中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站訊 最近，中國空間站引起全球關(guān)注。神舟十二號飛船剛剛攜帶3名航天員返回地球，神舟十三號便已準(zhǔn)備就緒，近期將再次搭載三名航天員抵達(dá)空間站。
兵馬未動，糧草先行。9月20日，滿載貨物的天舟三號貨運飛船先一步駛?cè)胩?，成功對接空間站天和核心艙后向端口，這是我們向空間站送來的第二批太空“包裹”。作為“宇宙級網(wǎng)紅快遞”，天舟系列貨運飛船的主要作用是為中國空間站在軌運行期間提供補給支持。整個天舟家族目前除了已經(jīng)發(fā)射的天舟二號、天舟三號，還有尚未發(fā)射的天舟四號和天舟五號。
與天舟二號相比，天舟三號在裝載能力以及系統(tǒng)設(shè)計、測試流程等多個方面都進(jìn)行了優(yōu)化升級，展現(xiàn)出我國航天領(lǐng)域的強大技術(shù)實力。天舟三號具備哪些優(yōu)秀性能？每項技術(shù)優(yōu)化升級的背后有哪些我們所不知道的原因？未來的天舟飛船又會有哪些不同？圍繞相關(guān)問題，國慶節(jié)前夕，記者采訪了中國航天科技集團(tuán)五院貨運飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計師雷劍宇。
天舟三號裝載的貨包數(shù)量增加了25%，但運送物資的總重量卻減輕了約1.5噸
記者：這次天舟三號給中國空間站帶去了豐富的物質(zhì)。除了可支持3名航天員在軌6個月的生活物資，還有空間站備份設(shè)備和空間科學(xué)載荷。后兩者大家可能不是很熟悉，您能否給我們介紹一下。
雷劍宇：按照我們的設(shè)計，中國空間站在軌飛行的時間至少要達(dá)到10年。為了保證空間站長期在軌穩(wěn)定運行，空間站艙內(nèi)及艙外大概有100到200臺的重要設(shè)備是有備份的。特別是艙內(nèi)的一些關(guān)鍵設(shè)備，比如計算機、配電設(shè)備、平臺設(shè)備等，都是可更換、可維修的?？梢哉f，空間站的一個重要特點就是具備可維修性。我們通過可維修性技術(shù)來提高空間站的在軌壽命，降低制造成本。
根據(jù)重要程度，我們給這些關(guān)鍵設(shè)備劃分了等級，然后利用天舟貨運飛船將對應(yīng)的維修備用件分批運上去。天舟三號帶上去的這些配件，目前還用不著，只是存放在空間站里面，等以后如果哪個設(shè)備出現(xiàn)故障，我們再把它替換掉。
空間科學(xué)載荷是指航天系統(tǒng)中能實現(xiàn)某種特定任務(wù)的儀器、設(shè)備、樣本及試件等，我們也會上行一些實驗輔助裝置，完善我們在軌實驗的條件。
記者：神舟十三號三位航天員在軌時間是6個月，比上一批多了3個月，天舟三號帶上去的駐留物資相應(yīng)也變多。在火箭運載能力有限制的情況下，我們?nèi)绾伪ＷC飛船不超重？
雷劍宇：天舟三號的發(fā)射重量約12噸，運送物資約5.6噸，和天舟二號貨運飛船相比，在攜帶的生活工作物資有所增加的情況下，運送物資的總重量反而減輕了約1.5噸。為什么呢？主要是因為天舟三號貨運飛船攜帶的補加推進(jìn)劑變少了，整整減少了四個推進(jìn)劑貯箱。
攜帶推進(jìn)劑的目的，主要是給空間站補充燃料。我們的空間站在穩(wěn)定運行后采用了電推進(jìn)的方式，對常規(guī)推進(jìn)劑的需求量沒有那么多了，所以我們就決定多帶貨、少帶推進(jìn)劑。
和天舟二號相比，天舟三號的整船裝載密度更大，裝載的貨包數(shù)量增加了25%。四個推進(jìn)劑貯箱被減掉之后，就有一部分非密封的空間空了出來，因此我們在后續(xù)研制的貨運飛船的空間利用上做了一些優(yōu)化，把這部分空間加到了密封空間里去，這樣密封艙內(nèi)的貨物運輸量就變大了。因為航天員生活物資、實驗載荷大部分都是放在密封艙里面的，這部分需求目前最為迫切。
記者：天舟系列貨運飛船被大家形象地稱為“太空快遞”。眾所周知，我國的物流發(fā)展水平全球領(lǐng)先。“太空快遞”在貨物裝載和分揀上是否有借鑒地面物流業(yè)的一些成熟經(jīng)驗？
雷劍宇：空間站的貨物管理確實借鑒了一些地面的先進(jìn)物流技術(shù)。比如天舟一次會運送好幾噸的貨物上去，這么多的貨物，航天員怎么才能快速準(zhǔn)確地知道它們都是什么、用在哪里、放在哪里，答案就是我們應(yīng)用了一個RFID無線射頻識別系統(tǒng)，航天員可以通過掃描貨箱上的二維碼，獲得貨物的產(chǎn)品信息和位置信息。同時，該系統(tǒng)還可以對產(chǎn)品信息的庫存數(shù)量做到動態(tài)掌控，輔助航天員在軌時對貨物進(jìn)行盤點。
由于太空和地面使用環(huán)境存在很大差異，因此很多地面上先進(jìn)的物流技術(shù)并不能簡單復(fù)制到空間站，我們的應(yīng)用態(tài)度十分審慎。比如空間站外殼基本上是一個全金屬的結(jié)構(gòu)，一些無線設(shè)備上去，可能會對空間站運行帶來干擾。
記者：在天舟三號上天前，天舟二號飛船從空間站天和核心艙后向端口繞飛至節(jié)點艙上的前向端口，為天舟三號與核心艙對接騰出了位置。為什么我們不讓天舟三號直接對接到前向端口上？
雷劍宇：正常情況下，貨船還是會對接在后向端口上的，或者說，后向端口是天舟飛船的主對接口。這樣，航天員進(jìn)入空間站后可以更方便地從天和核心艙的后門進(jìn)入天舟三號艙內(nèi)，貨物轉(zhuǎn)運也更加方便。
此外，我們要盡可能利用天舟二號開展空間站建造涉及的關(guān)鍵技術(shù)先期驗證，為空間站后續(xù)任務(wù)掃清障礙。比如天舟二號此次在前向?qū)佣丝陂_展機械臂轉(zhuǎn)位試驗，就是提前驗證機械臂轉(zhuǎn)位實驗艙這一關(guān)鍵技術(shù)。
后續(xù)天舟四號上去，天舟三號也要轉(zhuǎn)到前面去，給天舟四號挪位置。那個時候，天舟二號任務(wù)完成，就會自動脫離空間站，墜入地球大氣層銷毀。
航天員更喜歡在貨運飛船里待著，因為貨艙空間相對寬敞
記者：相較于天舟二號，天舟三號進(jìn)行了哪些系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計？
雷劍宇：首先是我們根據(jù)空間站的實際需求，對推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行了動態(tài)配置。這是為了提升整個平臺的效益，降低平臺重量。
其次是我們對交會對接系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，將分體式激光雷達(dá)升級為一體組合式激光雷達(dá)，因為一體組合式的重量更輕，體型更小。同時，我們還直接減配了原有的微波雷達(dá)。微波雷達(dá)原本主要作為交會對接遠(yuǎn)距離相對導(dǎo)航系統(tǒng)的一個應(yīng)急備用。我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建成之后，飛船遠(yuǎn)距離相對導(dǎo)航主要靠北斗系統(tǒng)。通過天舟一號、天舟二號幾次的在軌飛行驗證，我國北斗系統(tǒng)的制導(dǎo)精度高、可靠性好，遠(yuǎn)距離相對導(dǎo)航安全有保障，因此可以取消微波雷達(dá)。
此外，我們還對制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的控制器硬件進(jìn)行了性能升級，計算能力大幅提升，控制器軟件優(yōu)化設(shè)計了多項功能，進(jìn)一步提高了飛船在復(fù)雜工況下的全自主能力。
記者：天舟三號在?？科陂g具備并網(wǎng)供電能力，可以為空間站提供供電支持。為什么天舟三號要設(shè)計這樣一個功能呢？
雷劍宇：空間站工程是一個大系統(tǒng)，包括核心艙、實驗艙、神舟飛船和天舟貨運飛船。這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)在軌道上飛行，過程中不可避免會存在太陽翼帆板陽光被遮擋的問題，這會讓航天器的供電能力暫時無法滿足特定工作模式的用電需求。因此，就需要其他航天器對其進(jìn)行供電，實現(xiàn)互幫互助。
目前，天舟貨運飛船和核心艙之間是100伏的雙向高壓并網(wǎng)供電模式，核心艙能為貨運飛船提供最高2000瓦的供電，貨運飛船也能為核心艙提供1000瓦左右的電力。
特別是現(xiàn)在，我們的核心艙還處在“裝修”階段，空間站的用電相對來說是比較緊張的，因此飛船給空間站供電就十分必要。因為飛船后期大部分的平臺設(shè)備都處于關(guān)機狀態(tài)，不需要工作了。這種情況下，船體的電力消耗比較小，但太陽能板發(fā)的電還和以前一樣，沒有減少，所以我們就可以把多余的電能通過并網(wǎng)的手段傳輸給空間站，相當(dāng)于是一個互通有無、資源共享的設(shè)計。
記者：持續(xù)提高元器件國產(chǎn)化率是天舟三號的一個顯著任務(wù)特點。您可否簡單介紹一下這方面的情況？
雷劍宇：天舟三號在充分繼承天舟二號貨運飛船研制和飛行成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，簡化了平臺配置，推動元器件自主可控，核心電子元器件基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。同時，國產(chǎn)化也是逐步實現(xiàn)的，一些不是核心的卡脖子的元器件，來源又非常穩(wěn)定，使用量又極少，要在國內(nèi)重新開一條生產(chǎn)線的話，其實是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)然，對于核心元器件的生產(chǎn)研制技術(shù)，我們是必須掌握的。
記者：天舟系列貨運飛船在研制過程中，有哪些地方是您覺得比較困難的？
雷劍宇：天舟系列從2011年立項至今，整個發(fā)展過程我都有幸參與了。我個人感覺，天舟在設(shè)計過程中最大的難點就是它的任務(wù)類型非常多，對綜合任務(wù)能力的要求很高。在實現(xiàn)這么多任務(wù)的前提下，要把運輸效率做到全球最高，是很難的。
此外，貨運飛船和常規(guī)航天器存在巨大區(qū)別的一點是它的質(zhì)量特性是動態(tài)變化的。密封貨物艙內(nèi)裝載的貨物和推進(jìn)艙攜帶的推進(jìn)劑之間的配比可能變化很大。此外，它所裝載的貨物類型也各式各樣，不是固定的。這需要貨運飛船在結(jié)構(gòu)設(shè)計上具備很強的適應(yīng)能力。為此，我們圍繞天舟的高效輕量化結(jié)構(gòu)開展了系列技術(shù)攻關(guān)，包括它的貨架/主結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計以及一些極限邊界工況力學(xué)實驗等等。
很多人以為貨運飛船只是一個“貨船”，但實際上，在國際空間站航天員喜歡在貨運飛船里面待著，因為貨艙的空間相對寬敞。建造階段，天舟三號里面堆滿了東西，等到運營階段，空間壓力就小多了，過道就能空出來，航天員是可以較長時間待在里面的。所以天舟內(nèi)部的空氣、濕度、溫度等也是需要有保證的，由空間站統(tǒng)一控制，標(biāo)準(zhǔn)與神舟是一致的。
建設(shè)時期貨物上行需求是最大的，維護(hù)階段發(fā)射頻次會降低
記者：從天舟三號開始，我們的貨運飛船就進(jìn)入到批組生產(chǎn)的模式。您能簡單介紹一下這種模式嗎？它有哪些優(yōu)勢？
雷劍宇：批組生產(chǎn)首先是統(tǒng)一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，包括在系統(tǒng)層面統(tǒng)一技術(shù)要求、統(tǒng)一驗收要求、統(tǒng)一質(zhì)量要求，在單機層面統(tǒng)一方案設(shè)計、統(tǒng)一產(chǎn)品備料、統(tǒng)一技術(shù)狀態(tài)管理。首先總體層面對飛船的技術(shù)狀態(tài)、設(shè)計狀態(tài)進(jìn)行固化。每艘船可能會略有差異，但我們會把這些差異識別出來，形成一個統(tǒng)一設(shè)計方案。
接下來，分系統(tǒng)以及單機單位就可以在一個統(tǒng)一的狀態(tài)和基線下面開展研制，效率會更高，生產(chǎn)成本也會相應(yīng)減少。
現(xiàn)在我們的飛船生產(chǎn)模式，被稱為“A+B”模式，A就是固定的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計，B就是我們針對每一次不同的任務(wù)，會對具體某一方面進(jìn)行補充性要求或針對性改進(jìn)。
記者：我們的空間站要長期在軌運行，后續(xù)應(yīng)該還會需要我們的“太空快遞”送貨上去。隨著空間站任務(wù)階段的變化，天舟飛船之后的發(fā)射頻次會不會也有一些變化？
雷劍宇：按照目前的規(guī)劃，后續(xù)天舟飛船的發(fā)射頻次應(yīng)該沒有現(xiàn)在這么密集。因為目前我們在太空的這個“房子”，也就是我們的空間站還處于關(guān)鍵技術(shù)驗證、“裝修”和建造階段，很多維修備件需要在這個時候集中運上去，所以貨物上行的需求是最大的。
現(xiàn)在，我們基本保持著“一年兩發(fā)”的發(fā)射頻率。我個人感覺，以后，我們的“房子”造好后，進(jìn)入長期維護(hù)階段，貨物運送量就會變小，主要就是一些航天員的在軌駐留物資以及實驗載荷，發(fā)射的頻次會略有下降。當(dāng)然，我們貨運飛船升級擴容、任務(wù)拓展之后，發(fā)射頻度會有比較明顯的下降。
記者：目前天舟送貨都是單向上行，以后是否可能會出現(xiàn)“送去帶回”這種雙向運送的貨船？
雷劍宇：就我們目前的技術(shù)水平來說，“送貨上去再帶貨下來”是完全可以做到的，但我們首先需要考慮它的經(jīng)濟(jì)性。需要根據(jù)從太空帶回來的高價值產(chǎn)物的量來設(shè)計我們的貨物下行能力。
就貨運飛船來說，如果增加了貨物下行的設(shè)計，上行的效率必然會降低。因為你看我們以往發(fā)射的具有返回功能的航天器，基本都是一個倒錐形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了貨船的艙內(nèi)容積在同等重量下會明顯減小。假設(shè)我們的貨船現(xiàn)在一次能帶7噸的東西，改成返回式之后，可能就只能帶2噸多的東西，上行帶貨量相當(dāng)于減少了三分之二。
現(xiàn)階段，因為神舟系列載人飛船本身已經(jīng)有一部分的下行能力，所以當(dāng)我們的太空實驗室的下行需求，包括它的高價值產(chǎn)物不是特別多的時候，是不需要貨船來專門向地球運送的，神州飛船就可以勝任。隨著空間站的建成運營，高價值的產(chǎn)物會越來越多，因此我們也在設(shè)計新型返回式貨運飛船，大幅增加下行運力。
當(dāng)然，很多人可能會暢想未來我們是否有可能利用外太空的資源，這可能是我們更長遠(yuǎn)的未來的一個奮斗目標(biāo)。
