天舟五号：创纪录的宇宙级“带货”

文/邓雨楠

11月12日10时03分，长征七号运载火箭在中国文昌航天发射场点火起飞，成功将天舟五号货运飞船送入预定轨道。12时10分，天舟五号货运飞船成功对接于空间站天和核心舱后向端口，创造了空间站阶段交会对接最快纪录。11月13日14时18分，航天员开启货物舱舱门，在完成环境检测等准备工作后，于15时03分顺利进入天舟五号货运飞船，按计划开展货物转运等相关工作。

这已是中国空间站迎来的第四艘货运飞船，浪漫的中国航天人再一次向空间站送上了“惊喜礼包”。“天舟五号”也是空间站三舱组合体建成后的首个来访飞行器，还是中国首次在空间站有人驻留的情况下实施货运飞船交会对接。无论是天舟五号货运飞船本身，还是此次对接过程，都有很多亮点值得细品。

▲ 长征七号火箭发射天舟五号货运飞船

“多面手”和“小忙人”

按照工程总体飞行任务规划，空间站关键技术验证及建造阶段会发射天舟二号至天舟五号共4艘货运飞船，“天舟五号”是本阶段最后一艘执行应用性运输任务的货运飞船，将为完全状态的中国空间站运输物资、补给燃料、下行废弃物，未来还将陪伴神舟十五号飞船乘组度过为期6个月的太空旅程。

据了解，“天舟五号”上行物资约6.7吨，包括航天员系统准备的食品、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，空间应用系统的实验载荷，以及为空间站组合体携带的1400千克补加推进剂。这些物资都将为未来的航天员在轨驻留、空间站长期运营并开展材料科学、微重力、航天医学试验等空间应用领域提供物资保障。

天舟货运飞船系统总体副主任设计师张振华介绍，飞船这次上行了新鲜水果，装载过程中进行了保鲜处理，将更好地满足航天员的营养物质需求。

天舟五号货运飞船还搭载了约1千克植物种子，包括水稻、小麦、玉米等主粮作物和少量林木种子，用于开展航天育种实验，未来将通过载人飞船返回地面，培育后投入市场。

按计划，天舟五号货运飞船还将承担实验支持的职责。上行的物资包括3项实验载荷，将在空间失重环境下开展科学实验，对一些前沿的航天关键技术进行验证。

此外，天舟五号货运飞船还具备承担空间站姿态轨道控制、并网供电及空间站遥测、数据传输支持等任务的能力，支持空间站运营及科学实验。

据张振华介绍，近地轨道上几乎没有空气，但对于以接近第一宇宙速度飞行的空间站来说，极为稀薄的高空大气阻力是不可忽视的因素。虽然空间站安装有轨道控制发动机，但如果有货运飞船对接驻留，就主要使用货运飞船的发动机来维持轨道，而天和核心舱的发动机和燃料更多是以备不时之需。

“太空快递”送达后，货运飞船就地“变身”。张振华透露，“天舟五号”将在陪伴神舟十五号飞船乘组度过空间站的时光后离轨。此外，天舟五号货运飞船在空间站驻留时可充当“回收站”，航天员可将空间站内的废弃物品搬运到货运飞船上，从而增大有效活动空间，保持空间站整洁，生活得更舒适。

快速交会对接进入“高铁时代”

长征七号运载火箭点火飞行约10分钟后，船箭分离。天舟五号货运飞船太阳帆板展开，随后进入快速交会对接模式，约2小时后，与空间站组合体成功对接。

所谓交会对接，是指两个航天器在空间轨道上会合并连接成一个整体的技术，类似于我们在地面上将两块积木插在一起，但要在太空中完成这个动作可不容易。

“对接的两个航天器最初不在同一个轨道上，而要到达同一轨道上，必须通过发动机喷气来改变航天器的运动速度大小或方向，从而变换轨道来实现。”张振华介绍，交会对接具体的流程包括远距离导引、近距离控制两个阶段，主要由追踪飞行器完成。而快速交会对接相比原交会对接流程，压缩时间最多的就是远距离导引段。

所谓快速交会对接，是相对于较早的交会对接流程而言。如“神舟八号”与“天宫一号”的交会对接，从飞船发射到完成对接，总时长约45小时。“天舟二号”首次实现的快速交会对接仅用了约8小时。“天舟三号”“天舟四号”将这一过程压缩为约6.5小时。

而这次，天舟五号货运飞船的快速交会对接更是进入了“高铁时代”，仅用2小时就可以成功与“T”字构型空间站组合体实施对接，对接目标达80吨量级。这也是中国首次在空间站有人驻留的情况下实施货运飞船快速交会对接。万一遇到故障情况，航天员有能力遥控操作货运飞船对接，提高了对接的可靠性。

“快速交会对接并不是飞行速度变得快了，而是轨道控制的流程变短了。”张振华表示，从“天舟二号”到“天舟四号”，货运飞船需要经历6次变轨，然后到达离空间站大概50千米左右的瞄准点。接下来，它们逐渐逼近，不断地确认位置关系，调整自己的姿态和速度，最终追上目标飞行器，完成对接。不过，对于上述过程，天舟五号货运飞船只需要经过2次变轨便可轻松完成。

“一般来说，货运飞船入轨后，地面飞行控制人员要对货运飞船进行状态确认，然后才会进入快速交会对接模式。我们这次优化了状态确认的时间，把以前串行的工作变为并行开展，为2小时快速交会对接抢些时间。货运飞船入轨5分钟后就进入了快速交会对接模式。”张振华表示。

当然，要确保飞船状态不出问题，快速进入对接模式，对天舟五号货运飞船研制团队也提出了更高的要求。为确保“天舟五号”可靠工作，研制团队在模拟轨道真空环境条件下对“天舟五号”连续加电测试了340小时，飞船正常工作无误。发射前，“天舟五号”GNC控制器、数管计算机、推进电子单机等关键设备测试时间超过1500小时，验证非常充分。

“天舟”不断升级任务多样

“天舟五号”的成功背后是航天人长期科研攻关，中国货运飞船经历了不断优化的发展过程。

在神舟飞船上，航天员最多可以携带几百千克的随身行李。随着中国空间站建设稳步推进，补给需求大增，货运飞船应运而生。

2011年，航天科技集团五院开始着手进行货运飞船的立项论证工作，确立了货物舱和推进舱两舱构型总体技术方案，并将“天舟一号”作为我国首艘试验性货运飞船。

天舟系列货运飞船副总师党蓉介绍，由于货运飞船尺寸很大，每次任务的货物装载量不同，质心位置会发生变化，且货运飞船在轨废弃物的装载也会对质心的控制造成影响。为保证货运飞船能够适应不同质心位置和高精度的控制要求，“天舟一号”将4类36台发动机分别布在飞船的前锥面和后端面上。

“尽可能运送更多货物”是设计师们追求的主要目标。天舟货运飞船系统总体副主任设计师张振华表示，这就要求飞船提高承载能力并减轻自身重量。一方面，船内的高效承载货架采用基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构，形成大量标准装货单元，传力效果好，结构与货物重量比却仅为8%。另一方面，飞船所有关键电子单机采用国产100伏厚膜电源模块，不仅减轻了配电设备和电缆的重量，还奠定了100伏高压传输的基础。

以前，只有俄美掌握推进剂在轨补加技术。中国科研团队坚持“太空加油技术一定要掌握在自己手中”，用10年时间攻克了一系列关键技术，最终在2017年完成天舟一号货运飞船在轨对天宫二号空间实验室的推进剂补给。

▲ 天舟五号货运飞船

▲ 天舟五号货运飞船室内测试组装

▲ 天舟五号货运飞船对接天和核心舱示意图

为提前验证空间站中所用的关键元器件，加速实现自主可控，天舟一号货运飞船大刀阔斧地使用了7大类44项国产新研核心元器件，科研团队建立了一套全新的电子和信息系统。

“天舟二号”同样担任了多项关键技术验证者的角色。

考虑到载人飞船的应急救生要求，“天舟二号”在完成8小时自主交会对接的前提下，还在离轨前进行了2小时快速交会对接的在轨试验。

为了提高交会对接可靠性，“天舟二号”配合航天员完成了手动遥操作试验。货船首先要获取图像，然后将其传递给空间站，航天员在空间站上根据收到的图像来操控。为降低时间延迟的影响，研制团队升级了航天器之间双向通信的“空空通信机”，将其传输性能从千字节提升到了兆级。

空间站某些时段难以避免自身的太阳翼帆板被遮挡，暂时削弱供电能力。空间站能为货运飞船供电，“天舟”也能够“反哺母舰”，为其提供电力。

此外，“天舟二号”检验了利用机械臂操作空间站舱段转位的可行性和有效性，验证了空间站舱段转位技术和机械臂大负载操控技术，为后续空间站在轨组装建造积累了经验。

从“天舟三号”开始，货运飞船正式进入组批研制模式。设计更加人性化，逐步增强用户体验，成为货运飞船设计者们秉承的理念。

之前“天舟二号”携带的160多个货包都是米黄色。神舟十二号飞船的3位航天员反馈，无法快速识别物资类型。因为货包所用的特种材料的颜色很难改变，研制团队给货包“打蝴蝶结”，不同颜色的束缚带代表不同种类的货物。到了“天舟四号”，货包用上了彩色“身份证”，有浅蓝、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包，紫色代表医学实验领域物资。

此外，科研人员建立了地面到云端的全任务周期物资数字化管理系统，可以实现货物自动信息录入和物资取放动态的信息管理等。天舟系列货运飞船总指挥冯永透露，这个系统还采用了VR技术，为航天员提供可视化的作业指导书，找货更方便。

人性化设计理念体现在方方面面：航天员可以触摸到的所有地方都是钝角；尽量选择柔和的光线和色调，地面砖做成毛面，避免反光刺眼；用不同颜色营造“天地”视觉感受，用不同频率和不同声音区分空间站报警类型；对货包内的缓冲泡沫进行分块小型化设计，方便航天员带上更多下行物资……

“天舟三号”任务期间，科研人员将一只穿花衣服的小牛玩偶挂在了货包上，帮助航天员缓解在天上出现的视觉疲劳。后来“小花牛”被航天员叶光富挂在了自“家”门口。

随着中国空间站取得进展，对货运飞船又提出了新要求。比如，“天舟”每次带给空间站的推进剂都够用，甚至有剩余，未来需携带更多货物，这意味着天舟六号货运飞船面临结构调整。

张振华介绍，货运飞船的货物舱分为前锥、柱段和后锥三段，其中后锥段是非密封结构，内置飞船自身的平台电子设备。改进后的飞船将原有的8个推进剂储箱减少4个，腾出来的空间放置平台电子设备，释放后锥段空间，增加载货量。

冯永认为，现在的货运飞船均为组批投产，状态相对稳定，但科研人员永远都在使用新产品、新技术、新工艺和新材料。往往一些单点的创新，在某一天会带来突变。在这之前，要做好充分的技术验证，确保可靠性，严格把控每一个细节，既不“过度设计”，也不“欠缺设计”，还要考虑成本问题。未来，商业货运飞船、返回式货运飞船亦或是其他新型货运飞船，在中国皆有可能出现。

总之，未来的“天舟”还将实现更快的运输速度、更大的载重能力、更高的运输效能、更多的先期技术验证。