中國邁入空間站時代:“天舟”速遞順利“交貨”

中國邁入空間站時代:“天舟”速遞順利“交貨”
5月29日晚,長征七號遙三火箭在文昌航太發射場點火升空,將天舟二號貨運飛船準確送入預定軌道。30日5時01分,在成功發射約8小時後,天舟二號貨運飛船與中國空間站天和核心艙完成了全自主快速交會對接,在太空再次上演“浪漫之吻”。此次任務是空間站在軌建造階段承上啟下的關鍵之戰,打響了中國空間站在軌建造第二槍,將為天和核心艙送來首位“訪客”。
新華社記者琚振華 攝

  北京時間5月29日20時50分許,中國在文昌航太發射場用長征七號遙三火箭發射天舟二號貨運飛船。隨後,天舟二號貨運飛船入軌後順利完成入軌狀態設置,于5月30日5時01分,採用自主快速交會對接模式精準對接于天和核心艙後向端口,整個過程歷時約8小時。

  這是一份特殊的快遞,天舟二號貨運飛船裏,滿載著生活物資、實驗物資與推進劑等,飽含著航太科技工作者對航太員的無限關愛,寄託著中國航太人對太空的滿滿期待。

  從東方紅一號升空,到如今的“天和”啟航、“天問”落火、“天舟”穿梭浩瀚宇宙,中國航太的腳步穿越半個世紀,繪就今天壯觀璀璨的中國星圖。

  越來越多的中國航太器以“天”字為名,越來越多的航太任務延伸向更遙遠的未知之境。許許多多航太人奮力前行,中國航太事業越走越自信,越走越開闊,承載著中國人的航太夢想邁入前所未有的新時代。

從魚香肉絲到推進劑的太空補給

新華社記者琚振華 攝

  天舟二號貨運飛船的首要任務是為中國空間站上行物資和補加推進劑。就“身材”而言,跟又高又大的天和核心艙相比,貨運飛船可謂是短小精悍。此次天舟二號貨運飛船上行物資總重高達6.8噸,包括160余件大大小小的貨包以及2噸的推進劑,佔了整個貨船重量的一半以上,載貨比超過50%,屬於國際領先水準。

  未來搭載神舟載人飛船前往空間站天和核心艙的中國航太員們,將在這所“太空之家”內生活幾個月到半年時間,因此要提前為他們備足各種物資,方便他們在太空的“衣、食、住、行”和工作。而此次天舟二號送去的“快遞”裏便有各種生活物資。

  常言道“民以食為天”。空間站的食物可謂太空一絕,讓人隔空垂涎。天舟二號貨運飛船攜帶的航太食品有不少傳統中式菜品的身影,具有明顯的中式特色。食物不僅有主副之分,講究葷素搭配,更有獨特的風味,甚至人人皆知的魚香肉絲、宮保雞丁等菜式也出現在航太員的美食列表裏。

  除了生活物資以外,天舟二號還帶去推進劑。對接期間,天舟二號將為天和核心艙進行燃料補加。此外,天舟二號還帶去了實驗設備、實驗資料等物資;待神舟十二號飛船將航太員送至天和核心艙,再由航太員在軌取出並安裝。值得一提的是,這些貨物中有2件特殊的“寶貝”——航太員艙外服。這2套航太員艙外服每件重100多公斤,是航太員抵達核心艙後執行艙外任務的必備物資。

  至神舟十二號飛船返回後,天舟二號還會在太空表演一番“雜技”——與核心艙尾部對介面分離,自主機動至核心艙節點艙軸向對介面對接,進一步驗證關鍵技術。

為何連續兩次推遲發射?

 

天舟二號貨運飛船。中國航太科技集團五院供圖

  5月19日晚上21時40分,距離長征七號遙三火箭發射不到3個小時,發射指控大廳中的數據資訊顯示:“一個壓力值參數異常!”陡然間,發射大廳現場陷入一片寂靜。

  火箭上天萬萬不可有半點閃失。彼時,火箭箭體已完成加注,尾艙內一直處於熱氮氣吹除的狀態。這也意味著試驗隊員必須要帶呼吸面罩進艙。隨即,兩名總裝人員換好服裝、戴好面罩,從50公分見方的艙門鑽進了箭體。艙內一片漆黑,氣體吹除的聲音震耳欲聾,但他們無暇顧及密閉空間的憋悶和零下183℃的嚴寒,繼續攀爬在箭體結構件上,仔細鎮定地摸索著檢漏點。

  “找到了!”兩次核查後,問題暴露,但很快後方傳來消息,這並不是元兇。5月19日晚上,距離發射預定時間還有不到2小時,型號領導一致決定:“推遲發射。”

  失落佔據了試驗隊員的心情,大家感到“心涼了半截”。然而,眾人更明白:這是指揮部經過慎重研究的結果,不讓火箭帶一絲隱患上天,這是鐵的紀律,是底線,不可動搖。

  當天夜裏,試驗隊員緊急部署,打起十二分精神,繼續投入到緊張的排故中。5月20日,試驗隊員先後分4撥再次進艙排故,找到了新問題,並經過系列措施扭轉局面。

  “又有希望了!”大家長吁一口氣,精神抖擻迎接5月21日淩晨的發射。然而好事多磨,負8小時推進劑補加之後,異常再次出現,發射再度推遲。

  5月25日,歸零工作接近尾聲。5月26日,模擬發射演練;5月27日、28日,加注準備。5月29日火箭推進劑加注,當晚20時55分順利發射。

  歷時9天磨礪,長征七號遙三火箭順利走完全部流程,最終實現了圓滿成功,打贏了這場榮譽之戰。中國航太科技集團一院長征七號火箭型號總師程堂明説:“這是空間站建造承上啟下的關鍵之戰,我們的目標有且只有一個,我們追求的就是‘穩穩的成功’。”

  對此,中國航太科技集團有限公司一院院長王小軍表示,火箭連續2次推遲發射,3次準備發射,其間經歷了推進劑全卸出,今天能夠取得最終的發射勝利,這是研製隊伍用短短7天艱苦卓絕的工作換來的。航太人在工作中堅持“嚴、慎、細、實”,也是在為勝利而戰,為使命而戰,為榮譽而戰。

“快遞小哥”有哪些真本事?

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 長征七號運載火箭是為了滿足中國空間站工程發射貨運飛船而研製的新一代中型運載火箭。2017年4月,長征七號遙二火箭將我國第一艘貨運飛船天舟一號送入預定軌道;時隔4年後,2021年5月29日,太空“快遞業務”再次開通,長征七號遙三火箭又將天舟二號貨運飛船送入太空。

  本領一:力氣大

  載人空間站升空後,航太員要在空間站駐守,吃、穿、用乃至呼吸所需的物資,以及空間站維持正確軌道所需的燃料,都要由貨運飛船及時送到。要把載有大批物資的貨運飛船按時送入太空,就必須靠“力氣大”、可靠性高的運載火箭。

  據中國運載火箭技術研究院(以下簡稱“火箭院”,中國航太科技集團有限公司所屬)總體部相關設計人員介紹,得益於綠色、高能的液氧、煤油燃料和新一代大推力液氧煤油發動機,長征七號火箭近地軌道運載能力達到13.5噸,比採用傳統燃料的運載火箭多出一半以上。其中,芯一級和助推器上的6台液氧煤油發動機可提供超過700噸的起飛推力。

  本領二:更智慧

  為滿足中國載人空間站工程發射貨運飛船和未來載人運載火箭更新換代的需求,研製人員為長征七號“快遞小哥”的“大腦”插上了智慧的翅膀,將其打造成全數字化控制火箭。擁有了基於多餘度總線的全數字控制系統,火箭的可靠性得到大幅提高。

  據了解,長征七號火箭的設計可靠性達到0.98,屬於國內領先、世界一流。它不僅能在8級大風轉机場,還能在雨中發射,不管風吹雨打,都能運送載荷精準入軌。可見,依靠“智慧”的長征七號火箭準時準點運送貨物,才能保障航太員在空間站內的生活,保證空間站任務的順利進行。

  本領三:很環保

  在役火箭發射時,點火瞬間,發射塔架總是被大量的紅色煙霧所籠罩,火箭尾部也會冒著紅色火焰。而長征七號火箭在中國文昌航太發射場起飛時,原本的紅色煙霧消失了,取而代之的則是大量白色煙霧。

  “在役火箭推進劑使用的是四氧化二氮、偏二甲肼,發射時,不完全燃燒的四氧化二氮在常溫下易分解成紅棕色的二氧化氮氣體。伴隨著火箭起飛,這種氣體圍繞在發射塔架周圍,形成我們看到的紅色煙霧。而長征七號火箭採用具有自主智慧財産權的兩種新型液氧煤油發動機,煤油不充分燃燒産生的顆粒和水蒸氣混合凝結成白色煙霧,較常規推進劑比衝(單位品質推進劑産生的衝量)提高了20%,推力提高了60%。”火箭院總體部相關設計人員解釋。

  本領四:能適應

  中國文昌航太發射場全年12小時內降水5至15毫米的中雨較多,降水量大、氣候潮濕,因此,防水工作從火箭研製初期就被列為重中之重。“例如,在火箭的部段對接處、細小的孔徑和縫隙處,都要做防水處理;在排氣孔處,則實現排氣防水雙功能並舉;針對低溫液體貯箱加注後無法避免的冷凝水聚集問題,開設排水孔等。”火箭院總體部相關設計人員列舉道。

  此外,長征七號火箭還沿用了過去長征火箭家族3.35米直徑的設計,既能滿足文昌航太發射場的發射要求,也能通過陸路運往內陸發射場進行發射,發射適應性明顯更強。

  可見,正因為具備上述優勢,長征七號火箭才能成為我國在役主力火箭的“接班人”和未來航太發射任務的“主力軍”。“未來,它不僅可以滿足我國載人空間站工程發射貨運飛船的需求,還將承擔多種類型的發射任務,肩負起長征火箭技術進步和更新換代的歷史重任。”火箭院總體部相關設計人員強調。

“萬里穿針”神技再現

  空間交會對接是載人航太活動的三大基本技術之一,是實現空間站和空間運輸系統的裝配、回收、補給、維修、航太員交換及營救等在軌服務的先決條件,複雜度高、精準度高、自主性要求高、安全性要求高。為掌握這項技術,中國航太人前赴後繼奮鬥了近30年。

  天舟二號與天和核心艙的交會對接是中國在軌進行的第2次快速交會對接,“萬里穿針”技術再現太空。與2017年天舟一號與天宮二號的交會對接相比,此次交會對接又實現了新的技術升級。

  相較天舟一號,天舟二號增加了“全相位全自主交會對接方案”。中國航太科技集團五院專家解釋道,“全相位”就是無論目標飛行器在入軌時和空間站的相對位置有1/4圈、半圈,哪怕整圈,“天舟”都能以最快速度或者在規定時間點實現對接,而不用專門根據空間站的位置來選擇飛船發射時間,真正實現了全天候發射。

  “全自主”就是從飛船入軌到交會對接成功,全程不需要人工干預,船上控制器自主規劃完成。天舟一號在遠距離段需要人工輔助把飛船引導到距離天宮二號一定的位置,然後由飛船自主完成近距離交會對接。而天舟二號則增加了遠距離自主導引,飛船可以利用北斗導航的位置資訊來實現遠距離的全自主導航計算及其制導與控制。

  換言之,以後天舟貨運飛船造訪空間站,這一過程中人只負責監視,整個交會和對接過程由“天舟”完全自主完成。

  手控交會對接和自動交會對接是空間交會對接系統的“左右手”,互為備份,是系統可靠性的重要保障。因此神舟載人飛船從研製之初就按照不同的邏輯分別為兩套系統設計了相對獨立的系統。儘管天舟二號是貨運飛船,但也裝備了手控系統,在貨運飛船與空間站交會對接的最後平移靠攏段,手控是重要的控制手段之一,具備支援空間站內航太員進行手控遙操作實現前向或後向的交會對接或撤退撤離的能力。

  一旦自動交會對接模式故障時,控制系統可以轉為手控遙操作模式,空間站上的航太員可以通過“遙操作”,以遙控的方式“駕駛”飛船,實現貨運飛船規避空間站或安全、準確地與空間站對接。為保證系統整體可靠性,天舟貨運飛船的自控與手控系統間通過設計不同的資訊介面實現了相互故障隔離,但必要時又可以實現可靠的模式切換。

  至2011年11月,神舟八號成功完成了與天宮一號的兩次自動交會對接。2012年6月,神舟九號在航太員劉旺的操控下與天宮一號成功實現手控交會對接,標誌著中國突破相對導航、制導、控制和交會對接相對測量敏感器等一系列關鍵技術,成為世界上第3個獨立掌握交會對接的國家。

  2016年,作為交會對接的一項必要相關技術,在神舟十號任務中驗證了繞飛技術。2017年,天舟一號和天宮二號快速交會對接在軌試驗圓滿成功,使中國成為世界上第3個掌握近地快速交會對接的國家。

    隨著天舟二號和天和核心艙首次“太空牽手”成功,中國的空間交會對接技術也迎來了新的歷史階段。

未來有望運送國際貨物

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    中國航太科技集團五院天舟二號貨運飛船系統主任設計師楊勝介紹,空間站將地面的物流管理技術也應用其中,航太員通過掃描二維碼的方式,便能獲得貨物的位置資訊和産品資訊。系統還能對産品資訊的庫存數量做到動態掌控,把空間站貨物一分一厘的變化都記錄下來,從而確保航太員的工作生活更加輕鬆便捷。

  按照空間站建造任務規劃,今明兩年中國將接續實施11次飛行任務,于2022年前後完成空間站在軌建造。此前,中國載人航太工程辦公室主任郝淳接受採訪時表示“未來一定會有國外航太員參加中國航太飛行,在中國空間站上工作和生活”。這也讓外界對天舟貨運飛船未來是否會運送國際貨物倍加期待。

  天舟貨運飛船是中國空間站運營階段主要的貨物運送航太器。未來,國際合作的一些儀器設備或試驗設備完全可以通過天舟貨運飛船運到空間站上,然後再進行在軌試驗,這將對我們後續開展國際合作發揮重要作用。

  高強度發射任務將一批年輕技術骨幹摔打磨礪成才,一批“高學歷”“善決策”“能擔當”的科技人才正活躍在航太發射前沿陣地,成為我國航太事業薪火相傳的支撐。

 

    來源:新華網、中新網、央視新聞客戶端等綜合