中国迈入空间站时代:“天舟”速递顺利“交货”

中国迈入空间站时代:“天舟”速递顺利“交货”
5月29日晚,长征七号遥三火箭在文昌航天发射场点火升空,将天舟二号货运飞船准确送入预定轨道。30日5时01分,在成功发射约8小时后,天舟二号货运飞船与中国空间站天和核心舱完成了全自主快速交会对接,在太空再次上演“浪漫之吻”。此次任务是空间站在轨建造阶段承上启下的关键之战,打响了中国空间站在轨建造第二枪,将为天和核心舱送来首位“访客”。
新华社记者琚振华 摄

  北京时间5月29日20时50分许,中国在文昌航天发射场用长征七号遥三火箭发射天舟二号货运飞船。随后,天舟二号货运飞船入轨后顺利完成入轨状态设置,于5月30日5时01分,采用自主快速交会对接模式精准对接于天和核心舱后向端口,整个过程历时约8小时。

  这是一份特殊的快递,天舟二号货运飞船里,满载着生活物资、实验物资与推进剂等,饱含着航天科技工作者对航天员的无限关爱,寄托着中国航天人对太空的满满期待。

  从东方红一号升空,到如今的“天和”启航、“天问”落火、“天舟”穿梭浩瀚宇宙,中国航天的脚步穿越半个世纪,绘就今天壮观璀璨的中国星图。

  越来越多的中国航天器以“天”字为名,越来越多的航天任务延伸向更遥远的未知之境。许许多多航天人奋力前行,中国航天事业越走越自信,越走越开阔,承载着中国人的航天梦想迈入前所未有的新时代。

从鱼香肉丝到推进剂的太空补给

新华社记者琚振华 摄

  天舟二号货运飞船的首要任务是为中国空间站上行物资和补加推进剂。就“身材”而言,跟又高又大的天和核心舱相比,货运飞船可谓是短小精悍。此次天舟二号货运飞船上行物资总重高达6.8吨,包括160余件大大小小的货包以及2吨的推进剂,占了整个货船重量的一半以上,载货比超过50%,属于国际领先水平。

  未来搭载神舟载人飞船前往空间站天和核心舱的中国航天员们,将在这所“太空之家”内生活几个月到半年时间,因此要提前为他们备足各种物资,方便他们在太空的“衣、食、住、行”和工作。而此次天舟二号送去的“快递”里便有各种生活物资。

  常言道“民以食为天”。空间站的食物可谓太空一绝,让人隔空垂涎。天舟二号货运飞船携带的航天食品有不少传统中式菜品的身影,具有明显的中式特色。食物不仅有主副之分,讲究荤素搭配,更有独特的风味,甚至人人皆知的鱼香肉丝、宫保鸡丁等菜式也出现在航天员的美食列表里。

  除了生活物资以外,天舟二号还带去推进剂。对接期间,天舟二号将为天和核心舱进行燃料补加。此外,天舟二号还带去了实验设备、实验资料等物资;待神舟十二号飞船将航天员送至天和核心舱,再由航天员在轨取出并安装。值得一提的是,这些货物中有2件特殊的“宝贝”——航天员舱外服。这2套航天员舱外服每件重100多公斤,是航天员抵达核心舱后执行舱外任务的必备物资。

  至神舟十二号飞船返回后,天舟二号还会在太空表演一番“杂技”——与核心舱尾部对接口分离,自主机动至核心舱节点舱轴向对接口对接,进一步验证关键技术。

为何连续两次推迟发射?

 

天舟二号货运飞船。中国航天科技集团五院供图

  5月19日晚上21时40分,距离长征七号遥三火箭发射不到3个小时,发射指控大厅中的数据信息显示:“一个压力值参数异常!”陡然间,发射大厅现场陷入一片寂静。

  火箭上天万万不可有半点闪失。彼时,火箭箭体已完成加注,尾舱内一直处于热氮气吹除的状态。这也意味着试验队员必须要带呼吸面罩进舱。随即,两名总装人员换好服装、戴好面罩,从50公分见方的舱门钻进了箭体。舱内一片漆黑,气体吹除的声音震耳欲聋,但他们无暇顾及密闭空间的憋闷和零下183℃的严寒,继续攀爬在箭体结构件上,仔细镇定地摸索着检漏点。

  “找到了!”两次核查后,问题暴露,但很快后方传来消息,这并不是元凶。5月19日晚上,距离发射预定时间还有不到2小时,型号领导一致决定:“推迟发射。”

  失落占据了试验队员的心情,大家感到“心凉了半截”。然而,众人更明白:这是指挥部经过慎重研究的结果,不让火箭带一丝隐患上天,这是铁的纪律,是底线,不可动摇。

  当天夜里,试验队员紧急部署,打起十二分精神,继续投入到紧张的排故中。5月20日,试验队员先后分4拨再次进舱排故,找到了新问题,并经过系列措施扭转局面。

  “又有希望了!”大家长吁一口气,精神抖擞迎接5月21日凌晨的发射。然而好事多磨,负8小时推进剂补加之后,异常再次出现,发射再度推迟。

  5月25日,归零工作接近尾声。5月26日,模拟发射演练;5月27日、28日,加注准备。5月29日火箭推进剂加注,当晚20时55分顺利发射。

  历时9天磨砺,长征七号遥三火箭顺利走完全部流程,最终实现了圆满成功,打赢了这场荣誉之战。中国航天科技集团一院长征七号火箭型号总师程堂明说:“这是空间站建造承上启下的关键之战,我们的目标有且只有一个,我们追求的就是‘稳稳的成功’。”

  对此,中国航天科技集团有限公司一院院长王小军表示,火箭连续2次推迟发射,3次准备发射,其间经历了推进剂全卸出,今天能够取得最终的发射胜利,这是研制队伍用短短7天艰苦卓绝的工作换来的。航天人在工作中坚持“严、慎、细、实”,也是在为胜利而战,为使命而战,为荣誉而战。

“快递小哥”有哪些真本事?

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 长征七号运载火箭是为了满足中国空间站工程发射货运飞船而研制的新一代中型运载火箭。2017年4月,长征七号遥二火箭将我国第一艘货运飞船天舟一号送入预定轨道;时隔4年后,2021年5月29日,太空“快递业务”再次开通,长征七号遥三火箭又将天舟二号货运飞船送入太空。

  本领一:力气大

  载人空间站升空后,航天员要在空间站驻守,吃、穿、用乃至呼吸所需的物资,以及空间站维持正确轨道所需的燃料,都要由货运飞船及时送到。要把载有大批物资的货运飞船按时送入太空,就必须靠“力气大”、可靠性高的运载火箭。

  据中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”,中国航天科技集团有限公司所属)总体部相关设计人员介绍,得益于绿色、高能的液氧、煤油燃料和新一代大推力液氧煤油发动机,长征七号火箭近地轨道运载能力达到13.5吨,比采用传统燃料的运载火箭多出一半以上。其中,芯一级和助推器上的6台液氧煤油发动机可提供超过700吨的起飞推力。

  本领二:更智能

  为满足中国载人空间站工程发射货运飞船和未来载人运载火箭更新换代的需求,研制人员为长征七号“快递小哥”的“大脑”插上了智能的翅膀,将其打造成全数字化控制火箭。拥有了基于多余度总线的全数字控制系统,火箭的可靠性得到大幅提高。

  据了解,长征七号火箭的设计可靠性达到0.98,属于国内领先、世界一流。它不仅能在8级大风中转场,还能在雨中发射,不管风吹雨打,都能运送载荷精准入轨。可见,依靠“智能”的长征七号火箭准时准点运送货物,才能保障航天员在空间站内的生活,保证空间站任务的顺利进行。

  本领三:很环保

  在役火箭发射时,点火瞬间,发射塔架总是被大量的红色烟雾所笼罩,火箭尾部也会冒着红色火焰。而长征七号火箭在中国文昌航天发射场起飞时,原本的红色烟雾消失了,取而代之的则是大量白色烟雾。

  “在役火箭推进剂使用的是四氧化二氮、偏二甲肼,发射时,不完全燃烧的四氧化二氮在常温下易分解成红棕色的二氧化氮气体。伴随着火箭起飞,这种气体围绕在发射塔架周围,形成我们看到的红色烟雾。而长征七号火箭采用具有自主知识产权的两种新型液氧煤油发动机,煤油不充分燃烧产生的颗粒和水蒸气混合凝结成白色烟雾,较常规推进剂比冲(单位质量推进剂产生的冲量)提高了20%,推力提高了60%。”火箭院总体部相关设计人员解释。

  本领四:能适应

  中国文昌航天发射场全年12小时内降水5至15毫米的中雨较多,降水量大、气候潮湿,因此,防水工作从火箭研制初期就被列为重中之重。“例如,在火箭的部段对接处、细小的孔径和缝隙处,都要做防水处理;在排气孔处,则实现排气防水双功能并举;针对低温液体贮箱加注后无法避免的冷凝水聚集问题,开设排水孔等。”火箭院总体部相关设计人员列举道。

  此外,长征七号火箭还沿用了过去长征火箭家族3.35米直径的设计,既能满足文昌航天发射场的发射要求,也能通过陆路运往内陆发射场进行发射,发射适应性明显更强。

  可见,正因为具备上述优势,长征七号火箭才能成为我国在役主力火箭的“接班人”和未来航天发射任务的“主力军”。“未来,它不仅可以满足我国载人空间站工程发射货运飞船的需求,还将承担多种类型的发射任务,肩负起长征火箭技术进步和更新换代的历史重任。”火箭院总体部相关设计人员强调。

“万里穿针”神技再现

  空间交会对接是载人航天活动的三大基本技术之一,是实现空间站和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨服务的先决条件,复杂度高、精准度高、自主性要求高、安全性要求高。为掌握这项技术,中国航天人前赴后继奋斗了近30年。

  天舟二号与天和核心舱的交会对接是中国在轨进行的第2次快速交会对接,“万里穿针”技术再现太空。与2017年天舟一号与天宫二号的交会对接相比,此次交会对接又实现了新的技术升级。

  相较天舟一号,天舟二号增加了“全相位全自主交会对接方案”。中国航天科技集团五院专家解释道,“全相位”就是无论目标飞行器在入轨时和空间站的相对位置有1/4圈、半圈,哪怕整圈,“天舟”都能以最快速度或者在规定时间点实现对接,而不用专门根据空间站的位置来选择飞船发射时间,真正实现了全天候发射。

  “全自主”就是从飞船入轨到交会对接成功,全程不需要人工干预,船上控制器自主规划完成。天舟一号在远距离段需要人工辅助把飞船引导到距离天宫二号一定的位置,然后由飞船自主完成近距离交会对接。而天舟二号则增加了远距离自主导引,飞船可以利用北斗导航的位置信息来实现远距离的全自主导航计算及其制导与控制。

  换言之,以后天舟货运飞船造访空间站,这一过程中人只负责监视,整个交会和对接过程由“天舟”完全自主完成。

  手控交会对接和自动交会对接是空间交会对接系统的“左右手”,互为备份,是系统可靠性的重要保障。因此神舟载人飞船从研制之初就按照不同的逻辑分别为两套系统设计了相对独立的系统。尽管天舟二号是货运飞船,但也装备了手控系统,在货运飞船与空间站交会对接的最后平移靠拢段,手控是重要的控制手段之一,具备支持空间站内航天员进行手控遥操作实现前向或后向的交会对接或撤退撤离的能力。

  一旦自动交会对接模式故障时,控制系统可以转为手控遥操作模式,空间站上的航天员可以通过“遥操作”,以遥控的方式“驾驶”飞船,实现货运飞船规避空间站或安全、准确地与空间站对接。为保证系统整体可靠性,天舟货运飞船的自控与手控系统间通过设计不同的信息接口实现了相互故障隔离,但必要时又可以实现可靠的模式切换。

  至2011年11月,神舟八号成功完成了与天宫一号的两次自动交会对接。2012年6月,神舟九号在航天员刘旺的操控下与天宫一号成功实现手控交会对接,标志着中国突破相对导航、制导、控制和交会对接相对测量敏感器等一系列关键技术,成为世界上第3个独立掌握交会对接的国家。

  2016年,作为交会对接的一项必要相关技术,在神舟十号任务中验证了绕飞技术。2017年,天舟一号和天宫二号快速交会对接在轨试验圆满成功,使中国成为世界上第3个掌握近地快速交会对接的国家。

    随着天舟二号和天和核心舱首次“太空牵手”成功,中国的空间交会对接技术也迎来了新的历史阶段。

未来有望运送国际货物

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    中国航天科技集团五院天舟二号货运飞船系统主任设计师杨胜介绍,空间站将地面的物流管理技术也应用其中,航天员通过扫描二维码的方式,便能获得货物的位置信息和产品信息。系统还能对产品信息的库存数量做到动态掌控,把空间站货物一分一厘的变化都记录下来,从而确保航天员的工作生活更加轻松便捷。

  按照空间站建造任务规划,今明两年中国将接续实施11次飞行任务,于2022年前后完成空间站在轨建造。此前,中国载人航天工程办公室主任郝淳接受采访时表示“未来一定会有国外航天员参加中国航天飞行,在中国空间站上工作和生活”。这也让外界对天舟货运飞船未来是否会运送国际货物倍加期待。

  天舟货运飞船是中国空间站运营阶段主要的货物运送航天器。未来,国际合作的一些仪器设备或试验设备完全可以通过天舟货运飞船运到空间站上,然后再进行在轨试验,这将对我们后续开展国际合作发挥重要作用。

  高强度发射任务将一批年轻技术骨干摔打磨砺成才,一批“高学历”“善决策”“能担当”的科技人才正活跃在航天发射前沿阵地,成为我国航天事业薪火相传的支撑。

 

    来源:新华网、中新网、央视新闻客户端等综合