我国首艘货运飞船天舟-1成功入轨

我国首艘货运飞船天舟-1成功入轨

China’ s First Cargo Spacecraft TZ-1 Entered Orbit Successfully

本刊记者 诸葛南

2017年4月20日19：41，我国首艘货运飞船天舟-1由长征-7遥二新一代中型运载火箭从海南文昌航天发射场顺利发射升空，并于4月22日完成自动交会对接，开始进行首次推进剂在轨补加试验。发射天舟-1货运飞船的主要目的是验证我国货运飞船及其交会对接技术；给已在太空运行的天宫-2空间实验室自动补加推进剂，突破和掌握推进剂补加等空间站关键技术；开展一些空间科学实验，验证再生式生保关键技术试验等，完成我国载人航天第二步第二阶段最后一项任务。

1 主要任务

货运飞船是空间站的地面后勤保障系统。我国“天舟”货运飞船是中国载人航天工程“三步走”战略中载人空间站工程的重要组成部分，于2011年立项，由中国航天科技集团公司下属中国空间技术研究院载人航天总体部负责抓总研制。2013年，货运飞船被正式命名为“天舟”。

记者从中国航天科技集团公司了解到，这次发射的我国首艘货运飞船天舟-1将完成四大任务目标：①与天宫-2空间实验室配合，验证推进剂在轨补加技术；②全面考核货运飞船的功能和性能；③在空间实验室配合下，开展货运飞船控制组合体、绕飞至前向交会对接、快速交会对接等试验；④支持开展空间应用及技术试（实）验。

我国未来的空间站将长期在轨飞行，所以需要定期在轨补加推进剂。天宫-2的任务之一就是要掌握这项技术，把天舟-1携带的推进剂补加到天宫-2上，其技术研究成果可直接应用于后续空间站工程。

天舟-1入轨后，计划与在轨运行的天宫-2先后进行3次交会对接。完成首次对接后2个月，天舟-1将绕到天宫-2前面，再调头对接进行二次对接加注。完成绕飞试验以后，天舟-1与天宫-2再次分离，两个空间飞行器将独立飞行3个月。在此期间，天舟-1主要完成搭载的空间科学实验和技术试验。3个月后，天舟-1与天宫-2进行最后一次对接，验证自主快速交会对接技术，要求两个航天器在6h左右实现对接。缩短对接时间，不仅可使航天员舒服许多，还能更好开展一些空间生命科学实验以及满足应急需求。

我国研制货运飞船，一方面需验证天舟-1货运飞船与天宫-2空间实验室的交会对接技术和推进剂在轨补加技术；另一方面由于“天舟”货运飞船是我国研制的一种新型空间飞行器，其本身的性能也需验证。货运飞船要求可靠、高效、经济、多功能，才能大幅度提高货物的运力，满足今后空间站较大的物资需求。

完成既定任务后，天舟-1将受控离轨，陨落至南太平洋预定区域；天宫-2留轨继续开展拓展试验和应用。天宫-2的任务最终完成后，我国将进入空间站的建设阶段。

2 天舟概览

“天舟”货运飞船由货物舱和推进舱组成，其中货物舱安装货物、设备，推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。其长为10.6m，最大直径约3.35m，太阳电池翼展开后最大宽度14.9m，整船最大装载状态下质量达13.5t（这次为13t），是我国目前为止发射的体积最大、质量最大的航天器。它包括13个分系统：结构与机构分系统、制导导航与控制分系统、测控与通信分系统、数据管理分系统、电源分系统、仪表与照明分系统、推进分系统、对接机构分系统、热控分系统、环境控制分系统、货运保障分系统、空间技术试验分系统、总体电路分系统。

该货运飞船的研制充分借鉴了“天宫”空间飞行器平台的主要技术，还融合了“神舟”载人飞船的主动交会对接技术，并针对货运的特色和留轨任务需求进行设计。它采用了“天宫”空间飞行器的构型、“神舟”载人飞船的电气系统、“天宫”与“神舟”的交会对接技术。“天舟”的上行货物运输能力为6.5t，推进剂补加能力约为2t，具备独立飞行3个月的能力。其运载能力是根据空间站的规模设计出来的，并能以最小的结构质量达到最大的装货能力，货运载荷比为48%，达到世界先进水平。

“天舟”系列货运飞船采用型谱化方案，设计了全密封货物舱、半密封货物舱、全开放货物舱和推进舱4个模块，可形成全密封、半密封和全开放货运飞船3种型谱，未来能满足空间站不同货物的运输需求。采用模块化设计可提高货运飞船的任务适应能力，便于任务拓展，使飞船建造类似于“搭积木”。由于模块间技术和产品可实现共享和通用，从而降低了研制成本，缩短了研制周期，能通过有限的飞行试验快速提高平台可靠性。

与以往的“神舟”载人飞船的推进舱不同，天舟-1的推进舱几乎是全新的产品。由“神舟”推进舱的一层变成了两层，贮箱数量由原来的4个增加为8个，分属于两个独立设计的推进剂贮箱系统，不仅可为天宫-2携带推进剂，还能把用于自身控制的推进剂“转让”出去。推进舱可以装载2.4～3.5t的推进剂，最高装载量是天宫-2推进剂携带量的2.5倍。以前我国“神舟”飞船的对接机构主要是电路连接，为了补加燃料，天舟-1跟天宫-2的对接机构增加了液体连接，而且燃烧剂和氧化剂分别有不同接口。燃料补加共有约30个步骤，操作十分复杂。

在轨加注主要依靠两个航天器的压差来实现。加注时，天舟-1的贮箱开始加压，而天宫-2的贮箱压力降低。加注有4个管道，一次加注从准备到完成需要5天。加注的关键技术和难点是：靠两个航天器协同完成以及一些关键设备，包括对接后不能污染接口，加注完后吹气等。在太空加注燃料不容易，因为两个对接机构对接时肯定存在一定偏差，需要通过浮动来消除偏差的影响，实现准确的对接。为了防止泄漏，制定了500多种预案。

3 七大亮点

亮点一：上行载货比高

“天舟”货运飞船采用两舱式结构，体量与天宫-1、2相当，可最大限度地满足货物装载以及提供能源、控制动力等的需求，做到了简洁却不简单。它能运送相当于自身质量的6t多货物，上行载货比优于国外现役货运飞船，所以很经济实惠。

亮点二：能在轨实施航天器间推进剂补加

在天舟-1升空之前，掌握在轨推进剂补加技术的国家只有俄罗斯和美国，其中，实现在轨加注应用的只有俄罗斯。目前，欧洲航天局（ESA）、日本等正在对此进行积极的研究探索。在天舟-1与天宫-2空间实验室实施推进剂在轨补加，突破和掌握了这一技术后，我国将成为世界第2个掌握该技术的国家，为我国空间站组装建造和长期运营扫清在能源供给问题上的最后障碍。

亮点三：首次以天基测控体制为主实施飞行控制

以往，我国对航天器的跟踪、测控以及在轨异常的及时监测处置，主要依赖陆基测控站和海基测量船。天舟-1货运飞船首次采用以天基测控体制为主的设计原则，即以数据中继卫星为主，从而能免受地面或海上的地域限制，实现对航天器在轨飞行的关键事件的全程跟踪，确保对在轨异常情况及时监测处置，降低人力、物力、财力等成本。通过中继终端所搭建的天基测控通信系统可以对天舟-1和天宫-2实现同时测控、高速数据传输，所建立的星间链路能实时向地面传输交会对接画面。

亮点四：首次大规模推动核心元器件自主可控

为了带动我国元器件自主研制，加速实现元器件的自主可控，提前验证空间站中所用的国产关键元器件，作为飞行验证平台的天舟-1首次大刀阔斧地使用了七大类国产新研核心元器件，从而将未来空间站建设的关键命脉牢牢握在手中。

亮点五：首次开展全自主快速交会对接试验

目前，我国掌握的常规交会对接技术需要耗时2天左右来实现目标飞行器和追踪飞行器的对接，天舟-1将开展自主快速交会对接试验，把交会对接的时间控制在几个小时内。快速交会对接的实现，有利于提高在轨航天器飞行的可靠性，减少在交会对接过程中（包括轨道控制等在内）产生的资源消耗，可更大程度地保障未来空间站的安全，方便空间站对突发事件的应急处理。天舟-1跨出了从“普通列车”迈向“高铁”的一大步，能做到更快、更舒适、更稳妥地运输货物。

亮点六：首次搭载多项空间应用与技术试（实）验载荷

在完成在轨加注推进剂任务的同时，天舟-1还能最大限度地发挥自身平台效能。它随船搭载了几十台载荷设备，用于在轨开展10余项载荷试（实）验，从而实现“一次飞行、多方受益”的目标。

亮点七：首次实施主动离轨受控陨落

在飞行任务结束后，天舟-1将由地面飞控工作人员决策，实施主动离轨，通过两次降轨控制，受控地坠落于南太平洋指定区域。这将是我国航天器首次采用主动离轨方式，受控落到预定区域。这样既能避免自身成为太空垃圾，又可避开离轨过程中的不可控因素，防止对地面人身财产造成威胁。

此外，天舟-1建立的基于全三维模型的协同设计模式，显著提高了设计效率和设计质量、缩短了设计周期、降低了设计成本，现已在空间站工程等航天器研制上获得推广应用，为数字空间站建设奠定了坚实基础。例如，货船的管路系统、电缆网和总装设计采取三维设计后，工作效率提高了约50%，整船的总装详细设计研制周期缩短约45%。

4 两大利器

天舟-1货运飞船的构造类似于天宫-1、2，由大直径的货物舱和小直径的推进舱组成。货物舱用于装载货物，推进舱为整个飞船提供电力和动力及装载推进剂。事实上，天舟-1的物资上行能力超过6t，接近天宫-1的2倍，上行运载能力和载货比都是现役货运飞船中最高的。这是因为天舟-1拥有两大利器，能够高效承载。

简约而不简单的货架

天舟-1之所以能够实现大承载，是因为其内部采用了高效承载货架设计。其货架采用了一种基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构，从而形成了大量的标准装货单元，传力效果好，结构与货物质量比达到8%。设计师还精心设计了一种大承载轻量化预埋结构，它既能适应传统刚性结构安装，又可适应柔性束缚带的连接承载。此外，大承载货架结构与密封舱主结构的连接环节采用了碳纤维结合铝合金设计，避免了在轨环境下内压载荷对结构造成的破坏。这些先进、便利的技术成就了高效承载的货架结构，保证了天舟-1稳固地运送货物。

适应多种货物的货包

在天舟-1运送的物资中有许多精密的仪器设备和航天员用品，发射段受力又大，生怕磕碰，因此不能仅使用高强度的货架。对于敏感的电子器件、机械硬件系统以及其他生活物资等，采用“软包装”或类似方法来实现装载、运送。由于“软包装”为装载对象提供了一个柔软的、高阻尼的、分布式系统的支撑，所以不仅可以获得一个高度隔离/减振的载荷环境，也能为货物的上行运输提供更好的适应性和合理的货包绑扎方式。

其他秘密武器和上网“神器”

为防止与太空垃圾相撞，天舟-1装有力学环境测量系统。它具有飞行器结构撞击智能感知与定位功能，可进行全飞行时段的综合力学环境监测，在第一时间感知到太空垃圾撞击的位置和受损程度，还能检验飞船结构设计、货物装载合理性，为在轨损伤修复和结构优化设计提供帮助。

在突破了分路汇聚技术、网络芯片的单粒子防护技术、网络协议的航天工程化应用等多项技术难点后，天舟-1上搭建了一个标准化、高速、大容量开放性网络平台。它不仅能支持船内高清视频、大批量载荷数据的传输，还可以无缝接入天宫-2等空间站网络，从而率先推动航天器数据传输跨入吉比特高速时代。

天舟-1首次装备了“北斗”导航星座的相对测量子系统。相比以往，新系统的扩展性和通用性更高、定位更连续稳定，这不仅确保了它与天宫-2的交会对接的自主可控，安全性大大提高，还因为新增的整秒脉冲输出功能，可为全船的相关设备提供高精度的时间基准，所以确保了航天器之间的统一步调、齐头并进，分秒不差地把货物准时送达。

另外，天舟-1货运飞船首次应用了以太网技术，为未来空间站组网通信提供技术验证。以太网是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准，可以不受空间限制来进行信息交换，具有信息量大、高效、快速的传输特点。

天舟-1还搭载了一款特殊的“神器”—高速通信处理器，它是货运飞船以太网通信的重要组成部分。该处理器不仅能在货运飞船的天地测控通信中发挥巨大的作用，也可为空间站千兆通信网的建立奠定扎实的基础。

5 对接升级

如果把神舟-8飞船的对接机构当作第一代对接机构，那么天舟-1货运飞船的对接机构可被认为是第二代产品—对接机构2.0版，它能让更大吨位的航天器快速对接。

实现“重量级”大吨位航天器的偏心对接

“神舟”飞船和“天宫”空间飞行器都是8吨级的航天器，两者必须沿着质心轴线运动。捕获、校正后，两者要处于无偏心的位置，才能顺利实现交会对接。更大型航天器的交会对接会产生巨大的对接能量，这对于对接机构的缓冲耗能能力提出了更高要求。

天舟-1对接机构增加了用于缓冲撞击能量的可控阻尼器，实现了从原先具备的8～20t调整为具备8～180t的对接目标适应能力。第二代对接机构既不影响原有捕获性能，又可实现对接机构捕获后的大吨位耗能需求，可以很好地满足本次及后续任务的需求。

首次实现在轨推进剂补加

为实现此次的推进剂在轨补加，在对接机构上增加了4个液路浮动断接器，它是在已经生产好的上天产品上增加了液路浮动断接器及补加管路的安装接口，其中补加驱动器是在轨补加任务中的关键单机，也是智能的管路控制单元。在接收到系统指令后，补加驱动器控制液体管路阀门的开关，同时调节流量、流速，保证推进剂补加过程安全进行。

货运飞船完成对空间实验室/空间站的补加后，为保持管路清洁以便进行后续多次补加，需对补加管路里的推进剂进行吹除，且在吹除过程中尽可能不污染空间飞行器表面。在太空真空环境下吹除液体推进剂，国内尚无先例，推进剂在吹除过程中经历的与地面完全不同的复杂环境及物理变化过程需要摸索。研制团队先后进行了多轮推进剂吹除试验，确定了吹除方案，包括吹除压力、吹除速率、吹除口的型面状态等各项技术指标，经验证可用于在轨补加后的推进剂吹除，确保后续补加的顺利进行。

首次实现国产100V高压供电

第一代对接机构采用的是低压供电，其可靠性已经得到多次验证。未来我国空间站将采用100V的高压供电制，为提前验证该技术，天舟-1货运飞船采用了全新研制的国产100V高压器件，并对接机构控制系统电路进行了全新的设计。其推进舱的太阳电池翼由3块基板组成，并采用半刚性材料，以达到减轻质量的目的。

天舟-1首次使用了低轨高压大容量锂电池，并达到了2700W功率，这标志着我国空间电源走向锂电时代，为空间站的建设打下了坚实基础。其电源分系统采用3机组锂离子蓄电池组，每组由22个单体串联组成，共使用单体66个。围绕锂电池自身的可靠性和安全性，做了大量的试验和验证工作，包括不同温度下的特性试验、寿命试验和充电策略的验证等。

交会对接与发动机改进

此次天舟-1与天宫-2将实现3次交会对接，对接机构组合体保持时间将远超此前的纪录，所以对于对接机构的控制、空间环境寿命、重复对接性能提出了更高要求。两个航天器对接之后，通过气体压力把推进剂从天舟-1输送到天宫-2。这不仅需要准确的对接，又必须满足密封的要求。推进剂绝对不能泄漏，所以其断接器是可浮动的，能消除对接偏差的影响，实现准确对接。这些技术在地面无法模拟实现，必须要在太空环境中实际操作，才能够检验技术的可靠性。为此，攻克了金属膜盒贮箱、压气机、浮动断接器等关键技术。

天舟-1货运飞船上共配有25N、120N、150N和490N共4种不同推力量级的36台发动机，力保天舟-1货运飞船在轨飞行速度达到子弹飞行速度8倍，实现“俯仰有度，动静自如”。其中，第二代490N发动机突破了7项关键技术，实现了490N发动机的更新换代，不仅工作次数提高了10倍之多，而且密封性能更好。

6 自主绕飞

绕飞技术能确保航天器能从多个方向与空间站对接，是空间站建造和运营的关键技术之一。这次天舟-1货运飞船绕天宫-2空间实验室的全自主绕飞就是为了验证该项技术，将为空间站建设奠定积累更多的经验和数据，为未来复杂对接做准备。天舟-1在与天宫-2进行第一次交会对接2个月后将撤离天宫-2，伴随着天宫-2进行180°转向，通过全自主绕飞，加速赶到天宫-2前方，从“前”侧与天宫-2进行第二次的对接。

与神舟-10载人飞船在地面人员支持下进行的绕飞不同，此次天舟-1货运飞船绕飞过程中的制导、调姿及进入5km保持点均是船上软件自主规划完成，即当绕飞指令发出，天舟-1上的制导导航与控制系统的计算机便开始自主规划绕飞轨迹，自主进行变轨控制，自动进行姿态机动，不需要地面人员干预，可谓“聪明”和“自立”了很多。这种全自主不仅极大减轻了地面支持人员的工作强度，更重要的是可以实现测控区外的自主绕飞。如果把神舟-10的绕飞比作是“领着”小朋友学走路，那么天舟-1货运飞船的绕飞则是“看着”小朋友自己走路。

虽然空间绕飞很精彩，但也暗含巨大风险，两个重达十几吨的飞行器在高速飞行过程中完成“上下绕圈”和“翻跟斗”，其最大的风险就是碰撞。所以，要求两者的轨迹和姿态必须精准受控。除了避免碰撞，全自主绕飞还需要规划出最优的绕飞轨迹，完成在特定位置的变轨控制，在预定的时间点到达预定的位置，以消耗尽量少的燃料。

同时，飞船要根据目标飞行器的状态进行协同控制，包括相对位置、相对速度、相对姿态、相对角速度等，所有因素都必须“完美”，这就要求有超高的可靠性和安全性、高可靠的控制系统产品以及具有自主故障诊断和系统重构能力的智慧软件等。

7 快速对接

天舟-1飞行任务要验证快速交会对接技术，即从入轨到对接成功仅需要几个小时，且以飞船的自主制导和控制为主。掌握高效、强适应性的快速交会对接技术，将为今后建造空间站、完成密集的交会对接任务打下坚实的基础。

目前，大多数追踪飞行器在发射后要飞行2天才能与目标飞行器交会对接，过程中还需要大量的人工参与。但从2012年起至今，俄罗斯飞船与“国际空间站”已多次进行了快速交会对接，飞船从入轨到对接成功仅用时6h。

从人的方面说，快速对接可以缩短航天员在飞船狭小空间中滞留的时间，减少航天员不必要的体力与精力付出，使载人太空飞行变得更加舒适、惬意；从任务角度来说，快速交会对接还可保障科研用品，特别是生物制剂等无法经历长期运输的货品尽快送达空间站，这对某些试验可能是至关重要的；从安全的角度来说，如果空间站等航天器突遇紧急情况，快速交会对接可以快速地对故障实施抢修与紧急救援等工作。

为了试验快速交会对接技术，研制团队突破了航天器自主导航测轨、定轨、自主快速制导等技术，将复杂的测定轨算法和远距离导引技术工程化，把原来远距离导引段需要地面干预的工作交由航天器的星上计算机自主进行。在飞船入轨后，所有的测定轨、制导律计算、控制实施策略等均由飞船自主计算，无需地面干预，几个小时就可以完成交会对接任务。

8 在轨试（实）验

天舟-1总共搭载了40台设备，要进行10余项太空试（实）验。这些设备装在货物舱内部，或者悬挂在船体外侧，既提高了空间的利用率，也最大程度满足了不同试（实）验的需求。这些试（实）验包括：验证非牛顿引力实验检验的关键技术；验证主动隔振关键技术；开展微重力对细胞增殖和分化影响的研究；验证两相系统实验平台关键技术等。

“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”项目

该项目将在轨测试高精度静电悬浮加速度计的长期工作性能；开展温度、微重力水平、外界磁场环境及力学扰动等外界环境因素对加速度计的影响研究，为空间站开展相对论与引力物理实验奠定技术基础。

“主动隔振关键技术验证”项目

该项目将进行六自由度“主动隔振关键技术验证”，评估六自由度主动隔振控制算法，同时为非牛顿实验检验装置提供高水平微重力环境，也将为空间站高微重力实验平台研制奠定技术基础。此次试验将使我国成为继美国和加拿大后第三个在轨采用主动隔振控制技术服务于空间微重力实验研究的国家。

“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目

该项目开展微重力环境下干细胞增殖分化、生殖细胞分化、骨组织细胞结构功能的影响及其对抗措施方面的研究。它共包括子项目8个，其中干细胞的研究成果可用于心脏、肝脏疾病的治疗、器官移植等方面；胚胎干细胞的研究将为组织工程和再生医学中的应用探索新途径；骨细胞的研究有助于预防和治疗空间和地面骨质变化疾病，为研发分子靶向性药物提供支持。

“两相系统实验平台关键技术研究”项目

“两相系统实验平台关键技术研究”由我国科学家首次提出，用于开展微重力条件下流体的蒸发和冷凝实验。该项目拟开展蒸发与冷凝空间实验科学研究和空间站“空间应用两相系统多功能实验平台”的若干关键技术试验验证，属于科学研究和技术验证相结合的综合空间实验项目。

毛凌野/本文编辑