天舟货运飞船发展历程与特点

白明生 王冉 徐小平

(北京空间飞行器总体设计部，北京 100094)

天舟货运飞船经历立项论证，开展了初样、正样研制工作，并按照任务要求顺利完成天舟一号至天舟三号飞行任务工作。天舟一号货运飞船的成功发射，建立了我国首个专用空间物资运输平台，为空间站提前验证了推进剂在轨补加、快速交会对接等关键技术，标志着空间实验室任务圆满收官，我国载人航天工程正式步入空间站时代[1-2]。空间站关键技术验证及建造阶段，陆续发射天舟二号至天舟五号货运飞船，为空间站运营奠定基础。

1 货运飞船立项论证

依据上级批准的文件和工程总体下发的立项综合论证工作要求，在各大系统及工程院所等单位协助下，紧密围绕货运飞船任务特点，强化功能、优化性能，针对空间站工程全任务周期的补给需求，货运飞船进行全面、深入的立项综合论证，确立了立项论证指导思想。

1)优化设计，满足空间站任务需求

以全面满足空间站任务需求为目标，积极借鉴国外先进设计理念和先进技术，加强平台方案和货运方案的系统优化设计和可靠性设计，提高货物最大运输能力，适应空间站推进剂在轨补加、航天员驻留资源补给以及设备的维修、维护、更换等不同任务需求，体现中国特色，总体性能达到或超过国际先进水平。发挥货运飞船的在轨潜力，支持并配合空间站进行组合体轨道控制，开展空间科学试验，实现货运飞船在轨综合利用。

2)充分继承，降低型号研制风险

货运飞船立项综合论证充分借鉴和继承载人航天工程以及卫星型号的技术和研制成果，包括成功经验、成熟技术和成熟产品，降低研制风险，缩短研制周期，减少研制经费，确保货运飞船在空间实验室阶段能够实现首飞试验，为空间站的建造与运营奠定牢固基础，满足空间站工程高可靠、高安全性要求。

3)统筹规划，提高载人航天器研制效率

在满足工程任务的前提下，货运飞船与载人飞船、空间实验室、空间站等其它载人航天器型号统筹规划。力争利用货运飞船平台更多验证并突破空间站和三期载人飞船关键技术。力求实现产品通用化和互换性，做到优势互补、资源调配灵活，增强型号质量稳定控制的可靠性，提高整个载人航天器研制效率。

4)集成创新，适应后续任务发展

在成熟产品基础上进行集成设计，实现系统创新。以“支撑现在、引领未来”为指导思想，充分考虑载人航天后续任务需求，标准方案与扩展方案集成设计，通过适当改进可实现全开放货船、货物回收、共轨平台等多种功能，一次设计、长期受益。

货运飞船型号研制总体任务由中国空间技术研究院负责，按计划完成总体方案大纲的确定和分系统方案评审等工作，2012年6月货运飞船立项。自此，货船系统按照研制总要求全面开展相关研制工作。

2 货运飞船研制过程

2.1 模块化设计

货运飞船按模块化进行设计，主要包括推进舱模块、密封货舱模块、半密封半开放货舱模块和全开放货舱模块。单艘货运飞船根据任务需要由推进舱模块和后3种模块中的任意一种组成，形成货运飞船型谱(图1)，包括全密封货运飞船、半密封货运飞船和全开放货运飞船。全密封货运飞船主要执行密封加压货物(航天员生活货物、试验载荷、维修备件等)以及推进剂运输任务。半密封货运飞船除具备全密封货运飞船的运输能力外，可运送舱外非密封试验载荷(如测控天线)以及舱外维修备件(如太阳电池翼)。全开放货运飞船用于运送空间站拓展舱段、大型天线等大型货物。三型货运飞船配合使用，可以满足空间站工程各类货物(含试验载荷)运输需求。

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

2013年4月，货运飞船转入初样研制阶段，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平台扩展任务，后续根据任务需要在半密封货运飞船基础上开展初样研制工作。

2.2 初样验证工作

初样阶段利用结构热控船开展全密封货运飞船力热载荷环境、与运载火箭机械接口验证，试验项目覆盖整船力学试验、整船热平衡试验、与运载支架对接试验和船箭联合振动试验等。利用货运飞船电性船开展了全密封货运飞船综合测试。测试项目验证了货运飞船系统功能的正确性、合理性，分系统间接口的正确性和匹配性，测试方法和流程合理、可行。

2014年12月，完成了半密封货运飞船初样阶段全部工作，包括半密封货舱水压气密试验、静力试验、热平衡试验和振动试验，充分验证半密封货物舱的力、热性能，满足各项指标和技术要求。

2.3 发射场合练工作

为实现“验证货运飞船海南发射场测试发射流程的正确性、合理性和覆盖性；验证货运飞船运输方案及流程的合理性；验证货运飞船工作需求与海南发射场技术条件保障能力的匹配性和协调性；检验货运飞船系统在海南发射场与航天员系统、长征七号运载火箭系统、海南发射场系统的接口匹配性和协调性；验证货运飞船货物装载、推进剂加注泄出操作等专项工作的方案合理性，为正样阶段正式执行货运飞船发射任务做好准备工作”的目的，货船系统按工程总体要求组织开展了发射场合练工作。

历时4个月，货运飞船圆满完成了海南发射场合练任务，按要求完成了技术流程中规定的所有工作项目，达到了预期试验目的，在发射场接口、保障能力匹配性、技术流程合理性等方面得到了充分验证。

2.4 正样研制工作

货运飞船系统以圆满完成空间实验室任务阶段和空间站任务阶段飞行任务为总目标，按照平台化、通用化的设计指导原则，全面开展了货运飞船平台正样设计工作，覆盖了系统和分系统方案设计、轨道和发射窗口设计、飞行方案和故障预案设计、研制技术流程设计、总装、测试与试验(AIT)方案设计、可靠性安全性和总体专项设计、工程大系统接口设计，确定了货运飞船平台正样设计方案和设计状态。

2015年3月，启动货运飞船总装工作，开展了各分系统正样产品交付工作。经过两年多的不懈努力，货运飞船系统依据工程总体要求，完成了天舟一号货运飞船北京地区全部研制工作，2017年1月，顺利通过中国航天科技集团公司和中国空间技术研究院院级出厂评审，2月全面开展发射场工作。

3 主要技术验证情况

3.1 推进补加技术设计验证工作

推进剂在轨补加技术是载人空间站工程的关键技术之一，研制和发射天宫二号空间实验室和货运飞船，由两飞行器配合突破和掌握推进剂在轨补加技术，实现货运飞船与空间站推进剂在轨补加技术的先期验证。

货运飞船系统和空间实验室系统对推进剂补加的系统配置、信息系统、热控方案、供配电方案进行了设计，并开展了研制工作。先后完成了2次推进剂补加技术地面原理性试验、推进剂吹除效果专项试验、连接分离试验、全系统方案热试车试验、液路长期带压贮存试验、气路长期贮存等多项试验，并开展了系统间正样联试。货船系统组织完成天舟一号货运飞船推进剂补加专项总结，结果表明：货运飞船系统完成了出厂前的补加系统设计与验证工作，与空间实验室补加接口正确，满足任务与技术指标要求。

3.2 物装载设计验证工作

通过货运飞船运输的物资包括航天员食品、水及其它工作、生活和健康保障用品，舱外航天服及出舱保障用品，空间站设备、部件、备件、维护维修工具及推进剂和气体等消耗品，应用及试(实)验的载荷设备、样品、部件、备件、维护维修工具及其它消耗品等。

针对各类货物上行需求，货运飞船基于平台化技术进行了适应性设计，平台提供标准机、电、热接口，研制了货物标准装载设备，适应空间站不同运输任务、不同运营阶段货物运送需求。同时制定了货运飞船对货物标准接口要求，明确货运飞船与上行运送货物的机、电、信息、热等标准接口，作为货物运送实施基础。标准接口要求文件是各货物方、载荷方开展工作的主要依据，对后续长期任务规范货物接口起到重要的作用。针对特殊接口上行货物，货船系统在初、正样阶段分别开展了各项验证试验。

3.3 载荷支持及接口认证

为便于随船开展空间应用和科学试(实)验，货运飞船设计了载荷综合支持平台，为试验载荷统一提供供电、信息支持。同时，采用以太网通信技术及天地一体化网络协议实现天地网络通信，设计以太网交换机实现网络数据交换，支持标准以太网协议，方便载荷设备自由接入。

不同于采用标准货包类装载的货物，试验载荷接口要求多样，机械安装不完全能够采用预留标准接口，且与平台存在信息交互，耦合关系强。为此，提出了单机分散准入和系统综合测试的分级验证方法，解决了载荷非标接口的动态接入安全性和验证充分性的难题，实现了试验载荷与平台研制的解耦和载荷设备灵活快速装载。

货运飞船载荷接口认证是各试验载荷产品装船前与货运飞船系统平台之间接口匹配性和正确性的一次关键验证，是试验载荷产品交付货运飞船系统前必须开展的工作。实验室认证人员与各载荷方通力合作，按照既定流程和细则完成了所有认证项目，获得了丰富的测试数据，是对货运飞船接口认证平台及认证流程进行了有效考核，对各试验载荷项目与货运飞船平台之间的接口进行了充分验证，对后续载荷搭载工作做出了很好的铺垫工作。

4 天舟一号飞行任务

天舟一号任务是我国载人航天工程“三步走”发展战略第二步第二阶段的收官之战，货运飞船研制任务的圆满完成，标志着我国成功建立了空间物资运输专用平台，突破了推进剂在轨补加、快速自主交会对接等重大技术问题，为空间站建造与运营奠定了坚实的基础。

4.1 任务特点

此次任务主要包括以下特点：

(1)国内首次对货运飞船平台物资运输能力、标准接口以及管理模式的飞行验证，建立我国空间物资专用运输平台；

(2)国内首次开展在轨实施飞行器间推进剂补加试验，为我国空间站组装建造和长期运营扫清能源供给问题上的最后障碍；

(3)首次开展全自主快速交会对接试验以及前向绕飞对接试验，极大提升空间站工程建设的安全水平和整体效能；

(4)搭载了多项空间应用与技术试验，支持在轨试验任务，最大程度发挥任务综合效益，实现一次飞行、多方受益；

(5)国内首次以天基测控体制为主实施飞行控制，采用天地一体化信息网络，实现对航天器在轨飞行的关键事件的全程跟踪，有效降低人力、物力、财力等成本。

4.2 联合飞控

针对天舟一号飞行任务的特点，首次探索实施了分布式与集中式相结合的飞控模式。在飞船发射、交会对接等重要飞控事件期间，各系统试验队进驻北京中心现场开展飞控实施，在载荷试验、飞船长管等一般飞控事件期间，由北京指挥控制中心为主监视和操作，相关系统试验队在各自的支持中心就位，根据任务分工进行数据接收和监视处理，必要时提供远程支持。货运飞船集中式飞控和分布式飞控模式的成功实施，改变了以往任务单纯依靠集中式飞控的工作模式，既是载人航天型号在我国空间站新任务、新阶段、新形式下对于更高效、更和谐飞控工作模式的一种积极探索，又是上级领导对于型号研制人员亲切关怀的切实体现，更为空间站运营阶段飞控实施积累了经验，并不断地持续优化和提高飞控效率。

4.3 发射成果及意义

天舟货运飞船的首次飞行并在轨应用，建立了我国首个专用空间物资运输平台，为空间站提前验证了推进剂在轨补加、快速交会对接、分布式高压供电、空间网络等关键技术，标志着空间实验室任务圆满收官，我国载人航天工程正式步入空间站时代。天舟货运飞船综合技术达到国际先进水平，其中物资运输效率、自主快速交会对接、电动液路浮动断接器等技术国际领先，并创造了多项第一[3]。

(1)提出了多种类物资运输、推进剂在轨补加、全自主快速交会对接的多功能货运飞船总体技术方案，突破了轻量化结构、高效被动热控、高压全分散供配电等关键技术，解决了空间站物资上行、废弃物下行、组合体支持和拓展试验多重任务要求约束下平台轻量化设计难题，实现上行货重比达到0.48。

(2)提出了基于推进和补加一体化的推进剂在轨补加技术方案，突破了电动液路浮动断接器、400L金属膜片贮箱等关键技术，解决了补加量精准控制、推进剂高效利用、加注高可靠高安全等技术难题，在我国首次成功实现了推进剂在轨补加试验。

(3)提出了基于标准化接口、分级认证、智能动态规划的货物运输技术方案，突破了壳聚糖纤维新型货包技术，解决了货物上下行运输状态多变及抗菌防霉、阻燃、无毒、高强度的货物包装等难题，能够满足空间站工程货物运输需求。

(4)提出了全相位、全自主、全方位的多模式交会对接方案，突破了0～360°任意相位差交会、自主完成快速交会对接、不同对接口的自由转换等技术难题，实现了交会对接飞行任务快速规划和灵活实施，具备了船箭分离后6.5 h全自主交会对接的能力。

5 天舟二号及后续飞行任务

根据空间站工程任务安排，关键技术验证及建造阶段每年发射两艘货运飞船为空间站建造进行技术验证和物资补给。2021年以来，天舟二号至五号陆续成功发射，并顺利完成在轨任务实施，取得一系列重要成果。

(1)天舟二号首次实施了自主快速交会对接，基于北斗导航数据自主规划并实施变轨，将交会对接时间由原来的2天缩短到8 h以内，为载人飞船实施自主快速交会对接提前进行了技术验证。

(2)天舟二号首次在轨实施了遥操作交会对接试验、2 h超快速交会对接试验和舱段转位试验，验证了大时延遥操作交会对接信息与控制、快速自主导航和舱段转位过程在轨动力学特性和对接机构分离和再对接等关键技术，为空间站组装建造奠定基础。

(3)天舟三号降低平台研制成本，积极推动系统配置优化工作，并首次实施四贮箱状态飞行，拓展载荷设备安装位置，在满足任务要求的前提下，实现了运输效益最大化。

(4)天舟四号首次实施货包色彩标识，方便航天员更加直观的区分不同类别货物。通过优化包内缓冲材料、改进货物装载方案，使得货物装载效率进一步提高，整船平均装载密度高达280 kg/m3。

(5)天舟五号是空间站有人驻留情况下的首次货运飞船交会对接，对接时间由6.5 h提升到了2 h以内，创造了世界最快交会对接记录。同时搭载多项试验载荷，充分利用上行运力资源，支持开展空间科学与技术试验，提高飞行任务综合效益。

6 结束语

本文以天舟货运飞船的立项论证和初、正样等工程研制阶段为脉络，全面总结了货运飞船发展历程和特点。天舟一号货运飞船顺利完成飞行任务，建立了我国首个专用空间物资运输平台，为空间站提前验证了推进剂在轨补加、快速交会对接等关键技术。天舟二至五号货运飞船的成功发射，为我国空间站建造奠定了坚实基础。

后续，天舟货运飞船将进一步拓展完善功能，提升装载运输效率，服务于载人登月等重大航天工程和前沿科学领域，推动我国航天水平持续进步。

参考文献(References)

[1] 周建平. 我国空间站工程总体构想[J]. 载人航天， 2013，19(2): 1-10

Zhou Jianping. Chinese space station project overall vision[J]. Manned Spaceflight， 2013，19(2): 1-10 (in Chinese)

[2] 贺迎春， 杨欣， 肖建军. 货运飞船天舟一号发射圆满成功[N]. 人民日报， 2017-04-21

He Yingchun， Yang Xin， Xiao Jianjun. China’ s first cargo spacecraft Tianzhou-1 launched successfully[N]. People’s Daily， 2017-04-21 (in Chinese)

[3] 白明生，金勇，雷剑宇，等.天舟一号货运飞船研制[J].载人航天，2019,25(2):249-254

Bai Mingsheng，Jin Yong，Lei Jianyu，et al. Research and Development of Tianzhou-1 cargo spacecraft[J]. Manned Spaceflight，2019,25(2):249-254 (in Chinese)