環球熱頭條丨如何而來，又向何去？揭秘天舟系列貨運飛船研制思路

神舟飛船上天，航天員最多可以攜帶幾百公斤的隨身行李。2013年，神舟十一號飛行乘組的兩名航天員在天宮二號空間實驗室駐留一個月后，物資基本消耗殆盡。當中國決定建造并長期運營自己的“天宮”空間站，隨之而來的一個問題就是，空間站上的推進劑怎么補加？航天員長期駐留，生活物資不夠了怎么辦？

貨運飛船應運而生。如今，中國的天舟系列貨運飛船已有五艘揚帆起航，舟行天地，構筑起載人航天工程的生命補給線。作為天地運輸通道上的常客，它從何而來，又向何去？

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開創：實現空間推進技術跨越的天舟

基因的差異，造就不同的生命形態。貨運飛船從無到有，它的設計和研制工作，必須根據自身特性和滿足空間站任務需求來完成，這是一個逐步發現、探索、突破和改進的過程。

2011年，航天科技集團五院就開始著手進行貨運飛船的立項論證工作，確立了貨物艙和推進艙兩艙構型總體技術方案，并將天舟一號作為我國首艘試驗性貨運飛船，以驗證飛船平臺設計本身的合理性。

天舟一號貨運飛船示意圖

天舟系列貨運飛船副總師黨蓉介紹，由于貨運飛船尺寸很大，每次任務的貨物裝載量不同質心位置會發生變化，且貨運飛船在軌廢棄物的裝載也會對質心的控制造成影響，如果像其他航天器一樣將姿態控制推力器安裝在質心附近和后端面，將不能很好地適應每一次任務需求，容易造成姿態穩定性差，甚至影響交會對接。

這是研制貨運飛船需要首先考慮的問題。為保證貨運飛船能夠適應不同質心位置和高精度的控制要求，天舟一號將4類36臺發動機分別布在飛船的前錐面和后端面上。

“盡可能運送更多貨物”是設計師們追求的主要目標。天舟貨運飛船系統總體副主任設計師張振華表示，這就要求飛船提高承載能力并減輕自身重量。

在提高承載能力方面，船內的高效承載貨架采用基于蜂窩板、碳纖維立梁的梁板結構，形成大量標準裝貨單元，傳力效果好，結構與貨物重量比卻僅為8%。在減輕自身重量方面，飛船所有關鍵電子單機采用國產100伏厚膜電源模塊，不僅減輕了配電設備和電纜的重量，還奠定了100伏高壓傳輸的基礎。

“天舟”要運送的一項重要貨物是推進劑，這就要突破推進劑在軌補加技術。在此之前，掌握在軌推進劑補加技術的國家只有俄羅斯和美國，也有國外同行表示可以為中國提供技術合作，但研制團隊堅持“太空加油技術一定要掌握在自己手中”，用10年時間攻克了一系列關鍵技術，最終在2017年完成天舟一號貨運飛船在軌對天宮二號空間實驗室的推進劑補給，實現了我國空間推進領域的一次技術跨越。

先行：作為飛行驗證平臺的天舟

天舟一號要把握寶貴的一次飛行機會，在滿足自身任務的同時，為空間站建造和載人飛船做大量的先期技術驗證。

為提前驗證空間站中所用的關鍵元器件，加速實現自主可控，作為飛行驗證平臺的天舟一號大刀闊斧地使用了7大類44項國產新研核心元器件。無論是100伏高壓全分散配電系統和高壓鋰電池的應用，還是貨運飛船內部以太網高速信息系統，再到針對載荷單獨規劃出供電、信息流，研制團隊建立了一套全新的電子和信息系統。“當時我們跑遍了廠家，做足了各種試驗。”黨蓉說。

到了天舟二號，研制團隊還做了幾件大事。

第一，驗證自主快速交會對接技術。對于貨物運輸而言，時效性要求并不高，但考慮到載人飛船的應急救生要求，“天舟”就要承擔起先行者的責任——天舟二號在完成8小時自主交會對接的前提下，還在離軌前進行了兩小時快速交會對接的在軌試驗。

第二，為了提高交會對接可靠性，天舟二號配合航天員完成了手動遙操作試驗。黨蓉表示，與之前航天員在主動飛行器上看著目標飛行器進行操控不同，航天員是在空間站上遙控貨運飛船與空間站對接。貨船首先要獲取圖像，然后將其傳遞給空間站，航天員再根據收到的圖像來操控，這樣一來一往就會受時間延遲的影響。為此，研制團隊升級了航天器之間雙向通信的“空空通信機”，將其傳輸性能從千字節提升到了兆級。

第三，打通了“天舟”與空間站雙向并網供電的能力。空間站工程是一個大系統。這樣一個復雜系統在軌道上飛行，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。空間站能為貨運飛船供電，而在空間站電力不足的情況下，“天舟”也能夠“反哺母艦”為其提供電力。

第四，檢驗了利用機械臂操作空間站艙段轉位的可行性和有效性，驗證了空間站艙段轉位技術和機械臂大負載操控技術，為后續空間站在軌組裝建造積累了經驗。

這一階段的“天舟”，就是一位技術先行者。

改進：不斷增強用戶體驗的天舟

隨著“天舟一號”和“天舟二號”任務的圓滿成功，技術狀態日趨穩定，從“天舟三號”開始，貨運飛船正式進入組批研制模式。

設計一艘人性化、更符合人機功效學設計，并能逐步增強用戶體驗的貨運飛船，這是當時航天人最想要秉承的一種設計理念。

從貨包來看，天舟二號攜帶的160多個貨包，都呈現為米黃色。神舟十二號載人飛船的3位航天員反饋，因為顏色一樣，無法快速識別物資類型。因為貨包所用特種材料的顏色很難改變，研制團隊開始給貨包“打蝴蝶結”，不同顏色的束縛帶代表不同種類的貨物。

到了天舟四號，貨包直接用上了彩色“身份證”。淺藍、深藍、綠色、紫色、淺棕、深棕6種顏色，其中綠色代表航天員系統食品，淺棕色代表攝影設備包，紫色代表醫學實驗領域物資。研制人員建立了地面到云端的全任務周期物資數字化管理系統，可以實現貨物自動信息錄入和物資取放動態的信息管理等。“這個系統還采用了VR技術，為航天員提供可視化的作業指導書，這樣他們找貨就更方便了。”天舟系列貨運飛船總指揮馮永說。

這樣的設計理念體現在方方面面：航天員可以觸摸到的所有地方都是鈍角、盡量選擇柔和的光線和色調、地面磚做成毛面避免反光刺眼、用不同顏色營造“天地”視覺感受、用不同頻率和不同聲音區分空間站報警類型、對貨包內的緩沖泡沫進行分塊小型化設計方便航天員帶上更多的下行物資……凡是跟人的觸覺、嗅覺、味覺、視覺、聽覺五種感官相關的，研制人員都要統統考慮到。

天舟三號任務期間，研制人員將一只穿花衣服的小牛玩偶掛在了貨包上。“航天員在天上可能會出現視覺疲勞，希望這能給他們帶來不一樣的感受。”馮永說。

后來這只“小花牛”被航天員湯洪波掛在了自己的“家”門口。

升級：將“改變”寫在基因里的天舟

隨著空間站更多科學實驗任務的開展，對貨運飛船又提出了新的要求。從目前的反饋情況來看，“天舟”每一次帶給空間站的推進劑都夠用，甚至還有剩余，未來需要攜帶更多的貨物，這意味著天舟六號貨運飛船面臨一次結構上的調整。

張振華介紹，貨運飛船的貨物艙分為前錐、柱段和后錐三段，其中后錐段是非密封結構，內置飛船自身的平臺電子設備。改進后的飛船將原有的8個推進劑儲箱減少4個，騰出來的空間放置平臺電子設備，釋放后錐段空間，增加載貨量。

“天舟”發展至今，唯一不變的就是“變化”。馮永認為，“天舟”的設計階段已經過去了，現在的貨運飛船均為組批投產，狀態相對穩定，最大程度保證載人航天工程的速度與質量，但這不代表它不再做出改變。

“我們永遠都在使用新產品、新技術、新工藝和新材料。”馮永表示，往往一些單點的創新，在某一天會帶來突變。在這之前，我們要做好充分的技術驗證，確保可靠性，嚴格把控每一個細節，做到既不“過度設計”也不“欠缺設計”，同時還要考慮成本問題。因為商業貨運飛船、返回式貨運飛船，亦或是其他新型貨運飛船，在中國皆有可能出現。

天舟五號貨運飛船和整流罩組合體矗立在廠房 記者 宿東 攝

2022年11月12日，天舟五號貨運飛船起飛，這是中國空間站形成“T”字基本構型后迎來的首艘貨運飛船。未來的“天舟”還將實現更快的運輸速度，更大的載重能力，更高的運輸效能，更多的先期技術驗證。

標簽： 載人飛船 信息系統