成像敏感器首次在陽照區(qū)開展工作，這要求敏感器等設(shè)備，在已經(jīng)非常明亮刺眼的環(huán)境下找到標(biāo)識目標(biāo)，好比人們對著陽光看天上的景物，帶來的考驗比之前更難，這次試驗將檢驗我國交會對接“全天時”工作能力。

在整個交會對接過程中，天舟一號需要掌握天宮二號的距離、速度等數(shù)據(jù)，然后調(diào)整姿態(tài)，慢慢靠近直至成功對接。在此前多次交會對接任務(wù)中應(yīng)用的微波雷達、激光雷達和光學(xué)成像敏感器等交會對接測量敏感器，作為此次貨運飛船在茫茫太空中“穿針引線”的“眼睛”，再次接受了考驗。

120米，30米……在距離地面393公里的浩瀚太空中，天舟一號朝著天宮二號慢慢靠攏?！皩訖C構(gòu)捕獲！”貨運飛船和天宮二號的對接機構(gòu)像兩雙有力的手握在了一起。隨后，對接機構(gòu)順利拉回鎖緊，成功對接，兩個飛行器建立剛性連接，形成組合體。

4月22日12時23分，“太空快遞”準(zhǔn)時送到了天宮二號空間實驗室。

高難動作上演“太空芭蕾”

完成第一次交會對接不久，天舟一號和天宮二號將表演各種“太空芭蕾”，天宮二號轉(zhuǎn)體180度，天舟從天宮二號下方繞飛，同時轉(zhuǎn)體180度，加速趕到天宮一號前方，最終從“前”向與天宮二號進行了第二次交會對接。繞飛，是一種高難度的太空動作，需要飛行器進行多次變軌和姿態(tài)機動來完成。

在任務(wù)末期，科研人員還特別為天舟一號安排了一次“以快制勝”的交會對接試驗。同以往神舟飛船交會對接需要大約兩天時間相比，天舟一號將進行快速交會對接試驗，將驗證從入軌到交會對接成功僅需要大約6.5個小時的系列支撐技術(shù)。

天舟一號是一艘貨運飛船，然而它的功能卻不僅僅局限于貨物的運輸。此次天舟一號發(fā)射除了完成交會對接、為天宮二號空間實驗室補加燃料之外，它身上還攜帶了大量的實驗設(shè)備，在太空運行期間要進行多項實驗試驗。

此次天舟一號上總共搭載了40臺設(shè)備，要進行13項太空實驗試驗，真正做到了一船多用。將要在天舟一號上進行的太空實驗，包括新型元器件在軌驗證，空間環(huán)境探測、力學(xué)環(huán)境測量，以及生命科學(xué)方面的實驗等涉及眾多領(lǐng)域。未來我國將要建設(shè)的空間站體積龐大，在太空運行過程中難免會受到太空碎片的撞擊。

此前，天宮二號空間實驗室里因為有航天員駐留，可以展開各種各樣的太空實驗。而這次天舟一號上并沒有航天員，并且飛船最終將隕落大海，這么種類繁多的太空實驗到底是如何進行的呢？設(shè)計師介紹，其實只要通過數(shù)據(jù)和影像的傳輸，科研人員在地面就可以全程監(jiān)控實驗進展。

通過科研人員巧妙的設(shè)計，太空實驗設(shè)備可以裝在貨物艙內(nèi)部，也可以懸掛在船體外側(cè)，這樣既提高了空間利用率，也最大程度滿足了不同試驗的需求。

此外，天舟一號還干了一件重要的事，就是建立了一套標(biāo)準(zhǔn)的實驗設(shè)備與飛船相連的接口。這就好比一個人有手機、平板電腦等多臺電子設(shè)備，如果它們的數(shù)據(jù)接口不相同，就需要許多的數(shù)據(jù)線，如果所有電子設(shè)備接口統(tǒng)一了，那么只需要一根線就可以統(tǒng)統(tǒng)搞定。據(jù)介紹，在此后的空間站建設(shè)中，也將借鑒此類做法。

天舟一號要執(zhí)行為期5個多月的太空飛行任務(wù)，其中包括2個月的組合體飛行和不少于3個月的自主飛行，這是目前中國執(zhí)行載人航天任務(wù)時間跨度最大的一次。

任務(wù)中，天舟一號將與天宮二號將實施三次交會對接，這在我國航天歷史上還是第一次。除了3次交會對接，天舟一號還將對天宮二號實施3次推進劑在軌補加。推進劑補加技術(shù)是空間站實現(xiàn)長期駐留的必要條件。目前，國際上掌握了在軌推進劑補加技術(shù)的只有俄羅斯和美國等少數(shù)國家，其中實現(xiàn)在軌加注應(yīng)用的只有俄羅斯。

天舟一號飛行任務(wù)將驗證推進劑在軌補加技術(shù)，全面考核貨運飛船功能和性能，開展貨運飛船控制組合體、繞飛至前向交會對接、快速交會對接等試驗，持開展空間應(yīng)用及技術(shù)試（實）驗。

1992年9月，中央決策實施載人航天工程并確定了我國載人航天“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略：第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程并開展空間應(yīng)用實驗；第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器的交會對接技術(shù)，發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的短期有人照料的空間應(yīng)用問題；第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的長期有人照料的空間應(yīng)用問題。

天舟一號飛行任務(wù)是空間實驗室飛行任務(wù)的收官之戰(zhàn)，也是中國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略“第二步”的收官之戰(zhàn)。這次任務(wù)完成后，我國將正式邁進“空間站時代”。