中国空间站的“快递小哥”

沈羡云

4月20日19時41分，搭载着“天舟”一号货运飞船的“长征”七号遥二运载火箭，在我国文昌航天发射场点火发射，约596秒后，飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，发射取得圆满成功。这是我国货运飞船的首次飞行试验，作为载人航天家族的新成员，“天舟”一号的加入，意味着中国载人空间站的建成将向前更进一步，这也是中国人实现“太空筑家”梦想的关键一步。

“快递小哥”简介

我国将建造长期有人照料的空间站，空间站要运行，航天员要工作、生活，向空间站运转所需的燃料（推进剂）及航天员工作、生活所需要的物资是必不可少的。这就需要有一个专门的运输工具来负责运输货物，并为空间站“加油”——这个重要使命就由货运飞船来担当。

“天舟”一号是我国自主研制的首艘货运飞船，由于它只运货，不送人，所以被一些媒体昵称为太空中的“快递小哥”。“快递小哥”是两舱式结构，直径较小的是推进舱，直径较大的为货物舱。其最大直径达到3.35米，飞船全长10.6米，太阳帆板展开后最大宽度为14.9米，物资上行能力约6吨，满载货物时重13.5吨。它是中国发射进入太空的航天器中质量最大的有效载荷，比“客户”（“天宫”二号空间实验室）还大 。这次任务，“天舟”一号要为“天宫”二号带去6吨左右的货物和推进剂，其中有大大小小100多个货包。此外，其强大运载能力还表现在载货比指标上。“天舟”一号的载货比（即货物重量占整个飞船的总重量的比例，是考核货运飞船的主要指标，载货比数值越高，说明运载效率越高）较高，将来还可以进一步优化到0.48，该数值超越欧洲、日本等国家的现役货运飞船，处于国际领先水平。

“快递小哥”的“腰部”是一个个镂空形式的连接框，可以与各部分牢固连接。它的外衣是一种壁板结构，货物舱为圆柱形，舱壁周围为格状结构的货架，上面装有天蓝色把手，中间形成一个矩形过道。为了让未来的“客户”在舱内活动更安全、舒适，内部的地板采用了深色硬质结构，方便蹬踏，天花板为浅色。上浅下深颜色的布局，可以营造出一种天地感，让人不会眩晕。为了使舱内空间利用更加合理，装载更多的货物，“天舟”一号的货舱被自己的“骨骼”——货架分割成了许多区域。在货架的设计上，科研人员选用了轻质高强度材料。“货架面板”仪器板使用的是铝合金蜂窝板，“货架框架”立梁使用的是碳纤维材料。经过多次工艺攻关后，“天舟”一号的整体结构变得又轻又强壮，确保能将货物完好无缺地送达“天宫”二号。

目前，国际上使用的货运飞船有多种，包括俄罗斯的“进步”号货运飞船、欧洲的自动转移飞行器、美国的“龙”飞船，以及日本的HTV货运飞船等。“天舟”一号是世界上现役运载能力最强的货运飞船。

“天舟”一号入轨后，将按预定程序与在轨运行的“天宫”二号先后进行3次交会对接、3次推进剂在轨补加以及空间应用和航天技术等领域的多项试验。其间，“天舟”一号与“天宫”二号组合体在轨飞行约2个月，“天舟”一号独立飞行约3个月。完成既定任务后，“天舟”一号将受控离轨，陨落至预定安全海域;“天宫”二号留轨继续开展拓展试验和应用。

“快递小哥”的任务

“快递小哥”到达太空后，除了给“天宫”二号送补给品外，还有很多任务等待它来完成。“快递小哥”的主要任务是：

检验“太空加油”技术

就像汽车需要加油，未来空间站长期在轨也需要“加油”。“天舟”一号这次就要进行在轨推进剂补加技术验证，在太空为“天宫”二号“加油”。有了货运飞船超强运输、补给能力的支撑，未来，3名航天员能在“太空之家”连续工作180天，各类实验物资也可以源源不断地运抵空间站，把空间站建设成为我国在太空的新技术试验田。

三次对接

未来空间站包括核心舱和两个实验舱， 核心舱前后方向与垂直下方分别设有对接口，未来去空间站执行任务的载人飞船或货运飞船很可能从不同方向进行交会对接。“快递小哥”在太空将完成3次交会对接任务。第一次交会对接是测试货运飞船对组合体的控制能力。第二次交会对接时“天宫”二号转体180°，“天舟”一号从“天宫”二号下方绕飞，同时转体180°，加速赶到“天宫”二号前方，与“天宫”二号进行对接。第一次、第二次交会对接检验的都是未来空间站运营所必须的能力。

在最后一次交会对接中，“天舟”一号将采用自主快速交会对接技术。在“天舟”一号之前，我国掌握的交会对接技术需要耗时两天左右，快速交会对接将时间控制在6个小时左右。这意味着可以缩短航天员在飞船狭小空间中滞留的时间，使载人太空飞行变得更加舒适、惬意，还可以让无法经历长时间运输的货品尽快送达。同时，这项技术将在更大程度上保障未来空间站的安全，方便空间站突发事件的应急处理。

空间应用及技术实验

虽然，“天舟”一号的主要功能是“运货”，但在满足货物运输需求的同时，“快递小哥”还利用随船搭载的几十台载荷设备， 过一把科学研究的瘾，在飞行期间开展十余项科学实验研究及技术验证实验。其中，“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”将在轨测试高精度静电悬浮加速度计的工作性能，获得的实验结果将为我国“卫星重力测量”“空间引力波探测”等空间计划提供重要支撑。此外，“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目有望应用于心脏和肝脏疾病的治疗、器官移植、生殖健康以及预防和治疗骨质变化疾病等方面。

“快递小哥”的技术亮点

太空加油

“天舟”一号飞船将对“天宫”二号空间实验室实施推进剂在轨补加，突破和掌握推进剂补加等关键技术。“天舟”一号货运飞船“太空加油”采用的是无增压气体损耗的气体回用法。这种方法系统设计难度较大，但是气体资源利用率高。

与日常生活中的加油不同，“太空加油”不仅要加注燃料，还需要加注供燃料燃烧的氧化剂。燃烧剂和氧化剂两者不能“见面”，否则会发生爆炸。它们的加注是由两套系统独立完成的，加注时序也不同。“太空加油”须在“天舟”一号和“天宫”二号对接锁紧、补加装置和管路气密性好的前提下进行。“太空加油”分3步：第一步，“天宫”二号的压气机将手风琴状的膜盒贮箱中的气体压回气瓶，使“天宫”二号的燃料储箱的压力低于“天舟”一号;第二步，推进剂在压力差的作用下，自动从“天舟”一号贮箱流入“天宫”二号贮箱，当两侧压力一致时，加注工作完成;第三步，进行管路吹除，确保“天舟”一号和“天宫”二号分离时，残留在管路中的推进剂不会在空间扩散，以防污染对接器件和航天器。

“太空加油”过程复杂，具体分为29个步骤，每步都需要精细控制，整个补加过程要持续几天。

它是这次任务的最大亮点， 是世界范围内的难题， 目前国际上掌握了在轨推进剂补加技术的只有俄罗斯和美国等少数国家，其中，实现在轨加注应用的只有俄罗斯。

高科技的“货架”和“货包”

快递小哥送货的“货架”和“货包”与普通的货架、货包不同，是專门为“天舟”一号定制的。为提升“天舟”一号承载量，飞船内部采用了高效承载货架设计。表面上看，这些货架和普通的储物格类似，但其细节和构型都经过科学分析论证。货架采用基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构，形成大量的标准装货单元，结构与货物重量比达到8%，此比例在业内已属领先。

由于运送的货物中有不少精密仪器和航天员用品， 装载物资的货包必须具备保护功能。“天舟”一号精心准备了一种高科技货包来装载货物。这种高科技货包，采用系列化设计，根据货物尺寸，可调节大小、形状。其外观呈乳黄色，采用新型的抗菌、防潮、防霉布料，里面则使用一种新研制的防火、防潮且减振的泡沫或者气囊来包裹货物，“软包装”能够很好地为货物减振，可保证货物安全到达太空和部分货物在货包中安全地存放一年。

天基测控搭建“太空天路”

以往，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。这需要耗费大量人力、物力来建造、维护地面测控站和海上测量船，研制人员奔波在各个站点之间开展相关试验，并且受到跨国、跨境等地域限制。

“天舟”一号货运飞船首次采用了以天基测控体制为主的设计原则。简单来说，就是将原本在地面或海上的测量系统“搬”到了天上，打破了在地面或海上的地域限制，实现了对航天器在轨飞行关键事件的全程跟踪，以确保对在轨异常的情况及时监测处置。这项测控应用有效降低了人力、物力、财力等成本，为未来与空间站通讯联络铺平了道路。

精准的组合体姿态控制

要实现“太空加油”，“天舟”一号和“天宫”二号这个组合体必须稳定。但是，由于“快递小哥”的质心、惯量变化范围大，在“加油”时，对组合体的飞行姿态有较大的干扰。为了保证组合体在太空的姿态稳定，中国空间技术研究院研制了200Nms控制力矩陀螺（CMG）系统，它有完善的自主故障诊断和重构能力，该系统在实现对组合体稳定控制的同时，可以保证当某一个CMG出现异常或故障时，系统可以无缝切换，并保证对姿态干扰的程度最小。对组合体的控制，将再次验证我国大型变结构航天器控制技术的可靠性，对后续飞行器设计有重要参考意义。

【责任编辑】蒲 晖