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天舟首飞成功 “太空加油”突破国外技术封锁

中国自主研制的首艘货运飞船“天舟一号”于4月20日晚间19时41分在海南文昌航天发射场发射升空。央视视频截图

星岛环球网消息:4月20日19时41分,搭载天舟一号货运飞船的长征七号遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火发射,约596秒后,飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。

香港《大公报》报道,天舟一号是中国首艘货运飞船,也是中国迄今为止送入太空最重的航天器。作为中国载人航天工程第二步空间实验室阶段的收官之战,天舟一号将向天宫二号空间实验室运送6吨左右的货物,并进行难度极高的“太空加油”,为中国载人空间站建设清除最后的技术障碍。不仅如此,从天基测控到快速、绕飞交会对接,以及实施主动离轨受控陨落,天舟一号任务还将创造中国载人航天工程的多个纪录。

4月20日傍晚,海南文昌,搭载天舟一号飞船的长征七号运载火箭发射前。中新网

天舟一号总长10.6米,采用货物舱和推进舱两舱结构组成,舱体最大直径3.35米,整船最大装载状态下重量达13.5吨,是中国目前体积最大、重量最重的载人航天器。依照计划,天舟一号主要任务目标包括,验证“太空加油”技术,全面考核货运飞船的功能和性能,开展货运飞船控制组合体、绕飞至前向交会对接、快速交会对接等试验,以及开展空间应用及技术试验。

验证推进剂在轨补加技术,也就是俗称的“太空加油”,是天舟一号任务的最重要目标。“太空加油”的过程,是在天舟一号与天宫二号对接之后,通过两个航天器之间产生的气体压力,把推进剂从天舟一号上输送到天宫二号上。说起来简单,但实际操作的难度却很高,要保证航天器准确对接,又要满足密封要求。

17日,长征七号遥二运载火箭与天舟一号货运飞船组合体转运至发射区。资料图

在天舟一号之前,掌握“太空加油”技术的国家只有俄罗斯和美国,且仅有俄罗斯曾实现过在轨应用。10年前,曾有航天强国的专家放言,中国搞不出太空加油。来自中国航天科技集团6院801所一支平均年龄32岁的科研队伍,却用事实证明着中国航天的实力。

天舟一号被称为中国的太空“快递小哥”,高效快速、使命必达是其特点。天舟一号的体量与和天宫二号空间实验室基本相当,但可运送相当于自身重量的逾6吨货物,载荷能力接近天宫二号的2倍,高于俄罗斯研制的进步号M型和美国的天鹅座飞船扩展型。其载货能力同样高于日本和欧洲的货运飞船,快递货物可谓经济实惠。

天舟一号前端为货物舱,后端为推进舱。资料图

太空快递,“快”字当头,在天舟一号之前,中国的空间交会对接大约需要耗时2天左右,但天舟一号将交会对接的时间控制在几个小时内。快速交会对接的实现,有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性,减少交会对接过程中包括轨道控制等在内的产生的资源消耗,同时,更大程度上地保障飞行器,方便空间站突发事件应急处理。

与此前的神舟系列载人飞船不同,天舟一号在飞行任务结束后,经由地面实施主动离轨,通过两次降轨控制,受控地坠落于南太平洋指定区域。据介绍,较之一般卫星在使命完成后,在大气层烧毁的结束方式,天舟一号首次采用主动离轨方式,并能受控地落到预定区域。这既避免自身成为太空垃圾、避开离轨过程中的不可控因素,又能为打造洁净、安全的太空环境作出贡献。

值得一提的是,为提前验证中国载人空间站中所用的关键元器件,天舟一号首次使用了七大类国产新研核心元器件,这将未来空间站建设的关键命脉牢牢握在中国自己手中。此外,天舟一号货运飞船还首次采用天基测控体制为主的设计原则,将原来在地面或海上的测量系统"搬"到天上,这实现了对航天器在轨飞行关键事件的全程跟踪。

4日17日,长征七号遥二运载火箭与天舟一号货运飞船组合体在垂直转运中。大公网制图

天舟系列迈出中国载人航天器谱型化第一步

宇航通用产品型谱化,是世界各个航天强国一直在探索研究的问题。俄罗斯联盟号系列飞船作为世界上最早并且至今仍在有效运营的载人飞船,是载人飞船型谱化应用的成功典范。中国连续升空的十一艘载人航天神舟系列飞船,虽然取得十一捷的战绩,但不能称之为型谱化。天舟一号则以三种型谱的设计,迈出中国载人航天器型谱化的第一步。

工作人员在紧张地进行联调联试。网络图片

航天专家表示,所谓航天器的型谱化,并不是将已有的不同规格的同类产品简单罗列、组合,或者不断改进现有产品的特性、功能,而是以最少数目的不同规格产品为标志的、能满足较长时期及一定范围内全部使用要求的产品系列。比如,2016年11月升空的中国新一代大推力运载火箭长征五号,就为中国运载火箭的系列化、型谱化发展奠定了基础。

天舟系列货运飞船是中国载人空间站的重要组成部分,主要任务是为空间站补加推进剂和运输货物,并将空间站废弃物带回大气层烧毁。针对运输的货物的不同类型和需求,天舟系列货运飞船设计了“全密封”、“半开放”、“全开放”三种型谱。

天舟一号是货运飞船的首发型号,采用全密封型谱,其主要用于运输太空人消耗品、密封舱内设备与试验载荷。半密封货运飞船除了可以运输密封舱内货物外,还可以满足包括太阳电池翼等舱外物资的运输需求。全开放货运飞船主要用于大型舱外货物的运输。

据介绍,天舟系列货运飞船按照模块化思路搭建平台型谱,设计有推进舱模块、密封货物舱模块、半密封半开放货物舱模块和全开放货物舱模块。其中,推进舱模块公用,货物舱模块则根据任务要求选择,构成“全密封”、“半开放”和“全开放”货运飞船。这种类似于"搭积木"的方式,降低了研制成本,缩短了周期,可以通过有限的飞行试验快速提高平台可靠性。

长七火箭二度征空  多项更改保天舟

运送天舟一号升空的长征七号火箭,是继2016年6月首飞成功后的第二次飞行。据介绍,为实现天舟一号与天宫二号的交会对接和“太空加油”,长七火箭必须实现"零窗口"发射。与首发火箭相比,运送天舟一号升空的长七遥二火箭技术状态变化更改涉及发射场操作和使用维护的占30%,这极大提升了火箭在发射场的操作方便性和安全性。

长征七号运载火箭总长53.1米,芯级直径3.35米,捆绑4个2.25米助推器,起飞重量597吨,运载能力将达到近地轨道13.5吨、太阳同步轨道5.5吨,为满足载人空间站工程,发射货运飞船的需求而研制的新一代高可靠、高安全的中型液体运载火箭,采用"两级半"构型,达到国外同类火箭先进水平。

与首发火箭相比,用于发射天舟一号的长七遥二火箭的操作方便性和安全性大幅提升,涉及整流罩、蓄压器、芯级工作盖板等多个方面。同时,针对文昌发射场为濒海发射场,具有高温、高湿和高盐雾等特点,长七火箭通过在箭上部段对接面处设计"F"形小支架支撑,有效解决了冷凝水结冰的问题,并为整流罩保温衣,以小设计解决了大问题。

长征七号火箭是中国新一代高可靠高安全的中型运载火箭,将成为中国未来航天发射任务的"主力军"。据介绍,预计到2021年左右,长征七号将逐步替代现有的长征二号、长征三号、长征四号系列火箭,承担中国80%左右的航天发射任务。

17日拍摄的长征七号遥二运载火箭与天舟一号货运飞船组合体局部。资料图

【国际比较】货运飞船服务太空近40年 中国天舟具后发优势

从世界第一艘货运飞船进步一号于1978年1月在苏联拜科努尔航天中心升空,货运飞船已为人类在太空的长期驻留服务近40年。为满足载人空间站建设,特别是太空人在空间站的长期驻留,中国从2011年开始研制天舟系列货运飞船。天舟飞船能够运送6吨货物,实现“太空加油”,并能独立自主飞行3个月。航天专家表示,与其他国家的货运飞船相比,天舟飞船的功能更加全面,性价比更高。

上世纪70年代,前苏联的进步一号货运飞船与礼炮6号空间站对接,为太空人送去了1.3吨食物、给养、零件备份和科学仪器,还为空间站带去了1吨重的推进剂和氧气,这令人类在太空长期驻留成为可能。进步号服役至今,仍在为国际空间站提供着货运服务。

与进步号同时为国际空间站提供货运服务的,还有欧空局的自动转运飞行器ATV和日本研制的HTV。欧洲的ATV重量超过20吨,可以为空间站运输约8吨的货物,加压货舱拥有48立方米的巨大容积,重量和货运量在已有的和正在研制的货运飞船中都是最大的。

日本的HTV的空载重量约10.5吨,可以将6吨重的货物送往国际空间站。与ATV不同,HTV不会与空间站交会对接,而是飞到空间站附近,由空间站的机械臂将其"抓捕"并停靠在国际空间站和谐号节点舱的靠泊口上。

商业飞船是近期世界航天界关注的焦点。美国SpaceX公司研制的龙飞船,以及天鹅座货运飞船,都曾为国际空间站执行过货运任务。

据报道,中国自主研发首艘货运飞船天舟一号起飞重量约13吨,物资上行能力约6吨,推进剂补加能力约为2吨,具备独立飞行3个月的能力。专家表示,天舟货运飞船充分继承了过去天宫一号、二号空间实验室和神舟飞船积累的技术基础,与进步号和ATV类似,具有“太空加油”的能力。此外,天舟货运飞船不但是中国未来空间站的补给飞船,由于它具备较长时间的独立自主飞行能力,因此还可以作为空间科学试验的平台。

文章来源:http://news.stnn.cc/china/2017/0421/424221.shtml