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天地运输,稳定可靠!详解“天舟二号”的过人之处

2021-06-01 12:03:04 来源:中国航天报
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天地运输,稳定可靠!详解“天舟二号”的过人之处

对接成功!5月30日5时01分,天舟二号货运飞船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。

天地运输,稳定可靠!一起来看看完成此次不凡之旅的“天舟二号”有哪些使命任务和技术亮点——

把航天员和空间站

所需物资送上天

此次拜访“天宫”空间站,天舟二号货运飞船带了哪些货物?在轨期间要完成哪些任务呢?中国航天科技集团有限公司五院天舟二号货运飞船系统研制团队做了详细解答。

物资6.8吨,粮草先行

兵马未动,粮草先行。“天舟二号”的载货比为0.51,处于国际领先水平。飞船此行的主线任务是把航天员和空间站所需的物资送上天,物资包括推进剂和货包两大类。

天舟二号货运飞船为“货舱+推进舱”两舱构型,推进舱不仅要满足自身动力需求,还要为空间站天和核心舱在轨运行补加燃料;货舱则要满足航天员生活、工作的需求,本次飞行携带了160多个货包、200多件货物。

“有两件宝贝疙瘩很特殊。”徐小平介绍,本次运输的货物中有两套航天员舱外服,每件重100多公斤。它们是航天员执行舱外任务的必备物资。

其他货品都安安稳稳装进包裹,整齐码在货格里,运送这两件“异形”舱外服则需要额外安装支撑点,保护服装胸腔部的薄壁结构。徐小平说:“货舱总共40个格子,这俩宝贝就占了8个。”

“5组20个气瓶,是空间站的耗材。”天舟二号货运飞船系统主管设计师王冉介绍,这些气瓶看起来和普通的氧气瓶很像,但材料安全性更好,里面装着氧气、空气、氮气等各类气体。身处真空环境中,人体平时无意识中呼吸的气体变成珍贵资源。必要时,这些气体将为空间站补足气压。

“在天上,水资源也很珍贵。”王冉补充,进入空间站的水要装进软体水囊中,本次上行的十几个水囊不仅满足日常用水需求,还可以电制解氧。

6.8吨重的物资送上天,总体遵循“重心靠下,质心在中间”的原则,160多个货包按照航天器质量特性“排座次”。

“像在超市一样,每个货有固定的位置。”天舟二号货运飞船系统机械总体负责人贾东永介绍,货舱纵向分为4个象限,横向划分为ABCD4层,每个货包按坐标编号查找,同时货包上有二维码,扫描后可查看包里的具体货物。

食物、水、衣物、清洁湿巾……除了保障航天员的衣食住行,天舟二号还携带了一部分科学试验载荷、空间站建设需要使用的备份舱门。王冉补充:“火箭和货运飞船的运输能力越强,就越能为空间站作出更大的贡献。”

货运飞船除了运输生活物资外,还要给空间站“加油”,也就是补加推进剂。货船系统有多个“油箱”,推进剂可在密封舱外通过管路运输,与密封舱隔离,保证航天员在舱内的安全。

货包定位取用,专业天地运输

“货包使用的布料添加了螃蟹壳,能有效抗菌。”王冉介绍,日常生活中,地面脏了扫地、衣服脏了洗净晾干,在空间站微重力、密闭环境中,同样的一块布料蹭脏了很难清理,这样的环境对货包布料要求更加苛刻。

研制团队针对货物装载需求进行调研,发现市面上常用的布料无法满足要求,于是自行研发了特种壳聚糖纤维布。

顾名思义,“特种”布料是为了太空旅行专门研制的,要经受抗菌、防霉、阻燃、低挥发等各项指标考验,有很好的承载能力,力学性能优良;壳聚糖纤维布是从螃蟹、虾的甲壳中提取出抗菌成分,再利用特殊纤维纺织工艺生产出的布料。

为了充分利用装载空间,货船舱内结构进行了特殊设计,利用蜂窝板形成一个个货格,每个货格都可以装载多个规格的货包。

“货运飞船对口单位太多了,空间站核心舱、航天员系统、科研机构、高校,大家的需求是多样的。”王冉介绍,为了让整船装载效率更高,团队设计了26种规格的货包。

按照型谱化设计思路,货包分大、中、小不同尺寸规格,根据不同需求,长宽、形状各异。为了适应货运飞船的圆形舱体结构,研制团队还设计出梯形、楔形等形状;为对异形产品、敏感光学器件进行特殊保护,团队借鉴飞机座椅的安全锁扣,使每个货包都能被稳稳当当固定住、单手简简单单取下来。

“不仅要大小布局合理、重量均衡,最重要的是方便航天员取用。”徐小平总结。

“就像大家出差,航天员入舱后第一天是最难的,吃的、用的都要现找。”徐小平说,这对航天员是挑战,对货运飞船也是挑战。贾东永补充道:“不能让航天员吃一袋宫保鸡丁都要翻半天。”

在轨运行一年,“天舟二号”作为储藏室,既要保障航天员日常生活、工作物资随取随用,还要收纳废弃物、人体排泄物,最终离轨坠入大气层烧毁。

“我们有密封的‘小轿车’,也有开放的‘皮卡车’。”徐小平介绍,天舟货运飞船的货物舱有全密封、半密封半开放、全开放多种类型,可以满足不同尺寸、各种类型的货物运输需求。

以人为本,天舟初心

“我们要做好后勤保障服务。”徐小平说,从航天员使用角度出发,货运飞船要通过医学、工效学评价,舱内压力、噪音、照明灯照度、操作空间等都被纳入评价范围,全方位保障航天员在空间站的健康生活。

“真正以航天员为本,考虑他们的需求。”贾东永介绍,工效学是评价体系中的重要一环,主要研究生产系统中人、机器和环境之间的关系。

简单来说,空间站中的仪器、设备、布局环境都会影响航天员在轨工作效率。研制团队希望天舟货运飞船能在有限空间内让航天员方便地生活、工作。

“第一,不能对航天员有损伤,第二,要易于操作。”贾东永举例,在地球上丢垃圾,只需要扔进垃圾桶再打包,一个人就能完成;在天上扔垃圾则复杂多了,因为微重力环境下,人、垃圾、垃圾袋一起浮在空中。首先航天员要固定自己,再腾出手来收拾垃圾,经过压缩抽空等特殊处理后,把垃圾固定到货舱指定位置。这一系列操作可能需要两个人配合。

空间站将在轨运营10年以上。贾东永补充:“关注航天员的居住环境,后续还有许多改进的空间。”

秉持航天人“少花钱、多办事”的传统,天舟二号货运飞船在保证主线任务圆满完成的同时,在轨期间还将择机完成交会对接、双向并网、机械臂在轨试验等支线任务。

“天舟二号”物资运输的使命完成后,还将验证空间站机械臂在轨操控技术,为实验舱转位做铺垫。天舟二号货运飞船系统结构与机构分系统主任设计师周志勇介绍,航天器对接机构、转位机构、机械臂是3套独立的装置,对接机构可以分别与另外两套机构配合,完成空间站舱段转移动作。

争当技术“急先锋”,天舟系列货运飞船与空间站几乎同时立项。货运飞船加紧步伐,于2017年完成“天舟一号”发射任务,验证关键技术、固定流程。徐小平说:“货船的后勤保障能力稳定,空间站才能在轨道上待得安稳。”

天地运输,稳定可靠!详解“天舟二号”的过人之处

更高效、更智能、更持久、更适应

纵览中国空间站建设全局,天舟货运飞船的主要任务目标是稳定可靠运输货物。在此基础上,“天舟二号”还将对多项技术改进进行在轨验证,确保高效率支撑空间站建设运行任务。

“互相充电”,能源利用更高效

空间站天和核心舱和天舟二号货运飞船都安装了并网控制器。上天前,空间站核心舱与“天舟二号”是两套独立的能源系统;对接后,并网供电系统为船站间互相输送电能资源,“1+1>2”,实现组合体能源的高效利用。

“就好比两个手机,既可以单独充电,还可以互相充电。”天舟二号货运飞船系统电总体负责人于磊介绍,复杂航天器的阳光遮挡情况复杂,如果单个航天器能量不足,另一个可以及时补充。

停靠空间站期间,天舟二号货运飞船处于休眠状态,自身能源需求不大,太阳翼提供的能源供给大部分时段较为充足,富余的电能可以为航天员活动提供保障,同时支撑一些电能消耗较大的科学实验。

“一直要负责到离轨。”于磊介绍,天舟二号上天后需要在多个关键节点完成指定动作。牵一发而动全身,航天器每多做一项动作,就要相应多安装一个模块,全船信息系统就要多一个布局,每个关键动作都是能源监视最紧张的时候。

“发射只是任务开始,‘天舟二号’在轨期间,每个试验叠加成功,才是最终的成功。”于磊说。

据介绍,双向并网需要通过地面发送程序指令,对接成功后,“天舟二号”和空间站天和核心舱将择机开展双向并网在轨验证。

一天16次循环,“动力源泉”不停工

在天上,货运飞船最显眼的就是两只“翅膀”,太阳电池翼电池板在阳光照射下反射出尖锐的光线。

电源分系统是货运飞船翱翔宇宙的“动力源泉”,太阳电池翼暴露在舱外,蓄电池隐藏在舱体内,两部分配合为整船供电。

中国航天科技集团有限公司八院承担天舟二号货运飞船电源分系统研制任务,八院试验队电源分系统主任设计师王振绪介绍:“‘天舟二号’太阳电池翼主要有两个功能,发电满足整艘货船的供电要求,同时给蓄电池充电。”

当货运飞船逐渐进入阴影区域,太阳电池翼无法接收阳光,货运飞船上的3组锂离子蓄电池开始为整船供电,直到太阳电池翼进入阳光照射范围供电、充电,电源系统进入下一次循环。

“实际情况更复杂,‘天舟二号’与空间站核心舱对接后,可能会被核心舱遮挡。”王振绪介绍,太阳电池翼会经历多次“进影”和“出影”,如果长时间充放电不均衡,电池寿命会减损,甚至没办法工作。

据科研人员测算,空间站在近地轨道绕地球一圈需要91分钟,其中能接收光线照射的时长约为54分钟,太阳电池翼每天要经历约16次明暗交替循环。“我们对产品有信心。”王振绪介绍,货运飞船太阳电池翼技术成熟度高,产品散热性能好,能抵御高低温的循环冲击;锂离子蓄电池与核心舱采用相同方案,经过至少10000次地面循环验证,能支撑货运飞船全寿命周期使用。

“我们优化了太阳电池翼的布局和蓄电池的充电控制策略,能适应空间站建设中复杂的遮挡工况。”王振绪说。

“如果太空垃圾击中太阳电池翼怎么办?”记者追问。

“首先击中概率小,其次即使被小的太空碎片击中,太阳电池翼的单个电池板是独立运行的,对整个电源分系统供电影响较小。”王振绪说,团队有充分的信心迎接挑战。

33次撞击,从8吨到180吨

“两个航天器在太空要连在一起,主要依靠对接机构。”八院对接机构分系统副主任设计师丁立超介绍,捕获、缓冲、刚性连接……对接机构完成一系列规定动作后,互相独立的航天器才能连成一体,共同组成复杂的中国空间站。

空间站建设就像搭积木一样,货运飞船、载人飞船、实验舱都要与核心舱对接,积木越垒越多,质量不断叠加。丁立超解释:“吨位越大,撞击能量越大,对接机构要消耗的能量越大。”

“天舟一号”与“天宫二号”对接是13吨对8吨,首次在太空开展相关技术验证;本次任务中,“天舟二号”要与22吨的空间站核心舱对接,后续还要和总重超过30吨的航天器组合体对接。

“天舟二号”做了一些适应性改变,丁立超介绍:“所有改进都要适应核心舱。”

除了完成运输物资主线任务,“天舟二号”还承担了多条支线任务,其中需要完成4次对接动作,为空间站后续建设做技术验证。

货运飞船入轨后,按计划8个多小时即可自主完成与核心舱的交会对接;航天员进入核心舱后,要手控遥操作,在核心舱内控制货运飞船完成对接动作;货运飞船从后向对接核心舱后,还要调头绕飞到前向,完成后续动作,并配合核心舱机械臂进行转位试验。

“每多对接一次,风险就增加一次。”丁立超认为,这也是货运飞船的使命,要为其他航天器升空做先期验证。

“我们在实验室完成了33次捕获缓冲试验。”八院805所对接机构分系统主任设计师邱华勇介绍,8吨、22吨、74吨、180吨,产品对接能力稳步通过地面验证。

“之前交会对接环节很多依靠地面干预。”于磊介绍,天舟一号货运飞船完成交会对接动作主要依赖地面测控,“比如货运飞船发动机开机,开机时长、开机点位都要靠地面指令,测控人员压力很大。”

在硬件条件不变的前提下,快速交互对接系统提前安排好入轨后的动作时序,节省指令在天地间传达的时间,也免去地面临时注入程序的流程,货运飞船可及时找准与空间站核心舱交会的切入点,于磊说:“交会对接的速度更快了。”

最直观的是,软件性能提升后,交会对接阶段地面飞控人员能从高度紧张的状态中解放出来,于磊说:“希望能让飞控人员发挥所长,完成更有挑战性、创新性的工作。”

承重、防晒,给发动机撑起“遮阳伞”

天舟货运飞船可以简单分为货物舱与推进舱,货物舱主要负责上行货包,推进舱为飞船提供动力、为核心舱补加燃料。

天舟二号货运飞船推进舱有8个400升金属膜片贮箱,其中4个装燃烧剂、4个装氧化剂,推进剂满载重量3.5吨左右。天舟一号货运飞船任务就已成功对在轨推进剂补加技术进行了验证,天舟二号货运飞船在此基础上,将在轨验证空间站核心舱前向推进剂补加技术。

八院试验队推进舱总装设计师冯宇说:“推进舱还有一个重要作用——承重。”

起飞前,货运飞船竖直向上站立在地面,点火起飞时,处在下层的推进舱不仅要承担燃料和货舱的重量,还要考虑振动问题。

在总装阶段,团队既要考虑到每台单机设备在上升段承受的过载,还要满足热控“冷热均衡”的要求,同时尽可能减轻重量,为飞船“轻体减重”,留出余量多带货、多带燃料。

“每个分系统都考虑到了,我们的设计就是合理的。”冯宇总结。

在天舟一号货运飞船任务期间,团队发现在对日偏航状态下,飞船尾部被太阳直射,在运行环境和舱段设计的双重作用下,发动机喷管温度较高。

“这次,我们给发动机喷管打了遮阳伞。”冯宇介绍,推进舱底部加了4块遮光板、喷上热控白漆,有效降低喷管温度,同时改善舱内组件辐射换热环境。

天地运输,稳定可靠!详解“天舟二号”的过人之处

图/航天科技集团五院中国航天报资料图

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