天舟貨運(yùn)飛船空間試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

雷劍宇,賈東永,白明生,梁建輝,方 方

(中國空間技術(shù)研究院,北京 100094)

1 引言

貨運(yùn)飛船是為空間站服務(wù)的空間物資運(yùn)輸載人航天器,旨在通過運(yùn)輸食物、推進(jìn)劑和其他物資來支持空間站的建造與運(yùn)行,并攜帶空間站重要貨物返回地面[1]。1978年1月,蘇聯(lián)發(fā)射了第一艘進(jìn)步號貨運(yùn)飛船;2008年3月,ESA 發(fā)射第一艘自動轉(zhuǎn)移飛行器(Automated Transfer Vehicle,ATV);2009年9月,日本H2 轉(zhuǎn)移飛行器(H-II Transfer Vehicle,HTV)成功首飛。借助NASA 商業(yè)軌道運(yùn)輸計(jì)劃(Commercial Orbital Transportation Services,COTS)和商業(yè)乘員發(fā)展計(jì)劃(Commercial Crew Development,CCDev),SpaceX 公司和軌道科學(xué)公司先后發(fā)射了龍貨運(yùn)飛船和天鵝座貨運(yùn)飛船[2]。

由于貨運(yùn)飛船屬于服務(wù)型載人航天器,平臺功能強(qiáng)大,安全性可靠性高,在完成貨運(yùn)主任務(wù)的同時(shí),具備開展空間試驗(yàn)的先天優(yōu)勢。龍飛船設(shè)計(jì)之初即考慮空間試驗(yàn)功能,并設(shè)計(jì)有DragonLab版本,任務(wù)中多次攜帶小白鼠研究生物長期在軌生理效應(yīng),并進(jìn)行了云氣溶膠傳輸系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[3]。2020年12月加強(qiáng)版龍飛船發(fā)射,空間和供電能力提升,使得整個任務(wù)期間都可以搭載科學(xué)載荷,成為了國際空間站的擴(kuò)展實(shí)驗(yàn)室[2]。天鵝座的服務(wù)艙專門為微納衛(wèi)星留出了一個搭載區(qū)域,于2017年、2019年和2022年分3 次釋放了23 顆立方星和100 顆皮衛(wèi)星[4-5],并多次開展大型航天器火災(zāi)機(jī)理在軌試驗(yàn)[6-7]。HTV 完成了空間碎片清理電動力繩系拖曳裝置在軌試驗(yàn)[8-10],也在規(guī)劃發(fā)展返回版本[11-12]。進(jìn)步號同樣作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺,開展了系列微重力空間試驗(yàn)[13-14]。

天舟貨運(yùn)飛船是中國載人航天工程的重要組成部分,瞄準(zhǔn)國際領(lǐng)先這一核心目標(biāo),打造出的運(yùn)輸效能高、任務(wù)范圍廣、自主能力強(qiáng)的貨運(yùn)飛船,在滿足空間貨物運(yùn)輸主任務(wù)的同時(shí),具備了多維度在軌服務(wù)拓展能力[15-16]。2017年4月20日天舟一號成功發(fā)射,2017年9月22日天舟一號圓滿完成了空間實(shí)驗(yàn)室階段收官任務(wù)。天舟二號、天舟三號于2021年5月和9月成功入軌,均采用全相位、全自主快速交會對接方式與核心艙后向端口對接,同時(shí)?？靠臻g站核心艙,運(yùn)行狀態(tài)良好。

天舟貨運(yùn)飛船上行能力達(dá)到7 t,可以根據(jù)任務(wù)要求調(diào)整貨物配比,試驗(yàn)載荷搭載量大,貨物艙艙內(nèi)和艙外均可安裝載荷,可支持試驗(yàn)領(lǐng)域廣。平臺采用中繼為主的通信體制和標(biāo)準(zhǔn)化以太網(wǎng)協(xié)議,支持試驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像高速實(shí)時(shí)下行;可為試驗(yàn)載荷提供1 kW 供電支持。完成貨運(yùn)主任務(wù),脫離空間站后,天舟貨運(yùn)飛船獨(dú)立飛行,可利用剩余推進(jìn)劑配合試驗(yàn)進(jìn)行軌道機(jī)動和姿態(tài)調(diào)整,適應(yīng)軌道高度范圍200～500 km,任務(wù)約束少,便于試驗(yàn)規(guī)劃,對空間站運(yùn)行影響小。

空間站階段,天舟貨運(yùn)飛船以每年1～2 艘頻度發(fā)射,具備成為常態(tài)化試驗(yàn)平臺的優(yōu)勢。2021年11月24日,中國載人航天工程辦公室發(fā)布了《關(guān)于征集通過天舟系列貨運(yùn)飛船搭載科學(xué)技術(shù)試(實(shí))驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目的機(jī)會公告》[17],用以充分利用天舟貨運(yùn)飛船資源,發(fā)揮載人航天工程綜合效益,促進(jìn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究和航天高科技人才培養(yǎng)。同時(shí),作為國際合作交流的窗口,可為國外科研院所聯(lián)合國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)、院校聯(lián)合開展科學(xué)試(實(shí))驗(yàn)提供平臺。

本文主要介紹貨運(yùn)飛船試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)、可以支持的試驗(yàn)方向、試驗(yàn)支持接口設(shè)計(jì)、搭載流程及接口認(rèn)證設(shè)計(jì)。

2 貨運(yùn)飛船總體設(shè)計(jì)

通過載人航天工程第一步和第二步一階段的實(shí)施,中國已初步建成功能完備的神舟飛船天地往返運(yùn)輸系統(tǒng),能滿足近地載人航天任務(wù)需求。為適應(yīng)中國空間站階段物資運(yùn)輸以及推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加需求,需建造空間物資運(yùn)輸專用系統(tǒng)——貨運(yùn)飛船。2012年,貨運(yùn)飛船正式立項(xiàng),命名為天舟,明確了天舟貨運(yùn)飛船需要具備的物資上行運(yùn)輸、廢棄物資下行、支持組合體姿軌控、空間應(yīng)用和技術(shù)試驗(yàn)支持等四大任務(wù)功能。

2.1 型譜規(guī)劃

貨運(yùn)飛船采用模塊化、通用化、組合化設(shè)計(jì)方案,形成了全密封、半開放、全開放貨運(yùn)飛船型譜(圖1),解決了未來空間站艙內(nèi)、艙外貨物特別是大型貨物上行的難題,研制出具有中國特色的國際首型多功能貨運(yùn)飛船[15]。

圖1 天舟貨運(yùn)飛船型譜Fig.1 Three configurations of TZ cargo spaceship

按照工程總體飛行任務(wù)規(guī)劃,空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證及建造階段將發(fā)射TZ-2 至TZ-5,共4 艘貨運(yùn)飛船,均為全密封狀態(tài)。

空間站運(yùn)營期間,適時(shí)研制半開放、全開放貨運(yùn)飛船,大型試驗(yàn)載荷支持能力將得以大幅提升。本文主要介紹全密封貨運(yùn)飛船的空間試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)。

2.2 基本構(gòu)型

貨運(yùn)飛船為兩艙構(gòu)型,由貨物艙和推進(jìn)艙組成。貨物艙前錐段及柱段為密封段,后錐段為非密封段。推進(jìn)艙為柱狀構(gòu)形的非密封金屬結(jié)構(gòu)。

整船長10.65 m,艙體最大直徑為Φ3.35 m,最大起飛重量為13.5 t,最大貨物上行能力為7 t,推進(jìn)劑補(bǔ)加能力2.5 t,如圖2 所示。

圖2 貨運(yùn)飛船構(gòu)型Fig.2 Configuration of the Tianzhou cargo spaceship

1)貨物艙。如圖3 所示,貨物艙由前錐段、柱段、后錐段組成。貨物艙柱段是整船直徑最大的區(qū)域,其最大外徑為Φ3.35 m,長為4 m。前錐段、柱段為整體焊接的金屬壁板結(jié)構(gòu)。

圖3 貨物艙構(gòu)型Fig.3 Configuration of pressurized cargo cabin

2)推進(jìn)艙。推進(jìn)艙為能源和動力艙,主要布置太陽電池翼、電池組等能源系統(tǒng)設(shè)備,貯箱、氣瓶等推進(jìn)補(bǔ)加設(shè)備和發(fā)動機(jī)組。推進(jìn)艙為柱狀構(gòu)形的非密封金屬結(jié)構(gòu),外徑為Φ2.776 m,高度為3.2 m,如圖4 所示。推進(jìn)艙后端框通過包帶與運(yùn)載火箭連接。

圖4 推進(jìn)艙構(gòu)型Fig.4 Configuration of the propulsion module

2.3 通信

以天基測控通信為主,上升段、交會對接段和末期離軌段等關(guān)鍵時(shí)段配以陸基測控支持。天地跟蹤測軌采用USB 鏈路、窄波束中繼S 鏈路、BDGPS 導(dǎo)航鏈路。交會對接自主導(dǎo)航定位利用BD、GPS 和GLONASS 星座信號實(shí)現(xiàn)。

天基測控通信利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng),通過中繼終端實(shí)現(xiàn),配置S/Ka 雙頻段中繼終端,同時(shí)設(shè)計(jì)了寬波束中繼S 終端作為備份手段,提高入軌初期測控覆蓋率以及對姿態(tài)變化較大或故障情況下的測控適應(yīng)能力。陸基測控通信采用USB 測控體制,通過S 波段應(yīng)答機(jī)和S 波段數(shù)傳機(jī)實(shí)現(xiàn)。采用天地一體化網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)(包括圖像、試驗(yàn)數(shù)據(jù)等)下行[18]。

2.4 姿軌控

針對短期自主飛行、長期停靠的需求,采用純噴氣姿軌控模式。使用光纖和二浮陀螺、星敏、紅外地敏多種測量方式完成飛行姿態(tài)確定。共配置32 臺姿控和4 臺490 N 軌控發(fā)動機(jī),提供交會對接平移和姿態(tài)控制沖量,具備了對上行物資動態(tài)調(diào)配引起的質(zhì)心3.2～5.7 m 大范圍適應(yīng)能力。

3 試驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)平臺優(yōu)勢

天舟貨運(yùn)飛船除空間物資運(yùn)輸主任務(wù)之外,可為試驗(yàn)載荷提供基本的機(jī)械安裝、供電和信息接口支持。完成貨運(yùn)任務(wù)撤離空間站至再入銷毀,可獨(dú)立飛行3 個月,期間利用平臺剩余資源支持開展各類技術(shù)試驗(yàn),具有如下優(yōu)勢:

1)頻度高。空間站階段,天舟貨運(yùn)飛船將以每年1～2 艘的頻度執(zhí)行補(bǔ)給任務(wù)。

2)成本低。天舟貨運(yùn)飛船起飛重量為13.5 t,單次任務(wù)可以運(yùn)送7 t 貨物,每次任務(wù)可余出300 kg 左右重量,用于上行試驗(yàn)載荷。平臺推進(jìn)劑消耗考慮了極端工況以及故障應(yīng)急,任務(wù)末期往往超過200 kg 剩余,再入前可以充分利用此部分推進(jìn)劑開展技術(shù)試驗(yàn)。試驗(yàn)搭載任務(wù)均使用平臺剩余上行重量和富余推進(jìn)劑,不影響貨運(yùn)主任務(wù),且在火箭運(yùn)載能力范圍內(nèi)。

3)平臺能力強(qiáng)。天舟貨運(yùn)飛船是僅次于空間站的大型航天器。作為交會對接跟蹤飛行器,具有精確自主測定軌以及軌道機(jī)動能力;平臺100 V 高壓能源體系、中繼高速天地通信系統(tǒng)可以滿足大部分試驗(yàn)項(xiàng)目需求[18-20];直徑3.35 m 艙體具備較大型載荷裝載能力;充分利用推進(jìn)劑的情況下,可以為試驗(yàn)任務(wù)留軌6 個月以上,達(dá)到分階段充分試驗(yàn)的目的。

4)任務(wù)適應(yīng)性好。任務(wù)末期,天舟貨運(yùn)飛船脫離空間站后,可以根據(jù)試驗(yàn)需要與空間站編隊(duì)飛行,相互配合;也可以撤至不同軌道高度,拉大相位差,避免試驗(yàn)對空間站運(yùn)行產(chǎn)生影響?？梢葬尫盼⒓{星、機(jī)動飛行器,充當(dāng)?shù)鼗?空基定向能武器試驗(yàn)靶標(biāo);作為通信節(jié)點(diǎn)開展激光通信試驗(yàn);植入先進(jìn)控制算法進(jìn)行軌道機(jī)動和再入控制。

3.2 試驗(yàn)支持方向

天舟貨運(yùn)飛船通過充分發(fā)掘自身資源應(yīng)用潛力,雖然不是專用的空間試驗(yàn)航天器,仍然可以支持諸多領(lǐng)域的在軌試驗(yàn),主要包括:

1)空間科學(xué)和技術(shù)試驗(yàn)。天舟平臺密封貨物艙內(nèi)可以開展微重力流體物理與熱物理、微重力燃燒科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、空間元器件等方面科學(xué)和技術(shù)試驗(yàn)。

2)在軌探測和觀測試驗(yàn)。天舟平臺貨物艙艙外可以搭載對地、對天觀測試驗(yàn)裝置,并且可以開展90～500 km 軌道高度各類空間環(huán)境探測。

3)關(guān)鍵技術(shù)在軌驗(yàn)證。航天器關(guān)鍵的探測、通信、控制設(shè)備設(shè)計(jì)定型前,可以在天舟平臺上搭載飛行,在軌驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)、考核性能指標(biāo)、發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié),降低定型產(chǎn)品研制風(fēng)險(xiǎn)。

4)微納衛(wèi)星群部署。支持1 U～100 kg 微納衛(wèi)星釋放部署,一次任務(wù)可釋放多達(dá)50 顆以上。微小衛(wèi)星可以在釋放后獨(dú)立完成預(yù)定試驗(yàn)任務(wù),也可在天舟平臺的配合和支持下開展工作。

5)先進(jìn)控制算法驗(yàn)證。天舟平臺主控制計(jì)算機(jī)采用可重構(gòu)設(shè)計(jì),支持在軌注入和更新,為先進(jìn)控制算法在軌驗(yàn)證提供了條件。平臺可以通過自主精確測定軌驗(yàn)證算法的合理性,為算法改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐,且具備分階段、多輪次試驗(yàn)的優(yōu)勢。

3.3 試驗(yàn)支持設(shè)計(jì)

3.3.1 載荷安裝設(shè)計(jì)

天舟貨運(yùn)飛船充分挖掘貨物艙艙內(nèi)、艙外各類空間資源,為載荷提供安裝位置。相比于天鵝座,天舟貨運(yùn)飛船載荷安裝位置類型更多、區(qū)域更大。

1)貨物艙內(nèi)部。采用貨架作為貨物裝載支撐結(jié)構(gòu),貨架由鋁蜂窩板結(jié)構(gòu)的儀器板和立板組成,高度約為4 m,結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示。儀器板共5 層,通過螺釘安裝在艙體框架上,形成4 層物資安裝空間,儀器板兩層之間使用立板連接支撐。

圖5 貨架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Shelf structure inside cargo cabin

每個貨格的水平儀器板上均預(yù)留了螺釘孔,作為載荷設(shè)備安裝標(biāo)準(zhǔn)接口,可以安裝包絡(luò)尺寸不超過500 mm×650 mm×700 mm,重量不超過50 kg 的載荷設(shè)備。對于超包絡(luò)的特殊載荷設(shè)備,可以通過拆除立板的方式擴(kuò)大安裝空間。

2)貨物艙柱段外側(cè)。外柱段I 象限和III 象限部分區(qū)域可用于載荷安裝,單個試驗(yàn)載荷設(shè)備重量不超過10 kg,設(shè)備高度不大于100 mm。分布區(qū)域如圖6 所示。

圖6 貨物密封艙外柱段載荷安裝區(qū)域示意圖(紅色部分)Fig.6 Potential rideshare mounting location on column section of cargo cabin(Red part)

3)后錐段艙內(nèi)/外壁。后錐段艙內(nèi)壁、外壁桁架設(shè)計(jì)16 個460 mm×460 mm 的試驗(yàn)載荷安裝平臺,用于試驗(yàn)載荷設(shè)備安裝,即圖7 中的紅色區(qū)域。每個平臺可安裝重量不超過20 kg,高度不超過300 mm 的載荷設(shè)備。

圖7 貨物艙后錐段載荷安裝區(qū)域示意圖(紅色部分)Fig.7 Potential rideshare mounting location on rear cone of cargo cabin(Red part)

3.3.2 供電信息支持設(shè)計(jì)

貨運(yùn)飛船目前配置了載荷管理單元、載荷配電單元和以太網(wǎng)交換機(jī)為核心的試驗(yàn)支持公用平臺(圖8)[21-22],設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化、即插即用供電信息接口,實(shí)現(xiàn)搭載載荷支持接口通用、簡捷實(shí)施、動態(tài)管理。平臺為試驗(yàn)載荷提供的供電、信息接口以及上下行信息支持設(shè)計(jì)如下:

圖8 天舟貨運(yùn)飛船試驗(yàn)公用平臺Fig.8 Common test platform of TZ cargo spaceship

1)供電接口設(shè)計(jì)。載荷供電單元配置10 路可控100 V 供電輸出,單路最大電流5 A,總輸出功率不大于1000 W。

2)信息接口設(shè)計(jì)。管理單元為載荷統(tǒng)一提供1553B 總線、遙測、指令等信息支持,以太網(wǎng)交換機(jī)為貨物提供高速數(shù)據(jù)下行支持。①管理單元作為BC 對專用1553B 總線進(jìn)行管理,載荷作為RT 接入總線,能夠支持10 個RT;②管理單元提供68 路模擬量采集通道,采樣周期為500 ms;③管理單元提供12 路開關(guān)指令,驅(qū)動能力不大于300 mA,用于對貨物進(jìn)行控制;④以太網(wǎng)交換機(jī)可提供10 路百兆以太網(wǎng)接口,用于貨物傳輸遙測數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3)上行信息傳輸支持。貨運(yùn)飛船獨(dú)立飛行期間,試驗(yàn)載荷可以通過USB、中繼S、中繼Ka 信道上行注入數(shù)據(jù),最大速率不超過2 Mbps。貨運(yùn)飛船組合體飛行期間處于?？磕Ｊ綍r(shí),可通過對接總線接收對接目標(biāo)轉(zhuǎn)發(fā)的注入數(shù)據(jù),每次注入數(shù)據(jù)有效長度不超過192 字節(jié)。

4)下行信息傳輸支持。貨運(yùn)飛船獨(dú)立飛行期間,可以通過數(shù)傳和中繼Ka 鏈路下行模擬量和數(shù)字量遙測。通過中繼Ka 鏈路下行貨物以太網(wǎng)遙測和試驗(yàn)數(shù)據(jù),最大下行速率為100 Mbps。組合體期間,通過空間站代傳下行試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3.3 軌道機(jī)動設(shè)計(jì)

貨運(yùn)主任務(wù)完成,貨運(yùn)飛船可以根據(jù)試驗(yàn)需求,利用剩余推進(jìn)劑開展軌道機(jī)動,與空間站形成一定的相位差,達(dá)到指定的試驗(yàn)軌位。任務(wù)末期再入銷毀過程中,可以開展亞軌道飛行。飛行試驗(yàn)軌道高度能力范圍為120～500 km。

3.3.4 低溫樣本運(yùn)輸支持設(shè)計(jì)

低溫鎖柜用于低溫試驗(yàn)樣本的裝載運(yùn)輸,可在火箭臨射前進(jìn)行裝載。柜體構(gòu)型為立方體,帶有前后開門,按照制冷范圍分為0 ℃(25 L)和-20 ℃(5 L)兩種規(guī)格,外形結(jié)構(gòu)如圖9 所示。低溫鎖柜后門用于臨射前通過火箭整流罩和貨運(yùn)飛船側(cè)操作口往低溫鎖柜中裝載樣本,航天員在軌通過前門取出試驗(yàn)樣本。

圖9 低溫鎖柜外形圖Fig.9 Outside view of the space refrigerator

4 搭載流程及接口認(rèn)證設(shè)計(jì)

為了充分利用天舟貨運(yùn)飛船平臺試驗(yàn)支持能力,提升任務(wù)綜合效益,載人航天工程辦公室廣泛征集可在天舟貨運(yùn)飛船平臺上搭載的各類試驗(yàn)項(xiàng)目。為此,貨運(yùn)飛船發(fā)布了通用接口要求,建立了與搭載方聯(lián)合設(shè)計(jì)的全新模式,設(shè)計(jì)了等效認(rèn)證測試平臺,簡化搭載項(xiàng)目實(shí)施流程,縮短研制周期。

4.1 載荷搭載實(shí)施流程

試驗(yàn)載荷搭載遵循以下流程:

1)載荷方首先根據(jù)貨運(yùn)飛船通用接口要求進(jìn)行可行性論證,具備初步可行性后,向載人航天工程辦公室提交試驗(yàn)方案;

2)載人航天工程辦公室審查認(rèn)可后,組織貨運(yùn)飛船系統(tǒng)以及其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行接口匹配性詳細(xì)確認(rèn)和方案設(shè)計(jì)評審;

3)接口匹配性確認(rèn)和方案設(shè)計(jì)評審?fù)ㄟ^后,載荷方按要求向載人航天工程辦公室履行立項(xiàng)申報(bào)手續(xù);

4)載荷方開展試驗(yàn)載荷研制,如接口發(fā)生變化,則與貨運(yùn)飛船系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。必要時(shí),貨運(yùn)飛船系統(tǒng)可以與載荷方進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì),消除設(shè)計(jì)障礙;

5)試驗(yàn)載荷完成研制后,通過認(rèn)證測試即可上船搭載。對于力、熱特別敏感的設(shè)備可以隨整船進(jìn)行系統(tǒng)級力熱試驗(yàn)。

4.2 通用接口設(shè)計(jì)

貨運(yùn)飛船系統(tǒng)發(fā)布通用標(biāo)準(zhǔn)接口要求,規(guī)定了機(jī)械、供電、信息等方面詳細(xì)要求(圖10),作為試驗(yàn)載荷設(shè)計(jì)的依據(jù),便于試驗(yàn)載荷方開展搭載接口設(shè)計(jì),降低接口不匹配和研制反復(fù)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖10 貨運(yùn)飛船通用標(biāo)準(zhǔn)接口要求的主要內(nèi)容Fig.10 The main contents of general standard interface requirements for space experiments

4.3 聯(lián)合設(shè)計(jì)與保障

部分試驗(yàn)項(xiàng)目意義重大,且實(shí)施技術(shù)難度大,難以獨(dú)立完成,鑒于部分載荷方?jīng)]有在軌飛行試驗(yàn)項(xiàng)目研制經(jīng)驗(yàn),因此,貨運(yùn)飛船系統(tǒng)提出了與搭載方聯(lián)合完成試驗(yàn)項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)的全新方式,充分發(fā)揮總體設(shè)計(jì)優(yōu)勢和航天器研制經(jīng)驗(yàn),可以應(yīng)載荷方要求介入方案設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)在軌試驗(yàn)場景,優(yōu)化接口狀態(tài),推動試驗(yàn)項(xiàng)目順利實(shí)施,幫助載荷方更快更好地實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。

4.4 等效認(rèn)證平臺

貨運(yùn)飛船平臺與試驗(yàn)項(xiàng)目研制進(jìn)度往往不能匹配,載荷設(shè)備難以采用平臺設(shè)備一樣的測試、試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。為?shí)現(xiàn)貨運(yùn)飛船平臺與試驗(yàn)項(xiàng)目研制解耦,以通用接口要求為基礎(chǔ),圍繞管理單元、配電單元和以太網(wǎng)交換機(jī)為核心建立等效認(rèn)證平臺。試驗(yàn)載荷在等效認(rèn)證平臺通過接口測試,即表明機(jī)械、供電、信息等主要接口設(shè)計(jì)狀態(tài)滿足要求,具備上船搭載開展飛行試驗(yàn)的條件。等效認(rèn)證平臺的建立,提高了貨運(yùn)飛船平臺試驗(yàn)搭載的適應(yīng)能力,以及試驗(yàn)項(xiàng)目研制的靈活性。

5 試驗(yàn)平臺應(yīng)用情況

2017年4月20日,TZ-1 貨運(yùn)飛船發(fā)射,在軌開展了非牛頓引力實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、微重力對細(xì)胞增殖和分化影響研究、兩相系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺關(guān)鍵技術(shù)研究、空間環(huán)境監(jiān)測與控制試驗(yàn)等13 項(xiàng)試驗(yàn)[23-26],于2017年8月22日釋放了一顆3 U 立方星。2021年9月20日,TZ-3 貨運(yùn)飛船發(fā)射,在軌開展激光視覺交會測量敏感器和空間碎片探測載荷2 項(xiàng)試驗(yàn)。圖11～圖13 為部分載荷實(shí)際安裝照片。

圖11 立方星部署發(fā)射器Fig.11 CubeSat emitter on TZ-1

圖12 空間碎片探測載荷Fig.12 Test equipment for space debris detection

圖13 艙內(nèi)貨架安裝的試驗(yàn)載荷Fig.13 Test equipments installed in the cabin

TZ-1 和TZ-3 貨運(yùn)飛船以分時(shí)工作、分時(shí)下傳數(shù)據(jù)的模式進(jìn)行載荷試驗(yàn),全面滿足了載荷在軌試驗(yàn)時(shí)長、時(shí)機(jī)、能源、信息傳輸、微重力環(huán)境、空間環(huán)境等多維度需求。圖14 為TZ-1 貨運(yùn)飛船在軌釋放立方星的影像,圖15 為發(fā)動機(jī)羽流監(jiān)測裝置獲取的貨物艙反推發(fā)動機(jī)羽流溫度場[24]。15 項(xiàng)試驗(yàn)均達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?實(shí)現(xiàn)一次任務(wù)多方受益。

圖14 天舟一號在軌釋放立方星Fig.14 CubeSat released by TZ-1 in orbit

圖15 發(fā)動機(jī)羽流溫度場Fig.15 Temperature field of engine plume

6 結(jié)論

天舟貨運(yùn)飛船系統(tǒng)充分挖掘自身資源,發(fā)展出頻度高、成本低、能力強(qiáng)且適應(yīng)性好的空間試驗(yàn)平臺;以開放的姿態(tài),完成了標(biāo)準(zhǔn)接口和等效認(rèn)證模式設(shè)計(jì),減小了載荷設(shè)備研制風(fēng)險(xiǎn),簡化了搭載實(shí)施流程,加快了在軌試驗(yàn)進(jìn)程。對于意義重大、技術(shù)和實(shí)施難度大的項(xiàng)目,貨運(yùn)飛船系統(tǒng)可以采用聯(lián)合設(shè)計(jì)模式,深入試驗(yàn)方案設(shè)計(jì),促成項(xiàng)目落地,更好地發(fā)揮載人航天工程綜合效益,促進(jìn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究。