天宫空间站在轨搭建第二发:天舟二号箭在弦上,兵马未动粮草先行

巅峰高地

2021-05-10 12:12优质科技领域创作者
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继长征5B遥二运载火箭发射天宫空间站天和核心舱之后,海南文昌发射场的另一枚火箭长征七号遥三日前也已经完成垂直总装,并将于近期择机实施垂直转运与发射任务,此次任务载荷是天舟二号货运飞船。

长征七号遥三运载火箭垂直总装

按照任务计划,天宫空间站在轨建造划分为“关键技术验证阶段”与“在轨建造阶段”,两大阶段各安排6次发射,关键技术验证阶段首发任务长征5B遥一已于去年成功实施,近日成功入轨的天和核心舱是该阶段第二次发射,天舟二号货运飞船则是关键技术验证阶段的第三次发射任务。

天舟二号货运飞船

天宫空间站在轨组装将历经多种构型,今年将首先完成一字形构型,明年还有L形、T形两种构型,所谓一字形主要是指天舟二号与神舟十二号分别对接天和核心舱的前向与后向对接口。

今年建成一字形构型

不过,今年年内我们看到的最大构型其实并不是一字形,而是不规则的小T形构型,天舟二号货运飞船将在其中发挥关键作用。

今年将看到的天宫空间站最大构型

天和核心舱是近十余年来人类发射的最大单体航天器,同时也是我国迄今为止发射的最大单体航天器,然而在此之前拥有此殊荣的则是天舟货运飞船。

四年前,在载人航天工程二步走计划天宫二号空间实验室任务中我们成功实施了天舟一号货运飞船任务,该飞船连续实施三次在轨推进剂补加试验,同时进行了快速交会对接、航天器绕飞、天基测控等一系列关键技术演示验证。

天舟一号与天宫二号空间实验室对接

备战空间站任务的天舟二号货运飞船已于3月20日进驻海南文昌发射场,历经40多天总装测试工作后于4月28日按照既定时间节点转入加注区开展燃料加注工作。

空间站系统杨宏总师披露,天宫空间站各次任务耦合度极高,以天和核心舱为例,在发射入轨后的48小时内要评估其在轨状态,进而为天舟二号货运飞船发出任务指令,后者将根据该指令转入发射倒计时准备阶段。随后待天舟二号与天和核心舱对接后评估对接状态,再给神舟十二号载人飞船发出任务指令,以此类推往后的每一次发射都将按照这一流程实施。

神舟载人飞船

天舟二号在天和核心舱发射前一天就已经转入燃料加注阶段工作,为转入发射倒计时阶段做好了必要准备。当前天和核心舱发射入轨早已超出48小时,可以确信天舟二号也已经转入发射倒计时阶段。

在每一批次天舟/神舟任务中,天舟货运飞船总是在神舟载人飞船之前发射,这是兵马未动粮草先行,确保空间站有足够的各项物资储备以便服务航天员的长期在轨驻留任务。

天舟货运飞船货物舱

天舟二号作为空间站首发货运飞船其肩负的任务自然是与众不同

1.首先它将与天和核心舱后端通道对接,并等待神舟十二号的到来,后者将与天和核心舱前端节点舱前向对接口对接,首批3名航天员进驻天宫空间站的驻留时间是3个月;

2.待神舟十二号撤离后天舟二号将绕飞至节点舱前向对接口对接,目的是验证节点舱的推进剂在轨补加能力;

天舟二号绕飞核心舱对接前向对接口

3.天和核心舱机械臂捕获天舟二号进行辅助转位对接试验。

天舟二号货运飞船转位对接试验

天舟二号转位对接试验是一箭双雕之举,首先可以复现明年问天与梦天两个实验舱的转位对接任务,再就是复现空间站主机械臂捕获悬停飞行器进而辅助对接的任务。根据任务演示视频提示,天舟二号与机械臂对接的适配器安装在货舱前锥段。

实验舱转位对接

天宫空间站是建设科技强国、航天强国的重要引领性工程,最终它将成为一座国家级太空实验室,其建设目标处处瞄准的是“世界领先、国际先进”,比如已经发射入轨的天和核心舱,应用了霍尔电推、三结柔性砷化镓电池翼、七自由度空间机械臂、激光交会对接雷达、新一代测控系统等一系列先进技术装备,是当前人类载人航天技术的集大成者。

不仅天和核心舱瞄准世界领先,服务空间货物运输的天舟货运飞船从立项伊始瞄准的目标同样也是“世界领先”。

天舟货运飞船

天舟货运飞船的技术领先主要体现在六大方面:

一、世界现役货运飞船最强运力

天舟货运飞船采用货物舱与推进舱两舱结构方案,货物舱为密封舱,最大直径3.35米,该舱段分为前锥段、全密封柱段、后锥段三部分,货物贮存在全密封柱段内,推进舱直径约2.5米。

天舟飞船货物舱结构

飞船轴向总长约10.6米,上行货运能力为6.5吨。

世界现役其他各型货运飞船上行货运指标:进步MS(2.25吨)、HTV(6吨)、天鹅座(3.5吨)、货运龙(3.31吨)。

由此可见天舟货运飞船上行运力居于世界现役各型货运飞船之首。

天鹅座货运飞船

二、世界现役货运飞船上行货重比之首

天舟货运飞船进行了全要素轻量化设计,飞船总重13.5吨,结合6.5吨上行货运能力的货重比为0.48。

天舟飞船货架结构

世界现役其他各型货运飞船上行货重比:进步MS(0.33)、HTV(0.36)、天鹅座(0.46)、货运龙(0.32)。

货重比是衡量货运飞船运载效率的核心指标,即上行运力与飞船总重量的比值,比值越大运载效率越高。

三、首创“推进-补加一体化设计”

在天舟货运飞船问世前,放眼全球只有进步号与欧空局ATV货运飞船具备推进剂在轨补加功能,后两款飞船用于推进剂补加的模块与飞船自用推进模块是相互隔离的独立设计,任务适应性差。

推进/补加一体化推进舱

天舟货运飞船全新研制400L金属膜片贮箱,它们既有推进贮箱,也有补加贮箱,二者可以混合搭载,能够视需求灵活增减推进贮箱与补加贮箱,具有优异的任务适应性。推进剂总携带量3.1吨,用于补加的推进剂2.1吨。

四、首创全自主快速对接

快速交会对接是载人航天领域的必备提升技能,例如载人飞船快速救援、空间站应急维修需要货运飞船快速发射等任务需求。

天舟一号自主快速交会对接示意图

进步货运飞船、联盟系列载人飞船曾多次验证快速交会对接任务,但这些任务中的关键事件仍然需要地面干预。

天舟货运飞船则在天舟一号任务中首次应用全自主交会对接技术,基于绝对定位数据实现快速交会对接过程中的自主制导与导航,整个过程无需地面干预。

五、姿轨控动力系统的完善与强化

天舟货运飞船采用纯喷气式姿轨控方案,配置36台姿轨控发动机,其中4台为490N轨控发动机,32台姿控发动机推力分别为150N、120N、25N。

天舟尾部是4台490N轨控发动机

天舟二号在原设计基础上进一步强化姿轨控动力系统配置,具备空间站全方位对接能力,不论是后向,还是前向,亦或者径向都可对接,且具备空间站包括一字形、L形、T形在内所有构型对接任务适应力。不仅具备自主对接能力,还可以与空间站机械臂合作执行准静态悬停捕获与辅助对接任务。

与空间站对接后天舟货运飞船还可胜任空间站整站轨道抬升任务。

六、飞船系列化发展,型谱完善

天舟货运飞船分为全密封、半开放、全开放三种构型:全密封主要执行加压货运以及燃料在轨补加任务;半开放构型则可以兼顾加压货运与小型舱外载荷运输,舱外载荷由空间站机械臂取出;全开放构型则取消加压货运能力,进而运输较大规模的舱外载荷,也是由空间站机械臂取出。

全密封、半开放、全开放三种构型

必要时还可以发射5吨级小型舱段,此为第四种构型。

天舟半开放构型

得益于天舟货运飞船强大的上行运输能力,其在空间站运营阶段发射频次相较于国际空间站显著降低,每8个月发射一次,同时天舟货运飞船未来还可以承担载人月球任务中环月轨道空间站的补给任务。

不过还应当看到,虽然该型飞船在诸多技术指标上居于世界领先水平,但这并不意味着我们可以就此止步。

比如我们还存在上行货运能力过剩的问题,小规模上行货运效费比低,再比如天宫空间站的下行货运能力也比较薄弱。

天宫空间站还需拓展下行货运业务

为此载人航天办公室已于今年年初发布“关于征集‘面向空间站运营的低成本货物运输’方案设想的公告”,公告中明确提出上行货运1至4吨的运力需求,这一指标显然低于天舟货运飞船,目的很明确,就是增强天地货运任务的灵活性与低成本,还提出300公斤级下行货运能力。

公告背景介绍

300公斤级下行货运指标显著低于SpaceX公司货运龙飞船的2.5吨,这是为什么呢?

货运龙飞船

首先300公斤级下行货运指标条件下,火箭上行发射与飞船下行返回综合成本将更低,其次大运力的下行货运飞船我们早已有之,不必重复建设。

去年成功首飞的新一代载人飞船试验船原本就是以货运飞船名目发起的项目,该型飞船返回舱可以基于气囊缓冲方案实现无损着陆,进而实现与货运龙飞船一样的重复使用能力,且我们的飞船更大,在执行货运任务时,不论是上行运输,还是下行返回能力都远在货运龙之上。

新载人飞船亦可变身货运飞船

今时今日的我国航天历经半个多世纪积累已经有了琳琅满目的货架技术,只要提出需求就可以在较短的时间内研制出来,就如同歼-20加速航空工业转型一样,天宫空间站任务的实施也必将使航天工业进入到一个全新的加速发展阶段。

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