“帶貨”能力世界第一的天舟,什麼都會幹!

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聯茂、台燿 押長天期

導語:爲空間站送去約6.2噸補給物資的“天舟”飛船是我國空間站任務唯一的“貨船”,也是世界現役能力最強大的最先進的貨運飛船之一,當然,它更是世界現役最全能的貨運飛船。兩個月前,“天舟四號”貨運飛船受控再入大氣層,飛船絕大部分燒蝕銷燬,少量殘骸落入南太平洋預定安全海域。

一、是運力最強、效率最高的天舟

“天舟”貨運飛船由中國航天科技集團五院抓總研製,研製開始於2011年,2017年“天舟一號”飛船由“長征七號”遙二火箭發射入軌,前往“天宮二號”空間實驗室執行任務,至此“天舟”飛船正式亮相。

目前,“天舟”系列飛船已完成兩個階段的研製生產工作。第一階段研製生產了“天舟一號”及其備份“天舟二號”等2艘飛船;第二階段進入了組批生產階段,研製生產了“天舟三號”、“天舟四號”、“天舟五號”等3艘飛船,該批次飛船技術狀態一致,配置和外觀大同小異。

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“天舟”飛船採用兩艙結構,主體由推進艙和貨物艙組成,全長10.6米,推進艙直徑2.8米,貨物艙直徑3.35米,太陽翼翼展14.9米,組批生產型號的飛船質量約6.5噸,最大上行運力可達6.9噸,運載係數超過51%。在世界其它現役貨運飛船中,運力最強的是“貨運龍”,其起飛質量約15噸,最大上行運力爲6噸(爲理論值),仍然與“天舟”飛船有差距。而其它現役貨運飛船運載係數最高的是“天鵝座”飛船,其起飛質量8.05噸,最大上行運力3.81噸,運載係數約47%,依然明顯不及“天舟”飛船。

兼具強大的運力和較優的運載效率,得益於研製起點高,“天舟”飛船充分繼承了“天宮一號”、“天宮二號”空間實驗室和“神舟”飛船積累的技術基礎和研製經驗,優勢得天獨厚。

二、是貨運飛船界“最能幹”的天舟

在“天舟四號”任務中,飛船裝載了航天員系統、空間站系統、空間應用系統共計200餘件(套)貨物,攜帶補加推進劑約0.75噸,上行物資總質量約6.2噸,爲“神舟十四號”乘組在軌半年駐留、空間站組裝建造、材料科學和航天醫學實驗等空間應用領域提供物資保障。

作爲貨運飛船,“天舟”具備實施貨物補給、推進劑補加等物資保障能力。同時,還具備承擔空間站姿態軌道控制、併網供電以及空間站遙測、數據傳輸支持等空間站運營支持任務的能力以及空間科學實驗支持能力,是世界現役在軌支持能力最全面的貨運飛船。

三、是構型最多且“不挑活”的天舟

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在“天舟”系列貨運飛船中,從“天舟一號”到“天舟五號”均爲採用推進艙加貨物艙的全密封貨運飛船。採用該構型的最大好處在於內部密封空間和加壓空間達到了最大,能裝載最多的常規補給物資,但是由於艙門所限,單件貨物尺寸受到嚴格限制,無法運送空間站所需的大部件組件,解決這一問題的關鍵在於調整貨物艙的設計。

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按照設計規劃,“天舟”飛船未來將採用模塊化的設計思路,使用通用推進艙,分別搭配全密封、半密封半開放、全開放等3種貨物艙模塊形成全密封、半密封半開放、全開放等3種貨運飛船構型。

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這當中,全密封構型即現在使用的構型;半密封半開放構型就是在現有貨艙外壁上開一個敞開區域與內部密封區域隔開,搭載諸如太陽翼在內的大件貨物;全開放構型配備的是全敞開貨物艙,用於執行空間站大型天線、衛星等超大件運輸。

在世界現役貨運飛船當中,“天鵝座”採用的是單一的全密封設計,“貨運龍”採用了返回艙加尾部貨艙的構型,屬於半密封半開放構型,而“進步”飛船構型則相對豐富,主要擁有全密封、無貨物艙兩種設計構型,均不及“天舟”飛船構型豐富。而豐富的構型,爲“天舟”提供了更強大的任務適應性,可以做到“不挑活”。

四、是2小時送貨上門快到離譜的世界“速度王”天舟

在空間站任務實施階段,執行第一次貨運補給任務的是“天舟二號”貨運飛船,其上行時採用了6.5小時自主快速交會對接模式,宣告了我國掌握了全相位全自主快速交會對接技術。

2022年11月12日10:03:12,“天舟五號”貨運飛船由“長征七號”遙六運載火箭從文昌發射場發射入軌,採用2小時快速交會對接模式於當天12:10:57對接於“天和”核心艙後向端口,整個上行過程耗時約2小時零8分鐘,創造了世界航天空間站任務最快交會對接紀錄。

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此前,世界航天空間站任務最快交會對接紀錄由俄羅斯“聯盟MS-17”載人飛船創造,其於北京時間2020年10月14日13:45從拜科努爾發射場發射升空,16:48對接於國際空間站,整個上行過程耗時3小時零3分鐘。

“天舟五號”任務則將這一時間繼續縮減了近1/3,而相較於“天舟”使用的6.5小時快速交會對接更是將時間縮短了2/3以上,它是怎麼做到的?

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1.遠距離導引段

天舟優化了交會對接的控制制導策略。遠距離導引過程飛行時間由多圈次壓縮爲不到一圈,將6次軌道機動壓縮爲了2次綜合軌道機動,本階段耗時由4個多小時減少到約1個小時。

2.近距離自主控制段

天舟減少了多個用以確認飛船狀態的停泊點。近距離自主控制段的停泊點由原來的5千米、400米、200米、19米等4個縮減爲400米、19米等2個,本階段時長由2個多小時縮短爲約40分鐘。

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2小時快速交會對接,使運輸特殊鮮活試驗品成爲可能,如果應用於”神舟”載人飛船,將大大減少航天員的上行時間,還可以極大提高我國的太空緊急救援能力。

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五、是看需求靈活決定是否回收的天舟

“天舟”貨運飛船設計壽命達到1年,而“天舟四號”飛船在飛行時間只有半年的情況下就撤離再入,從研製人員到普通民衆都覺得很可惜。那麼,能不能將“天舟”設計成可以回收的狀態?

答案是肯定的。對“天舟”貨運飛船進行可回收的設計在技術上是沒有問題的,畢竟“神舟”飛船已經積累了足夠的技術基礎和研製經驗,關鍵是經濟性的問題。目前,離軌銷燬的方案是最經濟的,未來“天舟”飛船根據任務需求的變化會有不同的型譜,比如研製充氣式返回艙,用於時效性要求高的科學實驗和技術試驗載荷的返回,又比如還可以研製倒錐形或鐘形返回艙,實現回收乃至複用,未來的“天舟”很讓人很期待!

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結語:

未來,從“天舟六號”開始的下一批次“天舟”飛船貨物艙將有較大的改進,密封艙的貨物運力會有大幅度提升,空間站任務“天舟”飛船發射頻率可以由一年兩次調整爲兩年三次,能夠大幅度提升經濟效益。最能“帶貨”、最會“帶貨”的“天舟”飛船還在升級!

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