天舟一号货运飞船研制

2019-04-25白明生雷剑宇

载人航天 2019年2期

白明生，金勇，雷剑宇，王松

(中国空间技术研究院，北京100094)

1 引言

按照我国载人航天工程三步走战略，二步二阶段发射天舟一号货运飞船，解决空间站建造与长期运营必需的大量空间货物运输问题，为我国空间站建造和运营奠定基础[1]。天舟一号货运飞船作为我国首个空间货物运输飞船，于2017年4月20日发射，9月22日受控离轨，飞行任务取得了圆满成功。天舟一号突破了货物运输、推进剂补加、全自主快速交会对接等关键技术，建立了独立自主、功能齐备的空间货物运输系统，使我国跻身于少数几个具备大吨位空间货运能力的国家，综合技术处于国际先进水平。这是我国载人航天工程“三步走”发展战略第二步的收官之作，标志着我国即将开启空间站时代[2]。

2 任务要求

通过载人航天工程第一步和第二步一阶段的实施，我国已初步建成功能完备的神舟飞船天地往返运输系统，能满足近地轨道载人往返任务需求，但在空间站工程阶段还存在大量货物运输以及推进剂在轨补加需求，需建造空间货物运输专用系统——货运飞船。按照我国载人航天工程三步走发展战略，第二步第二阶段——空间实验室任务阶段通过发射天宫二号空间实验室、神舟十一号载人飞船和天舟一号货运飞船，突破和掌握货物运输和推进剂补加、航天员中期驻留等技术，为第三步空间站建造和运营积累技术经验[1，3]。

中国空间技术研究院从2011年开始着手进行货运飞船的立项论证工作，确立了货物舱/推进舱两舱构型总体技术方案。2012年，货运飞船正式立项，命名为“天舟”，明确了天舟货运飞船需要具备的物资上行运输、废弃物资下行、支持组合体姿轨控、空间应用和技术试验支持四大任务功能。作为天舟货运飞船的首飞船，天舟一号主要任务为：①与空间实验室配合，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、快速交会对接等试验；④支持开展空间应用及技术试(实)验。

3 主要技术方案

天舟货运飞船由货物舱和推进舱两舱组成，采用基于模块化的型谱方案，设计了全密封货物舱、半密封半开放货物舱、全开放货物舱和推进舱4个模块，形成了全密封货运飞船、半密封半开放货运飞船和全开放货运飞船3种型谱(图1)，可满足空间站现阶段不同货物种类运输需求。

图1 天舟货运飞船型谱设计Fig.1 Type spectrum of Tianzhou cargo spacecraft

首飞船天舟一号为全密封型谱，飞船轴向总长约10.6 m，舱体结构最大直径Φ3.35 m。最大起飞重量13.5 t，货物上行能力6.5 t。整船构型如图2所示。天舟一号主要系统功能方案设计如下。

图2 天舟一号货运飞船构型Fig.2 Structure of Tianzhou-1 cargo spacecraft

3.1 结构方案

天舟一号全密封货物舱外部为长寿命、低漏率整体壁板结构(图3)，密封舱内部支撑采用轻量化高效铝蜂窝板结构[4]，设计为4层货架装载货物量达到5.5 t(图4)。

图3 货物舱结构Fig.3 Structure of pressurized cargo cabin

图4 货物舱内货架结构Fig.4 Shelf structure inside cargo compartment

推进舱设计为非密封半硬壳铆接结构，采用上下两层法兰的连接形式增加连接点和增大连接面积，加大推进舱结构中间框的强度与刚度，实现了4.4 t推进和补加一体化模块承载[5]，推进舱承载布局设计如图5所示。

3.2 货运保障方案

密封货物舱内采用“货架+标准装载结构”形成上行货物的标准装载接口。货架与整船结构统一设计，预留通用机械接口，通过标准装载结构实现与装载货物连接、固定，并可以适应舱外航天服、水箱、气瓶等特殊货物的运输任务。货物舱内各类货物装载在轨实景见图6。

图5 推进舱内装载布局Fig.5 Overall arrangement inside propulsion module

图6 货物舱内货物装载图(在轨)Fig.6 Cargo stowage plan(in orbit)

同时配置载荷管理单元、载荷配电单元为货物(试验载荷)统一提供供电、信息支持，接入平台以太网络，试验数据下行速率100 Mbps，平台可为货物(载荷)供电1000 W[6]。

3.3 推进剂补加方案

到目前为止，掌握了在轨推进剂加注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，采用的是气体回用法；美国没有进行过在轨加注应用，但通过飞行试验掌握了加压加注技术[7-8]。加压法系统简单，但推进剂加压温升带来了安全隐患，同时补加方需消耗一定量的高压气体。气体回用法系统复杂，技术难度大，但气体资源无消耗，技术一旦突破对长期在轨的空间站更为有利。

考虑中国载人空间站长期在轨推进剂补加需求，天舟货运飞船联合空间站采用“增压气体回用+推进剂恒压挤压”技术方案。货运飞船完成与被补加飞行器的推进剂管路对接与密封，由被补加飞行器压气机将贮箱气腔内增压气体回抽至气瓶，降低贮箱背压，以具备接收推进剂条件，货运飞船再以恒压方式将推进剂输送至被补加飞行器膜盒贮箱，并吹除连接管路推进剂和脱开连接管路，完成推进剂补加。

进步号和ATV货运飞船用于推进剂补加的模块与货运飞船平台自身控制所需的推进模块独立设计，规避了两个模块之间压力体制差异、安全隔离等融合技术难题，但系统推进剂利用率低、任务适应性差、故障应对手段少。天舟货运飞船全新研制8只400 L金属膜片贮箱，分为推进和补加两个功能模块，总携带量可达3.5 t，可用于补加的推进剂为2.1 t。模块间实现了融合使用，满足了推进/补加模块的安全隔离和灵活切换的要求，提高了推进剂利用效率以及任务应急能力。

3.4 交会对接方案

货运飞船与空间站交会对接是实现货物补给和推进剂补加的基础，是货运飞船关键任务功能之一。全相位交会对接扩展了货运飞船的发射窗口，提高了空间站运营管理的灵活性，全自主快速交会对接为空间站快速货物补给和人员运送奠定了技术基础，全方位绕飞交会对接解决了空间站阶段多艘飞船停靠不同对接口的问题[9]。

2012年8月2日，俄罗斯进步M-16M货运飞船首次测试快速对接模式[10]，但关键事件仍需要地面干预。天舟一号货运飞船首次提出了基于绝对定位数据的快速交会对接自主导航与制导方案，解决了依靠地面定轨、计算、注入时间长难以实施快速交会对接的难题，交会对接时间由2 d缩短至6.5 h，在国际上首次实施了全自主的快速交会对接。设计了前向、后向、径向绕飞方案，可与空间站不同对接口对接，提高了任务适应能力。

对接机构设计了主动控制电子阻尼器方案，解决了与大偏心构型空间站(例如“L”型)对接时俯仰和偏航方向能量缓冲消散难题，具备了与空间站全部构型对接适应能力[11]。

3.5 制导、导航与控制方案

姿态与轨道控制采用以陀螺、星敏、红外地敏多种测量方式融合方案完成飞行姿态测量确定，采用纯喷气控制实现姿态和轨道控制。

针对货运飞船大惯量积、变质心的特点，设计36台发动机，提出了基于指令分配的分组姿轨发动机使用策略，设计了基于前馈补偿的交会对接平移靠拢段高精度位置、姿态控制器，解决了非合作目标安全交会、多航天器近距离编队飞行中的近距离准静态悬停技术难题[12]。

3.6 热控方案

针对货运飞船热源分布不均、各飞行阶段变化大、外热流变化范围大的难点，提出了基于强制通风与二次辐射的密封舱热控方法，取代一般密封舱采用的流体回路热控方法，建立了轻量化货运飞船热管理系统(图7)，大幅减轻了散热系统重量[13-14]。

图7 轻量化货运飞船热管理系统Fig.7 Lightweight thermal management system of cargo spacecraft

密封舱内设计通风系统实现热量统一收集传递，后球底作为散热面实现热量可控排散，密封舱/非密封舱一体化耦合设计。通过二次辐射调节传热路径和热阻，提高了密封舱散热面温度水平，设计3台风扇组合强制通风，增强了散热面的温度均匀性，解决了密封舱舱壁作为散热面容易结露的技术难题，在国内外载人航天器上尚属首例。

3.7 环境控制方案

载人环境控制与空间站一体化设计，简化了自身系统配置。密封舱内配置压力控制和温湿度、氧和二氧化碳浓度测量设备，具备舱内照明、显示报警等功能，支持航天员进舱操作。

3.8 电源方案

采用太阳电池翼-锂离子电池组的光伏电源系统提供100 V电源，配置60 Ah锂离子电池组和左右两翼总面积约30 m2三结砷化镓太阳电池翼[15]。采用22串ICP30单体高压锂离子蓄电池组设计方案(图8)，航天领域首次实现了100 V高压锂离子蓄电池组在轨应用。其中，ICP30单体与空间站通用，提前验证了空间站电源关键技术。

整船采用100 V分散配电体制(图9)，100 V高压传输直接给电子单机供电，单机内部配置国产DC/DC厚膜器件，减少配电体系中两级DC/DC变换损耗以及供电链路串联环节，提高了供电效率和可靠性[16]。

图8 高压锂离子蓄电池组Fig.8 High-voltage lithium ion battery pack

图9 100 V直接配电体系结构示意图Fig.9 Schematic diagram of 100 V direct distribution system

3.9 测控通信方案

测控通信以天基为主，关键时段配以陆海基测控支持，实现了交会对接和推进剂补加等关键事件全程跟踪测控，同时减少了对陆基测控站和海基测量船的依赖。

针对航天器内部网段设计和IP over CCSDS的协议转换技术，提出一种适用于近地轨道航天器的天地网络一体化方案，设计以太网交换机实现了IP协议与CCSDS AOS空间数据链路协议的相互转换，构建了天地一体化互联网络[17]。可提供不少于12路百兆以太网接口，接口速率100 Mbps，支持标准以太网协议。

4 研制过程概述

2011年，原总装备部载人航天工程办公室依据中央专委批准的《载人空间站工程实施方案》，提出了《货运飞船立项综合论证技术要求》，中国空间技术研究院随即牵头开展货运飞船方案论证工作。2012年，货运飞船正式立项。2012年6月，载人航天工程办公室正式下发《货运飞船研制总要求》，明确了货运飞船任务、技术指标、技术要求以及总体技术方案要点。

2013年4月27日，货运飞船完成总体方案设计，转入初样研制阶段，同步开展全密封、半密封货运飞船研制工作，全开放货运飞船作为空间站运营阶段扩展任务仅完成了方案设计。初样阶段，除例行的整船力热EMC综合电测等系统级试验外，根据任务特点，开展了推进全系统液流补加仿真、货物舱货物模装试验等专项试验。初样研制各类试验共计207项，全面验证了飞船方案设计的合理性和可靠性。在整个初样研制阶段，总体、分系统和单机单位进行了大量的研制、试验、分析、验证和改进工作；着眼于飞船所担负的任务使命，从元器件、原材料做起，攻克了一个个难关，明确了正样产品的技术状态。

2014年8月，货运飞船进入正样阶段，开始首飞船——天舟一号研制。除例行的正样试验外，货运飞船参加了长征七号运载火箭/货运飞船在海南发射场的合练，是新火箭、新飞船、新发射场的首次磨合，充分验证了箭船发射场接口匹配性。2017年1月，天舟一号顺利通过出厂评审，并于2017年2月13日经海路顺利到达海南发射场。发射场工作推进的同时，联合北京飞控中心并行开展飞控准备工作。海南、北京两地精心的组织和准备，确保了天舟一号任务的顺利实施。

5 天舟一号飞行过程

天舟一号货运飞船于2017年4月20日起飞，4月22日与天宫二号空间实验室对接锁紧完成形成组合体。4月23日开始第一次推进剂补加任务，4月27日完成推进剂补加，标志着天舟一号飞行任务圆满成功。

4月28日天舟一号货运飞船转入组合体载荷支持模式，开展对天/对地观测、空间环境监测等多项空间实验，于6月14日进行了第二回推进剂补加。6月21日与天宫二号空间实验室前向分离撤离，进行为期3个月的独立飞行，期间释放了一颗立方星。随后于9月12日开展了全自动快速交会对接试验，然后进行了第三回推进剂补加及拓展试验，9月22日17：59受控陨落于南太平洋区域。整个飞行过程如图10所示。

图10 天舟一号飞行过程示意图Fig.10 The flight procedure of Tianzhou-1

6 主要成果

天舟货运飞船瞄准“国际领先”这一核心目标，打造出运输效能高、任务范围广、自主能力强的货运飞船，在满足空间货物运输主任务的同时，具备了多维度在轨服务拓展能力，实现了7个“首次”。

1)首次执行天舟货运飞船飞行试验任务：天舟货运飞船是面向空间站建造和运营物资运输补给任务全新研制的载人航天器，上行载货比、货物运输、推进剂补加等综合能力比肩甚至优于国际现役货运飞船。

2)首次在轨实施飞行器间推进剂补加：天舟一号与天宫二号实施了我国首次推进剂在轨补加，突破并试验了推进剂补加技术，为我国空间站组装建造和运营奠定基础。

3)首次以天基测控体制为主实施飞行控制：以天基测控体制为主的原则进行设计，实现了关键事件全程跟踪测控、在轨异常及时监测处置，减少了对陆基测控站和海基测量船的依赖。

4)首次大规模推动核心元器件自主可控：为带动元器件自主研制，加速实现元器件自主可控，提前验证空间站用关键元器件，作为飞行验证平台首次使用7大类44项新品元器件。

5)首次开展全自主快速交会对接试验：首次开展自主快速交会对接试验，采用自主导引模式，完全依靠船上设备导航和控制，在6.5 h内自主规划、多次变轨实现交会对接。

6)首次搭载多项空间应用与技术试(实)验载荷：在满足货物运输的同时，最大发挥平台效能，随船搭载了40台载荷设备，完成了13项载荷在轨试验项目，实现一次飞行、多方受益。

7)首次实施主动离轨受控陨落：天舟一号货运飞船为我国首次实施大型航天器受控再入大气层。在轨任务结束后，经地面决策，实施主动离轨，通过2次降轨控制，受控坠落于南太平洋预定区域。

7 国内外货运飞船综合比较

1978年1月20日苏联发射了第一艘进步号货运飞船[18-19]，2008年3月9日欧洲发射第一艘自动转移飞行器(ATV)[20-21]，2009年9月11日日本H2转移飞行器(HTV)成功首飞[22]。借助NASA商业轨道运输计划(COTS)和商业乘员发展计划(CCDev)，SpaceX公司和轨道科学公司先后发射了龙飞船[23]和天鹅座货运飞船[24]。

目前，航天飞机已经退役。ATV在完成5次货运任务后，也退出现役。国际空间站货物运输将主要依靠进步号[25]、HTV[26-28]、龙飞船[23]和天鹅座货运飞船[24]。其中，ATV单次运输重量最大，达到7.67 t[20，26]。我国天舟货运飞船开展了全要素轻量化设计，虽然单次运输量6.5 t不及ATV，但上行货重比达到0.48(上行货重比＝上行能力＼发射质量)，货物上行效率为国际现役货运飞船最高。天舟货运飞船与国外货运飞船货物运送能力比较见表1。

表1 货运飞船货物运送能力比较[29]Table 1 Comparison of payload of cargo spacecrafts[29]

任务能力比较见表2，天舟货运飞船具备空间站货物上行、废弃物下行、组合体支持和拓展试验的综合任务能力。由于龙飞船载货版和载人版一体化设计，具备货物返回和重复使用能力。天舟货运飞船目前尚不具备货物返回和重复使用能力，我国空间站工程进入长期运营和空间应用阶段后，高效低成本货物补给要求将愈发强烈，同时在轨生产的需要送回地面的高价值空间货物量会迅速增加，天舟货运飞船发展货物返回和重复使用能力是未来必然趋势。