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“带货”能力世界第一的天舟,什么都会干!

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出品|网易新闻

导语:为空间站送去约6.2吨补给物资的“天舟”飞船是我国空间站任务唯一的“货船”,也是世界现役能力最强大的最先进的货运飞船之一,当然,它更是世界现役最全能的货运飞船。两个月前,“天舟四号”货运飞船受控再入大气层,飞船绝大部分烧蚀销毁,少量残骸落入南太平洋预定安全海域。


“天舟四号”撤离空间站 图源:中国载人航天工程办公室

一、是运力最强、效率最高的天舟

“天舟”货运飞船由中国航天科技集团五院抓总研制,研制开始于2011年,2017年“天舟一号”飞船由“长征七号”遥二火箭发射入轨,前往“天宫二号”空间实验室执行任务,至此“天舟”飞船正式亮相。

目前,“天舟”系列飞船已完成两个阶段的研制生产工作。第一阶段研制生产了“天舟一号”及其备份“天舟二号”等2艘飞船;第二阶段进入了组批生产阶段,研制生产了“天舟三号”、“天舟四号”、“天舟五号”等3艘飞船,该批次飞船技术状态一致,配置和外观大同小异。


天舟五号 图源:中国空间技术研究院

“天舟”飞船采用两舱结构,主体由推进舱和货物舱组成,全长10.6米,推进舱直径2.8米,货物舱直径3.35米,太阳翼翼展14.9米,组批生产型号的飞船质量约6.5吨,最大上行运力可达6.9吨,运载系数超过51%。在世界其它现役货运飞船中,运力最强的是“货运龙”,其起飞质量约15吨,最大上行运力为6吨(为理论值),仍然与“天舟”飞船有差距。而其它现役货运飞船运载系数最高的是“天鹅座”飞船,其起飞质量8.05吨,最大上行运力3.81吨,运载系数约47%,依然明显不及“天舟”飞船。


“天舟”飞船结构及尺寸示意图

兼具强大的运力和较优的运载效率,得益于研制起点高,“天舟”飞船充分继承了“天宫一号”、“天宫二号”空间实验室和“神舟”飞船积累的技术基础和研制经验,优势得天独厚。

二、是货运飞船界“最能干”的天舟

在“天舟四号”任务中,飞船装载了航天员系统、空间站系统、空间应用系统共计200余件(套)货物,携带补加推进剂约0.75吨,上行物资总质量约6.2吨,为“神舟十四号”乘组在轨半年驻留、空间站组装建造、材料科学和航天医学实验等空间应用领域提供物资保障。

作为货运飞船,“天舟”具备实施货物补给、推进剂补加等物资保障能力。同时,还具备承担空间站姿态轨道控制、并网供电以及空间站遥测、数据传输支持等空间站运营支持任务的能力以及空间科学实验支持能力,是世界现役在轨支持能力最全面的货运飞船。



三、是构型最多且“不挑活”的天舟

在“天舟”系列货运飞船中,从“天舟一号”到“天舟五号”均为采用推进舱加货物舱的全密封货运飞船。采用该构型的最大好处在于内部密封空间和加压空间达到了最大,能装载最多的常规补给物资,但是由于舱门所限,单件货物尺寸受到严格限制,无法运送空间站所需的大部件组件,解决这一问题的关键在于调整货物舱的设计。



按照设计规划,“天舟”飞船未来将采用模块化的设计思路,使用通用推进舱,分别搭配全密封、半密封半开放、全开放等3种货物舱模块形成全密封、半密封半开放、全开放等3种货运飞船构型。

这当中,全密封构型即现在使用的构型;半密封半开放构型就是在现有货舱外壁上开一个敞开区域与内部密封区域隔开,搭载诸如太阳翼在内的大件货物;全开放构型配备的是全敞开货物舱,用于执行空间站大型天线、卫星等超大件运输。

在世界现役货运飞船当中,“天鹅座”采用的是单一的全密封设计,“货运龙”采用了返回舱加尾部货舱的构型,属于半密封半开放构型,而“进步”飞船构型则相对丰富,主要拥有全密封、无货物舱两种设计构型,均不及“天舟”飞船构型丰富。而丰富的构型,为“天舟”提供了更强大的任务适应性,可以做到“不挑活”。

四、是2小时送货上门快到离谱的世界“速度王”天舟

在空间站任务实施阶段,执行第一次货运补给任务的是“天舟二号”货运飞船,其上行时采用了6.5小时自主快速交会对接模式,宣告了我国掌握了全相位全自主快速交会对接技术。


“天舟”与空间站交会对接示意图

2022年11月12日10:03:12,“天舟五号”货运飞船由“长征七号”遥六运载火箭从文昌发射场发射入轨,采用2小时快速交会对接模式于当天12:10:57对接于“天和”核心舱后向端口,整个上行过程耗时约2小时零8分钟,创造了世界航天空间站任务最快交会对接纪录。


“天舟五号”对接实况图

此前,世界航天空间站任务最快交会对接纪录由俄罗斯“联盟MS-17”载人飞船创造,其于北京时间2020年10月14日13:45从拜科努尔发射场发射升空,16:48对接于国际空间站,整个上行过程耗时3小时零3分钟。

“天舟五号”任务则将这一时间继续缩减了近1/3,而相较于“天舟”使用的6.5小时快速交会对接更是将时间缩短了2/3以上,它是怎么做到的?

1.远距离导引段

天舟优化了交会对接的控制制导策略。远距离导引过程飞行时间由多圈次压缩为不到一圈,将6次轨道机动压缩为了2次综合轨道机动,本阶段耗时由4个多小时减少到约1个小时。

2.近距离自主控制段

天舟减少了多个用以确认飞船状态的停泊点。近距离自主控制段的停泊点由原来的5千米、400米、200米、19米等4个缩减为400米、19米等2个,本阶段时长由2个多小时缩短为约40分钟。


“天舟五号”对接示意图

2小时快速交会对接,使运输特殊鲜活试验品成为可能,如果应用于”神舟”载人飞船,将大大减少航天员的上行时间,还可以极大提高我国的太空紧急救援能力。

五、是看需求灵活决定是否回收的天舟

“天舟”货运飞船设计寿命达到1年,而“天舟四号”飞船在飞行时间只有半年的情况下就撤离再入,从研制人员到普通民众都觉得很可惜。那么,能不能将“天舟”设计成可以回收的状态?

答案是肯定的。对“天舟”货运飞船进行可回收的设计在技术上是没有问题的,毕竟“神舟”飞船已经积累了足够的技术基础和研制经验,关键是经济性的问题。目前,离轨销毁的方案是最经济的,未来“天舟”飞船根据任务需求的变化会有不同的型谱,比如研制充气式返回舱,用于时效性要求高的科学实验和技术试验载荷的返回,又比如还可以研制倒锥形或钟形返回舱,实现回收乃至复用,未来的“天舟”很让人很期待!


天舟五号”货物舱 图源:中国载人航天工程办公室

结语:

未来,从“天舟六号”开始的下一批次“天舟”飞船货物舱将有较大的改进,密封舱的货物运力会有大幅度提升,空间站任务“天舟”飞船发射频率可以由一年两次调整为两年三次,能够大幅度提升经济效益。最能“带货”、最会“带货”的“天舟”飞船还在升级!

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