天舟四号：通天路上的“快递小哥”

文/航站

（感谢胡蓝月、李同、张航、黄正宇、常晨对本文的贡献）

5月10日1时56分，长征七号运载火箭从海南文昌航天发射场点火起飞，成功把天舟四号货运飞船送入太空，中国空间站建造大幕正式开启。飞行约6.5小时后，天舟四号货运飞船采用自主快速交会对接模式，与天和核心舱后向对接，中国空间站再次转入三舱（船）组合体状态。

为了确保中国空间站建设顺利推进，天舟四号货运飞船、长征七号运载火箭在多方面分别进行技术革新、程序优化，以全新姿态交出了一份亮眼的成绩单。

▲ 长征七号运载火箭成功发射天舟四号货运飞船 屠海超 摄

▲ 天舟四号货运飞船地面检测

▲ 火箭整流罩转运

彩色“身份证”更便利

天舟四号货运飞船是中国空间站建造阶段的首发航天器，主要作用是为空间站运输物资、补给燃料、下行废弃物，具备并网供电、应急通信等能力。

本次任务，天舟四号货运飞船上行物资约6.2吨，包括航天员系统食品、医药物品、卫生清洁用品等货包，空间站关键设备的备份件、维修件，空间应用系统的试验载荷，以及为空间站组合体携带的750千克补加推进剂。

对接成功后，天舟四号货运飞船会充当“加油站”，为空间站在轨运行提供燃料补充，将按计划开展多项在轨实验，承担实验支持的职责，上行的物资就包括3项实验载荷，将在失重环境下进一步验证设备原理。

有趣的是，航天员会发现：货包又变样了。从天舟二号货运飞船的二维码标签，到天舟三号货运飞船的彩色丝带，而天舟四号货运飞船的货包更新到3.0版本，用上了彩色“身份证”。

原来，天舟二号货运飞船升空后，经过航天员使用反馈，在神舟十二号载人飞船乘组返回后的座谈会上，设计师明确了货包改进方向。但当时天舟三号货运飞船的货包已经准备完毕，设计师只好临时用彩色丝带为货包进行简要区分。

而在天舟四号货运飞船上，货包采用彩色二维码标签进一步完善。标签颜色提供“第一眼信息”，用于区分货包的从属系统和使用场景。“身份证”包括浅蓝、深蓝、绿色、紫色、浅棕、深棕共6种颜色。其中，绿色代表航天员系统食品，浅棕色代表摄影设备，紫色代表医学实验领域物资。每个货包的专属二维码提供更加详细的信息，“吃、穿、住、用，一目了然。”

据悉，这次被带上天的美食新增了4种蔬菜，还有为中秋、冬至特别安排的节日食品。在航天员完成出舱等重大任务后，能分享“奖励食品”。等到航天员过生日，还能打开“盲盒食品”，收获小惊喜。

可以说，载人航天工程注重以人为本，通过更加人性化的设计改进，航天员在空间站的居住体验将越来越好。

高科技“带货”本领强

为了装货更多，天舟系列货运飞船共设计了20多种不同尺寸规格、不同形状的货包，充分利用货舱内的每一寸空间。根据物资不同，货包里的缓冲泡沫也做了相应调整。天舟四号货运飞船上行物资中有精密仪器等设备，需要垫泡沫缓冲减震，但空间“寸土寸金”，传统的泡沫板体积大、不易收纳，设计人员将其改进为小型泡沫块和气囊，更便于航天员在轨整理。

某些关键的医疗检测和保障物资具有较强的温度敏感性，需要存储在“低温锁柜”中。这被戏称为“太空冰箱”，对于隔热保温材料要求很高，还必须满足质量轻、体积小、绝对阻燃等特性，最大程度地安全提高货运飞船内部的空间利用效率。

技术团队经过反复测试，制成真空绝热板，号称“天舟VIP材料”。其基础材料是气凝胶，具有低密度、低导热率、高热稳定、高吸附性、隔音等独特优势，通过特殊工艺，材料热导率比原来的再降低了一半，具备优异的隔气性和耐刺穿性。

货舱热控风机是天舟四号货运飞船内的“中央空调”，既要保障设备散热，又要确保舱内氧气流通，以便将来航天员安全入舱提货。麻烦的是，关键器件都是“大嗓门”，持续噪音会给整个封闭空间的正常工作造成消极影响。科研人员从电机极槽配合、轴承配合设计、转子动平衡设计及间隙设计等多方向入手，找到了最佳配合，为舱内创造了安静环境。

根据货运飞船上行和在轨的不同环境，设计人员对货格里的适配板也做了相应调整。火箭起飞后，货包需要承受持续的过载和振动，因此货格、间隔货包的适配板都采用了螺丝钉固定；飞船入轨后，舱内变为失重环境，货包取出拆开后，间隔货包的适配板也要收纳起来。据悉，设计人员采用日常生活中常见的尼龙搭扣，使适配板可以直接粘贴在货格内，减少了航天员在轨工作的负担。

▲ 天舟四号货运飞船与空间站核心舱交会对接

说到“天上减负”，不得不提保障空间站水循环的设备。这次天舟四号货运飞船携带了一些空间站环控生保尿处理子系统的消耗品，保障神舟十四号载人飞船乘组半年在轨生活。

截至神舟十三号载人飞船乘组在轨任务完成，天和核心舱的尿处理系统共计处理尿液1700升，产生蒸馏水1400余升，加上其他设备，使得空间站内水的回收率优于95%，大大降低了货运飞船上行水的补给量。而尿处理系统峰值功率约300瓦，能耗低于大部分家用电热水壶。

失重环境下人体的钙流失加重，尿液中的钙可能析出结晶，堵塞换热器、阀门、过滤器等。空间站的尿处理系统选用除钙材料，能够从6升尿液中提取5升蒸馏水，且不形成钙结晶沉淀。考虑到在轨运行10年以上的需求，系统按照产品的寿命与可靠性指标，划分出在轨可更换单元，由航天员维修更换，所需消耗品由货运飞船定期补给。

“太空之吻”门道多

火箭飞行约10分钟后，船箭分离。天舟四号货运飞船太阳帆板展开，很快进入快速交会对接模式。飞行约6.5小时后，天舟四号货运飞船与空间站组合体成功对接，表现良好。

快速交会对接等关键技术在天舟二号货运飞船上首次验证，至今已积累了充足的经验，仔细分析天舟四号货运飞船顺利对接的过程，少不了各种航天设备助力。

比如，天舟四号货运飞船需要时刻精确把握速度和位置，必须在微重力环境下测量加速度，以便安全、准确地进行姿态调整。为此，“上天”的石英挠性加速度计必须经过千锤百炼，温度循环、振动冲击、低气压、离心实验等必不可少，既要穿上密不透风的“航天服”，保证内部气体不泄漏，又要带上“电暖宝”，精确控温，保障在真空环境中有效工作。

太阳能电池连接器的可靠性关系到整艘飞船的能源供应安全。与以往的宇航产品不同，该产品直接暴露在舱外，设计之初就必须模拟真空强辐射环境，进行多次仿真、材料验证、工艺优化，并在研发前端多次优化技术方案，直到今年4月最终拿到环境考核试验“上天”通行证。

苍茫太空，万里“穿针”。在对接机构设计之初，设计师充分考虑到：未来中国空间站需要适应8～180吨范围内各种吨位、各种方式的航天器对接，包括偏心对接，而在对接过程中将会产生巨大的对接能量，给对接机构的缓冲耗能能力提出很高的要求。

为了让重量级航天器“轻盈优雅”对接，设计师们通过大量技术攻关和方案论证，系统性提出了可控阻尼的控制思路，既不影响原捕获性能、方便捕获，又可以消耗对接机构捕获后产生的巨大撞击能量，成功突破了空间站建造的关键技术。

▲ 中国空间站目前是三舱（船）组合体状态

▲ 长征七号运载火箭

▲ 航天人送长七火箭出征

值得一提的是，除了要确保空间站建造阶段每次对接都能成功“吻”上，对接机构还将在今年迎来问天实验舱、梦天实验舱的“大考”。根据安排，2个实验舱发射成功后，经状态调整和转位，将长期“停泊”于空间站，成为航天员在空间站工作、生活的主要场所，对接机构作为航天员往返于工作生活区的重要通道，将继续发挥重要作用。

火箭革新更高效

长征七号运载火箭是中国新一代两级半中型运载火箭，采用液氧煤油推进剂，能把14吨有效载荷送入可与中国空间站交会对接的近地轨道。本次发射中，长七火箭进行了17项技术状态改进，将北斗卫星导航系统升为卫星定位第一优先级，火箭飞行可靠性达到世界先进水平。

长七火箭试验队优化流程，将测发天数压缩至27天，首次实现液氧煤油推进剂并行加注，有效提高了发射场工作效率。

此前，长七火箭在发射前12小时开始加注煤油，煤油加注完毕，再加注液氧，避免泄漏引发安全隐患。随着长七系列火箭发射次数逐年递增，流程优化的条件成熟了。另一方面，沿海发射场气象变化快，射前工作时长缩短到8小时，可以进一步减少高温、高湿、高盐雾等因素对箭体的影响，缓解试验队员的工作压力，降低对人员、设备、气象等保障条件的要求，提升火箭发射的适应性和灵活性。

长七火箭采用并行加注方案后，减少了煤油停放时间，缓解温度回升，进一步保障了推进剂的品质，提高发射可靠性。对此，技术团队梳理识别液氧煤油并行加注的薄弱环节，针对预想的100多种故障模式，分别制定详细的故障处置预案。

值得注意的是，长七火箭捆绑了4个助推器，如果加注煤油、液氧的时间、流量不一致，可能造成火箭重心偏离，倒向一侧；火箭的液氧储箱在煤油储箱顶部，上下同时加注时，储箱内的压力承载能力也受到考验。

为此，火箭研制团队与发射场共同开展安全性分析，对结构载荷、流程适应性进行详细论证及桌面推演，并在发射前进行全流程演练，确保万无一失。

2016年长七火箭首飞时，北斗卫星导航系统还未完全组网，故选择以GPS为主、北斗导航为辅进行卫星定位。如今，北斗全球卫星导航定位系统已经开通近2年，转为卫星定位第一优先级是顺理成章的。为此，长七火箭的软件、硬件都做了相应更改，全部测试合格，证明北斗卫星导航系统的定位精度、可靠性与国际水平相当。

天舟四号货运飞船要求零窗口发射，而长七火箭将发射窗口拓展至120秒，通过卫星导航定位授时，火箭系统自动计算时间偏差、修正轨道面、精确入轨，显著提升了载人航天交会对接任务的适应能力。

另外，火箭研发团队按计划逐步提升发动机可靠性，本次发射任务中对发动机的设计和工艺展开了10余项改进。经评估，长七火箭飞行可靠性0.9838，达到世界先进水平。

在空间站建造和运营阶段，火箭设计人员为长七火箭策划了30余项改进措施，将逐步落实。而在我国新一代运载火箭中，长征八号运载火箭一子级与长七火箭芯一级基本一致，长征七号甲运载火箭沿用了长七火箭的助推器、芯一级和二级。“三兄弟”齐头并进，经过验证的项目将在其他型号上及时跟进，火箭技术状态改进保持动态一致。