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天舟六号撤离空间站,一文了解太空运货“世界最强”炼成记

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北京时间2024年1月12日16时02分,天舟六号货运飞船顺利撤离空间站组合体,转入独立飞行阶段。将于近期择机受控再入大气层,货运飞船绝大部分器件将在再入大气层过程中烧蚀销毁,少量残骸将落入南太平洋预定安全海域。让我们一起回顾最强天舟——天舟六号诞生记。

2023年,我国正式开启载人空间站应用与发展工程。作为该阶段首次发射的航天飞行器,“天舟六号”还是首艘改进型天舟货运飞船,承担着空间站物资保障、在轨支持和空间科学试验的任务。与“前辈”不同,我国新批次货运飞船(“天舟六号”到“天舟十一号”)将呈现新面貌,释放出更多潜能,在未来空间站任务中的应用前景将更加广阔。

长征七号运载火箭发射天舟六号货运飞船

“天舟”改了哪儿?

密封舱货物装载空间由18.1立方米增加至22.5立方米,装载能力由5.5吨增加至6.7吨;整船物资装载能力由6.9吨提高至7.4吨,上行载货比由0.51提高至0.53——这些数据显示,天舟六号货运飞船的运输能力比“兄长们”有了显著提升。改进后的“天舟”是世界现役货运飞船中运输能力最强的,载货比也是最高的。

天舟六号货运飞船实施了诸多改进

尽管同为货物舱加推进舱的两舱构型,但天舟六号货运飞船的密封舱装载空间更大,后锥段密封舱能“进人”了。

航天科技集团五院天舟六号货运飞船副总指挥李志辉介绍,天舟货运飞船的货物舱由前锥段、柱段、后锥段组成。以往,天舟一号到天舟五号货运飞船的推进舱中,前锥段和柱段作为密封舱相互连通,后锥段部分则是非密封舱,通过球底隔开。

天舟六号货运飞船则将球底挪到了后锥段下部,使得三段全部连通。由此,货物舱密封舱装载空间增加了4.4立方米,装载能力增加了1.2吨。与空间站对接后,人可以直接进入后锥段密封舱,航天员取货更加方便。

此外,推进舱的贮箱数量由8个减少至4个,原来安装在货物舱后锥段的仪器设备全部移至推进舱内。这既减轻了100多千克重量,又为货物舱释放了珍贵的装载空间。

本次天舟六号货运飞船携带了3人280天的航天员生活物资、平台维修备件及各类试验载荷上天,装载货物约260件,上行补加推进剂700千克,运输物资总重约5.8吨。

超规货物也能运

2023年是我国空间站应用与发展工程元年。从某种意义上讲,天舟货运飞船上行能力将提升空间站应用与发展的高度。随着上行运输能力提升,新批次天舟货运飞船发射频次由2年4发降低至2年3发,提高了空间站工程综合效益。

五院货运飞船系统总体主任设计师雷剑宇介绍,随着以“天舟六号”为代表的货运飞船全密封型谱升级换代,天舟货运飞船全密封、半密封半开放、全开放3个型谱结构更为合理、分工更为明晰:全密封型谱满足空间站常规任务和日常需求;半密封型谱突出大型舱外设备和试验载荷运输能力,主要执行应急维修任务;全开放型谱实现超大型试验载荷整体运输,支持空间站发展重大科学任务能力。

改进后的飞船不但增强了常规货物运输能力,而且为超规格大尺寸大质量、严苛运输保障要求的特殊货物和试验载荷运送提供了诸多便利条件。

以本次运输的空间站电推进氙气瓶组件为例,这一组件重约160千克,是目前货运飞船为我国空间站运送的单件最重货物,可以给空间站补充更多“燃料”。货运飞船和空间站对接后,航天员把氙气瓶拆下来,通过出舱活动,安装在梦天实验舱舱外。

不过,160千克在太空环境中“很轻”,在地面装载却不容易。研制团队制定了详细工艺方案,设计了专用的舱内安装工装,在北京进行整船装载和测试验证,最终在发射场一步安装到位。

如何做到“一步正样”?

天舟六号到天舟十一号货运飞船仍然采取组批研制生产模式。相比上一批次飞船,天舟六号货运飞船整船改动较大。研制团队在保质量、保成功的情况下提高效率,做到了“一步正样”,即从产品设计、生产测试、试验,再到最后飞上太空的,都是同一艘飞船。

研制人员祝福任务顺利

“研制团队在地面开展大量从元器件级、单机级到整船级的试验验证工作,以高质量保证成功;通过数字化研制生产,以及批量订货、规模化生产等多种方式,提高效率。”李志辉说。

科研人员繁忙工作中

在新批次飞船研制工作中,研制队伍扎实推动包括元器件、原材料、基础机电产品全链条全方位自主可控,国产型号规格比例和数量比例均有大幅提升,实现了关键元器件100%国产化。

此外,天舟六号货运飞船采用相控阵中继终端,替代了定向中继终端,制造周期和成本都大幅降低;测控系统软件和硬件全面升级,完全依靠北斗系统实现自动导航。

团队在飞船研制过程中积极落实“数字航天”战略,开展全流程数字化设计生产和仿真试验工作,单艘飞船的研制周期缩短了6个月。通过重新设计布局,天舟六号货运飞船推进舱内贮箱减少了一半。设备的增减并非简单挪移,而是体现了设计师“螺蛳壳里做道场”的匠心巧思。同时,天舟六号货运飞船推进舱实现了单舱力学试验和整船力学试验的一次通过,充分发挥了数字模型仿真在产品研制道路上的加速器作用。

上行货物种类更多

“注重应用效益”是我国空间站的鲜明特点。此次天舟货运飞船运送的“货物”与以往大不相同。

李志辉介绍,在停靠空间站期间,天舟六号货运飞船有4项主要任务:实施物资补给、配合完成空间站组合体姿态和轨道控制、开展空间科学实验、下行废弃物并受控陨落。

众所周知,国家太空实验室具有平台规模大、能力可拓展、实验设施可升级、载荷可更换等优势,能够为航天医学实验、空间科学研究与应用、航天技术试验等多个领域的科学实验和技术试验提供得天独厚的条件。此次天舟六号货运飞船携带的“货物”就包括不少实验样品。

空间应用系统副总设计师、中国科学院空间应用工程与技术中心研究员吕从民介绍,空间应用系统通过天舟六号货运飞船上行实(试)验载荷、实验单元及样品、共用支持类设备、实验耗材和备品备件等,共计98件产品,总重量约714千克。

货运飞船与空间站完成快速交会对接后,由航天员将上述产品转运至空间站舱内,按飞行任务规划陆续开展空间生命科学与生物技术、微重力流体物理与燃烧科学、空间材料科学、空间应用新技术试验等4个领域共29项科学实验和应用试验。

航天员喜迎空间站到货

雷剑宇指出:“改进后的‘天舟’运输能力大幅提升,上行有余量,未来可以非常从容地支持这些实验项目。这也为后续空间站的应用与发展打下了良好的基础。”

“孵化器”支持在轨试验

除了向太空实验室运送物资外,“天舟”本身也具备开展近地空间搭载试(实)验的能力。天舟系列货运飞船秉承“一次飞行,多方收益”的全局发展理念,作为空间“孵化器”和实验平台,支持新技术、新科学、新应用领域开拓。

本次任务中,天舟六号货运飞船以开放姿态联合国内科研院所、大学,开展了超临界流载荷、“连理卫星”、新型激光雷达3项在轨飞行试验。其中,中科院力学所牵头研制的超临界流载荷,建立微重力环状热毛细对流体系,开展空间热对流失稳多级演化等科学问题研究。“连理卫星”由大连理工大学设计制造,为20千克级亚米级高分率遥感卫星。中电集团的新型激光雷达采用组合化小型化设计,作用距离更远,精度更高。

“搭载飞行试验载荷、开展空间技术试验是‘天舟’的主要任务之一。每次飞行任务中,飞船都会搭载一些在轨试验项目载荷。我们主动帮助相关科研机构解决上行运输及在轨相关问题,分享工程研制经验。目前看来,工作很有成效,试验载荷的质量和数量都在稳步提升。”雷剑宇说。

火箭更可靠更高效

长征七号运载火箭副总设计师马忠辉介绍,发射天舟六号的长七遥七火箭采用零窗口发射技术,按照入轨精度参数,最晚可将窗口拓展至推迟120秒发射;采用二级发动机结构增强方案,可靠性进一步提升。据评估,长七火箭飞行可靠性达到了0.9871,居世界前列。

长七火箭蓄势待发

由于天舟六号货运飞船技术状态变化较多,装载液体和装载货物不同,改变了质量分布。火箭团队根据有关变化,对刚度、弹性等特性及火箭飞行姿态控制等项目做了细致分析,精益求精。比如,长七火箭第二级有4台发动机,安装在一个机架下面。考虑到火箭运载能力超出任务要求,为提高可靠性,火箭团队加强机架,增重54千克,让火箭飞得更稳。

从立项之初,长七火箭一直在提高效率方面做出典型举措。本次任务中,长七火箭的测控流程从27天进一步压缩到25天,实现了立项论证之初的目标,火箭状态更加稳定。如今,长七火箭的发射场工作时间相比首飞时压缩了13天,缩短了1/3,在国际上处于优秀水平。

长七火箭是我国首款实现全三维设计、制造的液体运载火箭。面向空间站应用与发展工程任务以及后续发射需求,研制团队持续推行去任务化工作,通过统型设计和组批投产推动降本增效。

马忠辉介绍,未来,长七火箭将开展发动机、阀门密封性、整流罩等产品可靠性提升工作,同时开展火箭智能化提升,进一步提高飞行可靠性和安全性。

货运飞船被装入火箭整流罩

评论
科普中国●yling
进士级
天舟系列货运飞船秉承“一次飞行,多方收益”的全局发展理念,作为空间“孵化器”和实验平台,支持新技术、新科学、新应用领域开拓。
2024-01-13
坦 荡 荡
少傅级
“天舟六号”是首艘改进型天舟货运飞船,承担着空间站物资保障、在轨支持和空间科学试验的任务。
2024-01-13
科普中国●yling
进士级
改进后的‘天舟’运输能力大幅提升,上行有余量,未来可以非常从容地支持这些实验项目。这也为后续空间站的应用与发展打下了良好的基础。
2024-01-13