天舟五號(hào)首次實(shí)現(xiàn)了2小時(shí)自主快速交會(huì)對(duì)接，創(chuàng)造了世界最快交會(huì)對(duì)接紀(jì)錄。這一技術(shù)突破對(duì)于提升我國(guó)空間交會(huì)對(duì)接水平、提升空間站任務(wù)應(yīng)急物資補(bǔ)給能力具有重要意義。
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“貨運(yùn)專列”升級(jí)為“太空高鐵”
從火箭升空到與空間站完成交會(huì)對(duì)接，天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船僅用約2個(gè)小時(shí)，打破了此前俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船MS-17保持的3小時(shí)3分鐘交會(huì)對(duì)接最短用時(shí)紀(jì)錄，創(chuàng)下了世界航天器最快交會(huì)對(duì)接紀(jì)錄。
“快”是天舟系列貨運(yùn)飛船的顯著特點(diǎn)，也是核心難點(diǎn)。此前，我國(guó)天舟系列貨運(yùn)飛船采用6.5小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)，天舟五號(hào)則在此基礎(chǔ)上再進(jìn)一步。天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師胡海霞介紹，本次任務(wù)優(yōu)化了交會(huì)對(duì)接的控制制導(dǎo)策略，將遠(yuǎn)距離導(dǎo)引過程由多圈次壓縮為不到一圈，將多次變軌壓縮為兩次綜合機(jī)動(dòng)，使該部分用時(shí)由4個(gè)多小時(shí)減少到約1小時(shí)。在近距離自主控制段，則減少了多個(gè)用以確認(rèn)飛船狀態(tài)的停泊點(diǎn)，“就像動(dòng)車組減少了經(jīng)停車站，讓貨運(yùn)飛船與空間站組合體更快接近，從原本的2小時(shí)縮短到40分鐘左右”。
2小時(shí)快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)大大縮短了天地運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)，使運(yùn)輸特殊鮮活試驗(yàn)品成為可能。本次任務(wù)中，天舟五號(hào)就搭載了一定量的新鮮水果，在裝船時(shí)特別進(jìn)行了保鮮處理，以更好地滿足航天員營(yíng)養(yǎng)需求。同時(shí)，該技術(shù)還能極大地增強(qiáng)太空緊急救援能力，如果將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于神舟載人飛船，將大大減少航天員赴空間站的飛行時(shí)間，讓航天員能夠盡快進(jìn)入空間站。
“嚴(yán)格來說，2小時(shí)交會(huì)對(duì)接并不是我們?yōu)樘熘畚逄?hào)增加的新功能，之前的天舟系列貨運(yùn)飛船也有該功能，只是因?yàn)樵撃Ｊ綄?duì)飛船飛行狀態(tài)要求較高，所以未曾在軌實(shí)施。”航天科技集團(tuán)五院502所交會(huì)對(duì)接首席專家解永春表示，天舟五號(hào)實(shí)現(xiàn)了從“貨運(yùn)專列”到“太空高鐵”的升級(jí)，未來的天舟貨運(yùn)飛船可以根據(jù)火箭入軌情況，自主選擇不同時(shí)長(zhǎng)的交會(huì)對(duì)接模式。從6.5小時(shí)到2小時(shí)，標(biāo)志著我國(guó)自主定軌技術(shù)精度更高，姿態(tài)軌道控制精度更高，綜合制導(dǎo)技術(shù)水平更高，飛控流程更加優(yōu)化，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)。
“掃一掃”就能查詢物資信息
此次任務(wù)是中國(guó)空間站在有人駐留的情況下進(jìn)行的首次貨運(yùn)飛船交會(huì)對(duì)接。與以往貨運(yùn)飛船不同，天舟五號(hào)的對(duì)接目標(biāo)是達(dá)80噸量級(jí)的空間站組合體。
為了進(jìn)一步提高近距離交會(huì)對(duì)接過程的可靠性，天舟五號(hào)具備故障情況下手控遙操作交會(huì)對(duì)接任務(wù)備份能力。當(dāng)飛船靠近并貼緊空間站時(shí)，航天員會(huì)同步在“天宮”之中密切關(guān)注飛船的各個(gè)動(dòng)作和各項(xiàng)參數(shù)。此次任務(wù)的成功，也充分證明了貨運(yùn)飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)對(duì)大噸位目標(biāo)的適應(yīng)性。
飛船完成交會(huì)對(duì)接“停穩(wěn)”后，航天員將很快進(jìn)入其中，拿到來自地面的“家鄉(xiāng)貨”。貨物雖多，但物資管理系統(tǒng)中登記著每項(xiàng)物資的全面信息，航天員只需“掃一掃”，就能查詢到物資的位置及各項(xiàng)信息。
未來，天舟貨運(yùn)飛船將會(huì)持續(xù)“進(jìn)化”。天舟貨運(yùn)飛船總設(shè)計(jì)師白明生透露，天舟六號(hào)等后續(xù)貨運(yùn)飛船將進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)，貨物艙將進(jìn)行較大改進(jìn)，大幅增強(qiáng)密封艙的貨物運(yùn)輸能力，使其一次性攜帶更多物資入軌。
貨運(yùn)飛船具備太空實(shí)驗(yàn)支持能力
天舟五號(hào)除了為航天員送去“快遞”外，還將承擔(dān)起實(shí)驗(yàn)支持的職責(zé)，其搭載的實(shí)驗(yàn)載荷將在空間失重環(huán)境下開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證前沿航天關(guān)鍵技術(shù)。
中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心介紹，天舟五號(hào)上行了空間站艙內(nèi)外科學(xué)實(shí)驗(yàn)載荷、實(shí)驗(yàn)單元及樣品、支持類設(shè)備、備品備件等應(yīng)用物資。其中，空間冷原子干涉儀將基于高微重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜，開展空間冷原子干涉等效原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn);細(xì)胞實(shí)驗(yàn)單元上行生保支持裝置守護(hù)細(xì)胞實(shí)驗(yàn)樣品安全到達(dá)，未來將基于生物技術(shù)實(shí)驗(yàn)柜開展人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞骨向誘導(dǎo)分化實(shí)驗(yàn)及小鼠成肌細(xì)胞自噬誘導(dǎo)分化實(shí)驗(yàn);變重力沸騰實(shí)驗(yàn)裝置、變重力顆粒振動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置則將基于變重力科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜開展相應(yīng)研究。此外，本次任務(wù)上行的艙外材料暴露試驗(yàn)裝置將開展微重力和空間輻射環(huán)境對(duì)有機(jī)形狀記憶合金、潤(rùn)滑材料、輕質(zhì)抗輻射金屬材料以及月壤水泥等特殊材料的組織結(jié)構(gòu)和性能影響研究。
燃料電池發(fā)電系統(tǒng)載荷也是其中的重要部分，后續(xù)計(jì)劃開展我國(guó)首次燃料電池空間在軌試驗(yàn)。我們?yōu)楹我芯靠臻g應(yīng)用燃料電池?航天科技集團(tuán)五院529廠科研人員介紹，月球上的一天大約相當(dāng)于地球上的一個(gè)月，未來開展的載人探月任務(wù)，將面臨月夜長(zhǎng)時(shí)間無太陽光照等嚴(yán)苛環(huán)境。采用傳統(tǒng)儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致重量大幅增加，無法滿足任務(wù)需要。而基于燃料電池的再生能源系統(tǒng)是目前最輕的高能可充電池比能量的數(shù)倍，從未來載人航天任務(wù)的適應(yīng)性來看，燃料電池反應(yīng)消耗氫氣和氧氣生成水，還可以與推進(jìn)、熱控、環(huán)控等分系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，提高資源利用效率。燃料電池空間在軌試驗(yàn)將驗(yàn)證燃料電池在空間環(huán)境下的運(yùn)行特性規(guī)律，掌握微重力等條件對(duì)燃料電池運(yùn)行條件下的參數(shù)特性影響規(guī)律，為后續(xù)宇航燃料電池應(yīng)用設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐，支持我國(guó)載人探月任務(wù)的推進(jìn)。
此外，天舟五號(hào)還搭載了“澳門學(xué)生科普衛(wèi)星一號(hào)”。不久后，這顆衛(wèi)星將通過夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙搭載的微小衛(wèi)星在軌釋放機(jī)構(gòu)放飛。開展航天育種實(shí)驗(yàn)的1千克植物種子也同時(shí)飛天，后續(xù)它們將通過載人飛船返回地面，經(jīng)過地面培育后投入市場(chǎng)。
天舟五號(hào)運(yùn)輸能力最大最全面
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作為空間站的地面后勤補(bǔ)給航天器，天舟貨運(yùn)飛船采用型譜化方案，設(shè)計(jì)了滿足不同貨物運(yùn)輸需求的全密封、半密封、全開放3個(gè)貨物艙模塊。天舟五號(hào)為全密封貨運(yùn)飛船，是世界現(xiàn)役貨物運(yùn)輸能力最大、在軌支持能力最全面的貨運(yùn)飛船。其裝載了航天員系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)、空間應(yīng)用領(lǐng)域的貨物共計(jì)約5.3噸，并攜帶補(bǔ)加推進(jìn)劑約1.4噸，上行物資總重約6.7噸，將為神舟十五號(hào)乘組3人6個(gè)月在軌駐留、空間站組裝建造和空間應(yīng)用領(lǐng)域提供物資保障。
為了保證發(fā)射順利，貨運(yùn)飛船的質(zhì)心控制精度要達(dá)到毫米級(jí)。航天科技集團(tuán)七院抓總研制的貨運(yùn)保障分系統(tǒng)為整船貨物作了裝載布局配平設(shè)計(jì)，既符合質(zhì)心控制要求，又滿足每一件貨物的抗力學(xué)環(huán)境以及航天員人機(jī)工效學(xué)要求。
在運(yùn)送物資的同時(shí)，天舟五號(hào)還充分利用貨運(yùn)飛船的運(yùn)力資源，搭載多項(xiàng)試驗(yàn)載荷，支持開展空間科學(xué)與技術(shù)試驗(yàn)，具備承擔(dān)空間站姿態(tài)軌道控制、并網(wǎng)供電以及空間站遙測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸支持等能力，實(shí)現(xiàn)更高的綜合效益。
僅用6年 西昌衛(wèi)星發(fā)射中心完成100次發(fā)射
天舟五號(hào)發(fā)射任務(wù)是西昌衛(wèi)星發(fā)射中心第200次發(fā)射任務(wù)，至此，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成為我國(guó)首個(gè)完成200次發(fā)射的航天發(fā)射中心，創(chuàng)造了中國(guó)航天史上新的紀(jì)錄。
1984年4月8日傍晚，搭載東方紅二號(hào)試驗(yàn)通信衛(wèi)星的長(zhǎng)征三號(hào)火箭發(fā)射升空，這是西昌衛(wèi)星發(fā)射中心建成后的首次發(fā)射。從執(zhí)行首次發(fā)射任務(wù)到第100次，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用了32年;從第101次到第200次，僅用了6年時(shí)間，這體現(xiàn)了航天測(cè)試發(fā)射能力的大幅躍升。
2009年，中國(guó)西昌衛(wèi)星發(fā)射中心文昌航天發(fā)射場(chǎng)正式開工。近年來，文昌航天發(fā)射場(chǎng)迎來了高密度發(fā)射期，特別是2020年5月5日長(zhǎng)征五號(hào)B火箭首飛至今的兩年多時(shí)間，連續(xù)實(shí)施13次重大任務(wù)發(fā)射，將天問一號(hào)、嫦娥五號(hào)、中國(guó)空間站多個(gè)艙段等“國(guó)字號(hào)”航天器順利送入太空。
近年來，文昌航天發(fā)射場(chǎng)年發(fā)射能力從年均3至4發(fā)提升至6至8發(fā)，發(fā)射火箭型號(hào)從2型拓展到6型，極大縮短了火箭測(cè)試發(fā)射周期，形成了新一代大推力運(yùn)載火箭高密度發(fā)射能力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)近地軌道運(yùn)載能力從10噸到25噸、地球同步軌道運(yùn)載能力從5.5噸到14噸的巨大飛躍，大幅提升了我國(guó)進(jìn)入太空的能力。
后續(xù)，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心還將重點(diǎn)圍繞新一代載人火箭發(fā)射工位、重型火箭發(fā)射工位等拓展建設(shè)內(nèi)容，同步開展配套軟硬實(shí)力體系建設(shè)，為中國(guó)航天的巡天望遠(yuǎn)鏡、載人登月、深空探測(cè)、行星探測(cè)、空間站建設(shè)應(yīng)用與發(fā)展、低軌互聯(lián)網(wǎng)星座等提供強(qiáng)有力支撐。
10項(xiàng)技術(shù)改進(jìn) 長(zhǎng)七火箭“投”出漂亮“空心球”
天舟系列貨運(yùn)飛船到達(dá)預(yù)定軌道后，其軌道周期大約是5400秒，而長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭入軌精度偏差不能超過4秒，這是我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭中最高的入軌精度，也是對(duì)天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船實(shí)現(xiàn)2小時(shí)自主快速交會(huì)對(duì)接的極大助力。
對(duì)此，長(zhǎng)七火箭主管彈道設(shè)計(jì)師張博戎用投籃來比喻：“以前是精準(zhǔn)的投籃入筐，現(xiàn)在我們不但要投籃，還要投一個(gè)漂亮的空心球。”為了實(shí)現(xiàn)高精度入軌，長(zhǎng)七火箭采用了高精度激光陀螺和光纖陀螺慣性測(cè)量組合的設(shè)計(jì)方法。在飛行過程中，控制系統(tǒng)能夠快速為火箭規(guī)劃出最佳飛行路線，迭代制導(dǎo)技術(shù)則可幫助火箭提前預(yù)見偏差，實(shí)時(shí)修正，保證入軌精度。
該型火箭是我國(guó)新一代運(yùn)載火箭，低溫模塊多，射前流程復(fù)雜。為了保證天舟飛船與空間站順利“牽手”，火箭必須按預(yù)定時(shí)間分秒不差點(diǎn)火升空，即“零窗口”發(fā)射。通過自動(dòng)獲取起飛時(shí)間，進(jìn)行入軌目標(biāo)參數(shù)在線迭代修正，該箭發(fā)射窗口拓展至2分鐘左右的“窄窗口”，并具備全天候發(fā)射能力，可以在低溫燃料加注后停放24小時(shí)，為成功發(fā)射爭(zhēng)取更多有利時(shí)間。
自2017年執(zhí)行天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)起，長(zhǎng)七火箭與天舟系列貨運(yùn)飛船配合已十分默契，火箭總體技術(shù)狀態(tài)也逐漸趨于穩(wěn)定，飛行可靠性評(píng)估值達(dá)0.9838這一國(guó)際先進(jìn)水平，測(cè)發(fā)周期從最初的42天逐步縮減到27天。長(zhǎng)七火箭總體主任設(shè)計(jì)師邵業(yè)濤介紹，本發(fā)火箭進(jìn)行了10項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)，同時(shí)逐步推進(jìn)箭上元器件國(guó)產(chǎn)化替代、發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性增長(zhǎng)設(shè)計(jì)等，進(jìn)一步提高火箭可靠性。
隨著空間站轉(zhuǎn)入長(zhǎng)期在軌運(yùn)營(yíng)階段，未來幾年，長(zhǎng)七火箭將保持每年2次的發(fā)射頻率，為空間站天地物資運(yùn)輸提供保障。此外，長(zhǎng)七火箭近地軌道運(yùn)載能力達(dá)14噸，搭載遠(yuǎn)征上面級(jí)可實(shí)現(xiàn)太陽同步軌道9.5噸的運(yùn)載能力，既可以發(fā)射天舟貨運(yùn)飛船，也可以發(fā)送其它衛(wèi)星載荷，后續(xù)可在中低軌衛(wèi)星發(fā)射中發(fā)揮更廣泛的作用。
電力智能管理確保“能源自由”
面對(duì)空間站“T”字基本構(gòu)型下更復(fù)雜的遮擋關(guān)系，以及首次2小時(shí)自主快速交會(huì)對(duì)接的任務(wù)需求，天舟五號(hào)飛船如何進(jìn)行穩(wěn)定的能源供應(yīng)?航天科技集團(tuán)八院811所研制人員承擔(dān)起飛船電源分系統(tǒng)的研制任務(wù)。
在交會(huì)對(duì)接過程中，為了減少貨運(yùn)飛船變軌對(duì)太陽帆板的影響，需要將太陽帆板長(zhǎng)時(shí)間置于垂直歸零和停控等狀態(tài)。在無法跟蹤太陽的情況下，太陽帆板發(fā)電能力將會(huì)下降，此時(shí)飛船大部分的電量需要鋰離子蓄電池來提供。特別是在2小時(shí)自主快速交會(huì)對(duì)接期間，鋰離子蓄電池的放電深度將達(dá)到此前的2至3倍，研制人員通過深度放電聯(lián)試、單體電池深度放電等多個(gè)試驗(yàn)，確保對(duì)接過程中整船的穩(wěn)定供電。
空間站“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成后，天和核心艙、問天實(shí)驗(yàn)艙、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙的龐大柔性太陽翼完全舒展開來，讓空間站組合體實(shí)現(xiàn)了“能源自由”，但也給位于后向?qū)涌诘奶熘畚逄?hào)帶來了復(fù)雜的遮擋情況。
此時(shí)，鋰離子蓄電池繼續(xù)發(fā)揮作用。811所貨運(yùn)飛船副主任設(shè)計(jì)師朱超介紹，研制人員通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，解決了復(fù)雜遮擋情況下電池欠充或過充的問題，提高貨運(yùn)飛船的可靠性和安全性。當(dāng)太陽入射角增大時(shí)，遮擋會(huì)更加嚴(yán)重，此時(shí)貨船會(huì)向空間站尋求“支援”，通過空間站電力的智能化管理，從原本的“供電方”變?yōu)?ldquo;用電方。”
