揭秘天舟货运飞船:肩负哪些使命?有何技术创新?

北京时间5月10日1时56分,搭载天舟四号货运飞船的长征七号遥五运载火箭,在我国文昌航天发射场点火发射,取得圆满成功。

据中国航天科技(000901)集团消息,本次任务中,天舟四号货运飞船上行物资总重约6吨,将为神舟十四号乘组在轨半年驻留、空间站组装建造、开展材料科学、航天医学试验等空间站应用领域提供物资保障。

据介绍,天舟货运飞船是为空间站建造和运营物资运输补给任务而全新研制的载人航天器,其上行载货比、货物运输、推进剂补加等综合能力比肩甚至优于国际现役货运飞船。目前,已有天舟一号、天舟二号、天舟三号、天舟四号发射成功。

揭秘天舟货运飞船:肩负哪些使命?有何技术创新?

长七火箭点火起飞。火箭院供图(吴桐小雨 摄)

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天舟货运飞船肩负哪些使命?

中国载人航天官网显示,天舟货运飞船负责为空间站(或空间实验室)运输补给物资和载荷、补加推进剂、在轨存储和下行废弃物资,任务结束后受控陨落于预定区域。而其承载的空间站废弃物,将被带回并在大气层烧毁。

2017年4月20日,搭载着天舟一号货运飞船的长征七号遥二运载火箭发射成功。这是天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的首次飞行试验。

2021年5月29日,长征七号遥三运载火箭搭载天舟二号货运飞船,作为中国空间站关键技术验证阶段发射的首艘货运飞船,为空间站送去6.8吨补给物资,并在其在轨运行期间完成与空间站组合体交会对接试验。

同年9月20日,搭载天舟三号货运飞船的长征七号遥四运载火箭发射成功。为迎接神舟十三号航天员乘组,天舟三号携带了航天员生活物资、航天饮水、气体补给、卫生用品、应急储备物资、出舱消耗品、维修备件和实验载荷等。

据介绍,天舟货运飞船最大上行载货量达6.5吨,在满载情况下总重量为13.5吨,推进剂补加能力达2.1吨。与国外同类现役货运飞船相比,它上行能力强大,载货比(最大载货量与满载时货运飞船总重量之比)高。

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天舟货运飞船有何技术创新?

据中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院(简称“火箭院”)介绍,天舟货运飞船总长10.6米,舱体最大直径3.35米,太阳电池翼展开后的最大宽度近15米。飞船采用货物舱和推进舱两舱设计,货物舱用于运输各类物资,推进舱提供能源和动力。同时,飞船新增货物保障、推进剂补加、绕飞交会对接、手控遥操作、组合体姿轨控制支撑功能。

在技术上,天舟货运飞船在四个方面有所创新。天舟货运飞船的上行载货比、货物运输、推进剂补加等综合能力比肩甚至优于国际现役货运飞船。它还突破了推进剂补加技术,这是我国空间站组装建造和运营的关键技术之一。

天舟货运飞船以天基测控体制为主的原则进行设计,实现了关键事件全程跟踪测控、在轨异常及时监测处置,减少了对陆基测控站和海基测量船的依赖。

此外,飞船还具备自主快速交会对接能力,采用自主导引模式,完全依靠船上设备导航和控制,在6.5小时内自主规划、多次变轨实现交会对接。

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位于文昌航天发射场的长七火箭。火箭院供图(吴桐小雨 摄)

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天舟货运飞船如何进行燃料补加?

据火箭院介绍,截至目前,掌握了在轨推进剂加注技术的国家只有俄罗斯和美国,其中实现在轨加注应用的只有俄罗斯,采用的是气体回用法;美国没有进行过在轨加注应用,但通过飞行试验掌握了加压加注技术。

加压法系统简单,但推进剂加压温升带来安全隐患,同时补加方需消耗一定量的高压气体。气体回用法系统复杂,技术难度大,但气体资源无消耗,技术一旦突破,对长期在轨的空间站更为有利。

考虑我国空间站长期在轨推进剂补加需求,天舟货运飞船联合空间站采用“增压气体回用+推进剂恒压挤压”技术方案。货运飞船完成与被补加飞行器的推进剂管路对接与密封,由被补加飞行器压气机将贮箱气腔内增压气体回抽至气瓶,降低贮箱背压,以具备接收推进剂条件,货运飞船再以恒压方式将推进剂输送至被补加飞行器膜盒贮箱,并吹除连接管路推进剂和脱开连接管路,完成推进剂补加。

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天舟货运飞船如何实现交会对接?

货运飞船与空间站交会对接是实现货物补给和推进剂补加的基础,是货运飞船关键任务功能之一。

据介绍,2012年8月2日,俄罗斯进步M-16M货运飞船首次测试快速对接模式,但关键事件仍需要地面干预。天舟货运飞船首次提出了基于绝对定位数据的快速交会对接自主导航与制导方案,解决了依靠地面定轨、计算、注入时间长难以实施快速交会对接的难题,交会对接时间由2天缩短至6.5小时,在国际上首次实施了全自主的快速交会对接。研究人员还设计了前向、后向、径向绕飞方案,可与空间站不同对接口对接,提高了任务适应能力。

此外,对接机构设计了主动控制电子阻尼器方案,解决了与大偏心构型空间站(例如未来出现的“L”型)对接时俯仰和偏航方向能量缓冲消散难题,具备了与空间站全部构型对接适应能力。

新京报记者 张建林

编辑 白爽 校对 刘军

(责任编辑:马金露 HF120)

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