成果多多不辱使命“天舟五號(hào)”光榮離軌

文/航星

2023 年9 月12 日9 時(shí)13 分，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船受控再入大氣層。貨運(yùn)飛船絕大部分器部件在再入大氣層過(guò)程中燒蝕銷毀，少量殘骸落入南太平洋預(yù)定安全海域。至此，“天舟五號(hào)”不辱使命，圓滿完成各項(xiàng)任務(wù)。

自2022 年11 月12 日發(fā)射升空以來(lái)，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船在10 個(gè)月內(nèi)承擔(dān)了一系列重要使命，為航天員在軌駐留、空間站組裝建造和空間應(yīng)用領(lǐng)域提供物資保障，還充分利用了貨運(yùn)飛船上行運(yùn)力資源，搭載多項(xiàng)試驗(yàn)載荷，支持開(kāi)展空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)，執(zhí)行空間站姿態(tài)軌道控制等任務(wù)。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船翱翔太空效果圖

“最快送貨員”創(chuàng)世界紀(jì)錄

2022 年11 月初，隨著夢(mèng)天號(hào)實(shí)驗(yàn)艙成功轉(zhuǎn)位，中國(guó)空間站“T”字成型。而天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船正是中國(guó)空間站在這個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)之后的首位“訪客”，與天和核心艙成功實(shí)施后向?qū)印?/p>

值得一提的是，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船創(chuàng)造了世界紀(jì)錄——實(shí)施空間站階段最快的在軌交會(huì)對(duì)接。航天員在軌目睹飛船發(fā)射約2 個(gè)小時(shí)后，就迎來(lái)了新鮮貨品“到站”，并在次日完成環(huán)境檢測(cè)等準(zhǔn)備工作后，進(jìn)入貨運(yùn)飛船，讓全世界感受到了太空里的“中國(guó)速度”。

與天舟貨運(yùn)飛船以往的6.5 個(gè)小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接相比，“天舟五號(hào)”主要從兩方面進(jìn)行了方案優(yōu)化，使任務(wù)耗時(shí)進(jìn)一步縮短：一是優(yōu)化交會(huì)對(duì)接的控制制導(dǎo)策略，飛船制導(dǎo)導(dǎo)航與控制立下大功，遠(yuǎn)距離導(dǎo)引飛行由多圈次壓縮為不到一圈，多次軌道機(jī)動(dòng)也被壓縮為兩次綜合軌道機(jī)動(dòng)，該部分用時(shí)由4 個(gè)多小時(shí)減少到約1 個(gè)小時(shí)；二是在近距離自主控制段，設(shè)計(jì)減少了多個(gè)用來(lái)確認(rèn)飛船狀態(tài)的停泊點(diǎn)，類似地面動(dòng)車組減少了經(jīng)停車站數(shù)量一樣，提升了飛船接近空間站的速度，該部分用時(shí)由2 個(gè)多小時(shí)縮短為約40 分鐘。

毫無(wú)疑問(wèn)，這種超快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)對(duì)于空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)有著非常重要的意義，有望極大提高我國(guó)的太空緊急救援能力，顯著縮短飛船前往空間站的時(shí)間，使運(yùn)輸特殊的鮮活試驗(yàn)品成為可能。更進(jìn)一步，如果將該技術(shù)應(yīng)用于載人飛船，將明顯減少航天員赴空間站的飛行時(shí)間，使任務(wù)更安全，有利于航天員的身心健康。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船后向?qū)佑谔旌秃诵呐撌疽鈭D

其實(shí)，嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，2 個(gè)小時(shí)交會(huì)對(duì)接并不是天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船增加的新功能，之前的天舟飛船也有該功能，只是因?yàn)樵撃Ｊ綄?duì)飛船的飛行狀態(tài)要求較高，在軌驗(yàn)證需謹(jǐn)慎。也就是說(shuō)，2 個(gè)小時(shí)完成交會(huì)對(duì)接只是飛船交會(huì)對(duì)接制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的選項(xiàng)之一。該系統(tǒng)可以根據(jù)火箭入軌情況，自主為飛船選擇不同時(shí)長(zhǎng)的交會(huì)對(duì)接模式，除了2 個(gè)小時(shí)方案，還包括3 個(gè)小時(shí)、5 個(gè)小時(shí)、6.5 個(gè)小時(shí)方案等。

顯然，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船超快速交會(huì)對(duì)接成功實(shí)施，意味著我國(guó)航天器自主定軌技術(shù)取得了新突破，姿態(tài)軌道控制精度更高，綜合制導(dǎo)技術(shù)水平提升，飛控流程更加優(yōu)化。由此，我國(guó)空間交會(huì)對(duì)接模式更加多樣化，功能更加豐富，適應(yīng)能力更強(qiáng)，技術(shù)更趨成熟。

屢次分合“解鎖”新技能

眾所周知，天舟系列貨運(yùn)飛船作為空間站的地面后勤補(bǔ)給航天器，采用了型譜化方案，設(shè)計(jì)出滿足不同貨物運(yùn)輸需求的全密封、半密封、全開(kāi)放共3 個(gè)貨物艙模塊，與通用推進(jìn)艙模塊組合，形成了全密封貨運(yùn)飛船、半密封貨運(yùn)飛船和全開(kāi)放貨運(yùn)飛船共3 種型譜。

天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船屬于全密封貨運(yùn)飛船，在發(fā)射時(shí)是世界上貨物運(yùn)輸能力最強(qiáng)、在軌支持能力最全面的貨運(yùn)飛船（現(xiàn)在這個(gè)“桂冠”已讓給“天舟六號(hào)”），裝載了航天員系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)、空間應(yīng)用領(lǐng)域的貨物，共計(jì)約5 噸，攜帶補(bǔ)加推進(jìn)劑約1.4 噸。

除了送貨上天外，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船還成功“解鎖”了中國(guó)空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的新技能，具體來(lái)講，呈現(xiàn)四大特點(diǎn)。

第一，首次嘗試驗(yàn)證中國(guó)在軌航天器2個(gè)小時(shí)自主快速交會(huì)對(duì)接能力，勇創(chuàng)世界紀(jì)錄。

第二，飛船首次與空間站“T”字構(gòu)型組合體對(duì)接，且對(duì)接目標(biāo)達(dá)到80噸量級(jí)（包括空間站3 個(gè)主要艙段、神舟十四號(hào)載人飛船等），驗(yàn)證了貨運(yùn)飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求，尤其是具備對(duì)大噸位目標(biāo)的適應(yīng)性。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船飛行任務(wù)徽章

第三，中國(guó)空間站首次在有人駐留的情況下實(shí)施貨運(yùn)飛船交會(huì)對(duì)接，成功檢驗(yàn)了故障情景下的備份能力——人員手控遙操作，完成交會(huì)對(duì)接任務(wù)。這可以提高近距離交會(huì)對(duì)接的可靠性。

第四，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船的運(yùn)力資源被充分利用，選擇搭載多項(xiàng)試驗(yàn)載荷，提高飛行任務(wù)的綜合效益，支持開(kāi)展更多空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)。

2023 年5 月5 日15 時(shí)26 分，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船順利撤離空間站組合體，轉(zhuǎn)入獨(dú)立飛行階段。在神舟十五號(hào)載人飛船撤離空間站組合體后，已獨(dú)立在軌飛行33 天的天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船完成繞飛，6 月6 日成功對(duì)接于空間站節(jié)點(diǎn)艙前向端口，為“神舟十六號(hào)”乘組提供了更多可用空間。直到9 月11 日，這艘貨運(yùn)飛船完成了全部既定任務(wù)，再次撤離空間站組合體。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船地面測(cè)試

“副業(yè)”花樣多成果豐富

值得一提的是，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船搭載了“澳門學(xué)生科普衛(wèi)星一號(hào)”上天，并在2022 年12 月18 日成功釋放，為12 月20 日澳門回歸祖國(guó)紀(jì)念日獻(xiàn)上賀禮。

“澳門學(xué)生科普衛(wèi)星一號(hào)”是8U立方星，重12 千克，采用展開(kāi)式太陽(yáng)電池陣，主要任務(wù)是為澳門青少年學(xué)生提供衛(wèi)星科普實(shí)踐平臺(tái)，支持對(duì)地成像、無(wú)線電通聯(lián)體驗(yàn)等航天科普活動(dòng)。隨后，該立方星在軌運(yùn)行穩(wěn)定，為粵港澳大灣區(qū)、海峽兩岸及全球各地業(yè)余無(wú)線電愛(ài)好者提供了良好的航天科學(xué)實(shí)踐平臺(tái)，有力推動(dòng)了內(nèi)地和澳門在航天科普教育方面的深度合作和交流互動(dòng)。

為什么要用飛船運(yùn)衛(wèi)星上天再發(fā)射呢？原來(lái)，這樣可以充分利用飛船的運(yùn)載能力，而且衛(wèi)星在運(yùn)輸過(guò)程中被保存在緩沖效果良好的容器中，能夠減少振動(dòng)造成的潛在損害。航天員在太空中能及時(shí)檢查衛(wèi)星狀態(tài)，選擇最佳的釋放時(shí)機(jī)，由空間站上的特殊設(shè)備釋放衛(wèi)星，甚至必要時(shí)可以由航天員手拋釋放微小衛(wèi)星。

事實(shí)上，中國(guó)載人航天工程一直注重將工程成果應(yīng)用和服務(wù)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。自天和核心艙發(fā)射以來(lái)，天舟貨運(yùn)飛船資源實(shí)現(xiàn)了充分利用，面向政府機(jī)構(gòu)、科研院所、教育機(jī)構(gòu)、企業(yè)、行業(yè)組織等單位，多次公開(kāi)征集基于貨運(yùn)飛船平臺(tái)搭載科學(xué)技術(shù)試（實(shí)）驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船前向?qū)佑谔旌秃诵呐?/p>

▲ 飛船釋放衛(wèi)星效果圖

除釋放“澳門學(xué)生科普衛(wèi)星一號(hào)”外，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船還搭載了宇航用氫氧燃料電池、空間寬能譜高能粒子探測(cè)載荷等試驗(yàn)項(xiàng)目。在此之前，天舟四號(hào)貨運(yùn)飛船搭載了智星三號(hào)A星、應(yīng)急數(shù)據(jù)采集裝置及空間熱泵驗(yàn)證系統(tǒng)載荷，推動(dòng)了航天科普教育示范區(qū)建設(shè)，有效支撐了空間環(huán)境感知技術(shù)創(chuàng)新研究及空間熱管理關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證；天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船搭載了空間碎片探測(cè)載荷，在軌突破并驗(yàn)證了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，搭建了天地一體化數(shù)據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)空間碎片天基短弧定軌及關(guān)聯(lián)，全鏈路驗(yàn)證了天基空間碎片探測(cè)、識(shí)別、定軌、關(guān)聯(lián)及應(yīng)用。

據(jù)公開(kāi)資料顯示，隨天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船搭載上行的多項(xiàng)空間應(yīng)用項(xiàng)目進(jìn)展順利，取得了可喜成果，為空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的運(yùn)營(yíng)管理積累了重要經(jīng)驗(yàn)。

▲ 天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船告別空間站

其中，空間氫氧燃料電池在軌實(shí)驗(yàn)取得成功，初步驗(yàn)證了燃料電池能源系統(tǒng)在軌艙外真空、低溫及微重力條件下發(fā)電特性、變功率響應(yīng)規(guī)律以及電化學(xué)反應(yīng)的界面特性，為空間燃料電池能源系統(tǒng)研制和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供了重要數(shù)據(jù)和理論支撐，未來(lái)將推動(dòng)宇航燃料電池應(yīng)用發(fā)展，為推進(jìn)我國(guó)載人探月任務(wù)提供有力支持。

空間高能粒子探測(cè)載荷完成首次艙外探測(cè)任務(wù)。該探測(cè)載荷是國(guó)際首次在空間探測(cè)領(lǐng)域突破了新型無(wú)機(jī)激發(fā)體探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效中子測(cè)量和高精度中子/伽馬射線甄別，未來(lái)將持續(xù)開(kāi)展空間軌道各類帶電粒子、中子及粒子輻射效應(yīng)探測(cè)，為開(kāi)展相關(guān)空間科學(xué)試驗(yàn)和工程應(yīng)用等提供了關(guān)鍵參考參數(shù)，具有重大科學(xué)研究和應(yīng)用價(jià)值。

展望未來(lái)，天舟系列貨運(yùn)飛船將持續(xù)為航天員和空間站提供補(bǔ)給支持，搭載更多科學(xué)技術(shù)試（實(shí)）驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目，進(jìn)一步發(fā)揮載人航天工程綜合效益。