發(fa)布(bu)時(shi)間：2018-04-28
4月20日(ri)晚，中(zhong)國航天人(ren)在天地(di)間搭建起(qi)運輸“走廊”。
按照我國載人(ren)航(hang)天(tian)工程“三步走(zou)”戰略，由中國航(hang)天(tian)科技(ji)集(ji)團(tuan)公(gong)司抓總(zong)研制(zhi)的貨運(yun)飛船是載人(ren)空間(jian)站工程的重要(yao)組(zu)成(cheng)部分。伴隨我國首艘(sou)貨運(yun)飛船天(tian)舟一號的發(fa)射入軌，空間(jian)站建設和長期在軌運(yun)營成(cheng)為(wei)可能。
首艘貨(huo)運飛船聚焦4方面驗證
天(tian)舟(zhou)系列貨運(yun)飛船是(shi)為載人航天(tian)工程(cheng)全新研(yan)制(zhi)的(de)航天(tian)器。天(tian)舟(zhou)一(yi)(yi)號的(de)研(yan)制(zhi)者(zhe)們沒有(you)一(yi)(yi)味追求(qiu)飛船總重(zhong)量(liang)或貨物重(zhong)量(liang)單(dan)方面的(de)高數值，而(er)是(shi)根據未來空間站實際規(gui)模和任務需求(qiu)，打造了一(yi)(yi)個“規(gui)模適度”的(de)貨運(yun)飛船。
雖然是首飛(fei)型號，設計人員對(dui)貨(huo)運(yun)飛(fei)船技術(shu)指標的(de)自我要求卻極為(wei)苛(ke)刻。貨(huo)運(yun)飛(fei)船的(de)載貨(huo)比達到(dao)0.48，這是一個世界現役貨(huo)運(yun)飛(fei)船均未(wei)企(qi)及的(de)數值。
可是(shi)，為什么要(yao)建(jian)造這樣一艘“很(hen)能裝貨但載不了人”的(de)飛船呢？
“未來，我國要(yao)建造(zao)長(chang)期有人(ren)照(zhao)料的空間站(zhan)，航天員在太空需(xu)要(yao)生活、工作物資，空間站(zhan)運轉(zhuan)需(xu)要(yao)推進劑補給，廢棄物也需(xu)要(yao)被帶回大氣層燒毀。”天舟(zhou)一號貨運飛(fei)船總設計(ji)師(shi)白明(ming)生解釋。
取決(jue)于(yu)這樣的(de)需求，貨運飛船(chuan)(chuan)的(de)主要任務被我國(guo)載(zai)人航天工程的(de)建設者們嚴謹(jin)地明確為(wei)：“為(wei)空(kong)間站（空(kong)間實驗(yan)(yan)室）上行(xing)運輸和在軌存儲、補給物資；為(wei)空(kong)間站（空(kong)間實驗(yan)(yan)室）存儲和下行(xing)廢棄物資并受控隕落于(yu)預定區域；配合空(kong)間站（空(kong)間實驗(yan)(yan)室）進行(xing)組(zu)合體軌道和姿態控制；支持(chi)開展適應貨運飛船(chuan)(chuan)能力的(de)空(kong)間應用和技術試驗(yan)(yan)。”
“通俗點來說(shuo)，貨(huo)運(yun)(yun)飛船的任務就是(shi)運(yun)(yun)貨(huo)、加油(you)和(he)開(kai)展(zhan)相應試驗。”五院(yuan)載人航天總體部研(yan)究(jiu)室主任黃震言簡(jian)意(yi)賅地概括道。
區別于我國后續正(zheng)式投入運營的(de)貨(huo)運飛(fei)船，作為“先(xian)行者”，此次天(tian)舟一號的(de)主要(yao)任(ren)務目(mu)標聚焦于4大方面的(de)“驗證”。“沒有試飛(fei)的(de)余地，首飛(fei)就要(yao)完成任(ren)務。”研制人員坦言壓力不小。
最大的難點來(lai)自(zi)于兩個航天器的協(xie)同(tong)工(gong)作。天舟一號要(yao)在(zai)空(kong)間實驗室的配合下，除了驗證推進劑在(zai)軌補加技(ji)術，還要(yao)開展貨運飛船控制組(zu)合體、繞飛至前(qian)向交會對接、快速交會對接等一系列試(shi)驗。
此外(wai)，貨運飛(fei)船的功能和性能也將通過天舟一(yi)號得(de)到(dao)全面考核。而為最大限度發揮應用平(ping)臺效能，天舟一(yi)號還支持開(kai)展空間應用及技術試（實）驗(yan)，能夠實現(xian)“一(yi)次飛(fei)行、多方受(shou)益”的目(mu)標。
開啟載(zai)人(ren)航天器型譜化設計
在我國(guo)航(hang)天界，“型(xing)譜化”的概念最早使用于運(yun)(yun)載火箭(jian)(jian)。公眾(zhong)也許不會忘記，大(da)約半年前，這一(yi)概念曾作為(wei)大(da)型(xing)運(yun)(yun)載火箭(jian)(jian)長征五號首飛的一(yi)大(da)亮點被反(fan)復(fu)提及。正是長征五號的研制發(fa)射(she)，為(wei)我國(guo)新(xin)一(yi)代(dai)運(yun)(yun)載火箭(jian)(jian)型(xing)譜化、系列化的發(fa)展奠定了基礎。
然(ran)而在我國載(zai)人(ren)航天器設計領域，盡(jin)管神舟系列飛船(chuan)取得了11戰11捷的優(you)異成績，是高度安(an)全、可靠、穩定的載(zai)人(ren)飛船(chuan)，但其設計理念并不能(neng)被稱(cheng)為“型(xing)譜化”。
“并不(bu)是將已(yi)有(you)不(bu)同規(gui)格的同類產(chan)品(pin)簡單羅列、組(zu)合，或者不(bu)斷改進(jin)現(xian)有(you)產(chan)品(pin)特(te)性、功能(neng)，就叫‘型譜(pu)(pu)化(hua)’。”航天專家朱毅麟曾(ceng)專門厘清這一(yi)概念的定(ding)義，“真正的‘型譜(pu)(pu)化(hua)’，是指一(yi)個產(chan)品(pin)系列能(neng)滿(man)足較(jiao)長時期及一(yi)定(ding)范圍內(nei)的全(quan)部使用要(yao)求。”
天舟(zhou)系(xi)列貨(huo)(huo)運(yun)(yun)飛船就是符合上述標準的型譜化產品(pin)，由(you)貨(huo)(huo)物(wu)艙和推(tui)進艙兩艙結構組成。其中(zhong)，貨(huo)(huo)物(wu)艙裝(zhuang)載貨(huo)(huo)物(wu)和設(she)備，推(tui)進艙為(wei)貨(huo)(huo)運(yun)(yun)飛船提(ti)供(gong)電力(li)能源、推(tui)進控制動力(li)并裝(zhuang)載推(tui)進劑。
五院載人(ren)航天總體(ti)部研制(zhi)團隊采用(yong)(yong)模(mo)塊化(hua)思路(lu)，為貨運(yun)飛船設計了4種模(mo)塊。除公用(yong)(yong)的一體(ti)化(hua)設計的推進艙(cang)模(mo)塊外，針(zhen)對運(yun)輸貨物(wu)(wu)的不同類型和需求，貨運(yun)飛船可選用(yong)(yong)全密封貨物(wu)(wu)艙(cang)模(mo)塊、半開放(fang)貨物(wu)(wu)艙(cang)模(mo)塊或全開放(fang)貨物(wu)(wu)艙(cang)模(mo)塊。
“模塊(kuai)化(hua)設(she)計(ji)提(ti)(ti)高了貨運(yun)飛船的(de)任務適應(ying)能力和任務拓展度，降低(di)了研制周期和成本(ben)，可以通過有限的(de)飛行試驗快速提(ti)(ti)高平臺可靠性(xing)。”黃震認為。
通過3種不(bu)同貨(huo)物艙(cang)模(mo)塊與(yu)推(tui)進艙(cang)模(mo)塊的“搭積木”組合，天舟(zhou)系列貨(huo)運飛船全密封、半(ban)開(kai)放(fang)和全開(kai)放(fang)的3種型譜就此形成(cheng)。作為首發貨(huo)運飛船，天舟(zhou)一號被設計為全密封型譜狀態。
“這樣(yang)的(de)設計使以后運(yun)(yun)輸(shu)不同(tong)物(wu)資的(de)貨運(yun)(yun)飛船之間的(de)接口更加統(tong)一化(hua)(hua)和(he)規(gui)范化(hua)(hua)，順應了載人航(hang)天(tian)器通用化(hua)(hua)、批量化(hua)(hua)、系列化(hua)(hua)發(fa)展的(de)要求。”白明(ming)生說。
未來，3種型譜(pu)的(de)貨(huo)運(yun)飛(fei)(fei)船(chuan)分工(gong)明確。全(quan)密(mi)封貨(huo)運(yun)飛(fei)(fei)船(chuan)主(zhu)要(yao)用于運(yun)輸(shu)航(hang)天員消(xiao)耗(hao)品、密(mi)封艙內(nei)設備和試(shi)驗載(zai)荷，半開(kai)放貨(huo)運(yun)飛(fei)(fei)船(chuan)可以滿足太陽電池(chi)翼(yi)等艙外物資的(de)運(yun)輸(shu)需(xu)求，而全(quan)開(kai)放貨(huo)運(yun)飛(fei)(fei)船(chuan)則主(zhu)要(yao)負責運(yun)載(zai)大型艙外貨(huo)物。
載(zai)人飛船型(xing)譜化應用(yong)的成功典范要數(shu)俄羅斯的聯盟號系列(lie)飛船。作為(wei)世(shi)界上最早且至今仍有效運營(ying)的載(zai)人飛船，聯盟號自上世(shi)紀(ji)60年代(dai)(dai)以來，經(jing)歷(li)數(shu)次升級換代(dai)(dai)，衍生出多種適應不(bu)同任務(wu)需求(qiu)的貨運飛船型(xing)譜。
“我(wo)國載人航天工程起步雖晚，但起點高(gao)，具有高(gao)可(ke)靠性和安全(quan)性的設(she)計。如(ru)今(jin)，我(wo)們從天舟一號(hao)開始，邁出了載人航天器型(xing)譜(pu)化(hua)設(she)計的第(di)一步，這(zhe)也是我(wo)們空間站建設(she)國際化(hua)的重要(yao)基(ji)礎。”天舟一號(hao)貨運飛船總指揮(hui)金(jin)勇說。
打造(zao)自主可控(kong)的(de)數字(zi)空(kong)間站
空(kong)間站(zhan)建設是龐大且復雜的系統工程(cheng)，其設計者目光放(fang)得(de)(de)長遠(yuan)。這一(yi)點在天舟(zhou)一(yi)號(hao)貨(huo)運飛(fei)船的諸(zhu)多細節方面得(de)(de)以窺見。
作為貨運飛(fei)船飛(fei)行驗(yan)證平臺的(de)天舟一(yi)號，首次大刀闊(kuo)斧地使用了7大類、上百種的(de)國產新研核心(xin)元器件(jian)，提(ti)前驗(yan)證空間站中所用的(de)關鍵元器件(jian)。
例如(ru)，此(ci)前載人飛船采(cai)用的(de)(de)是(shi)低(di)壓(ya)(ya)供(gong)電，而未來我(wo)國空(kong)間站面臨更大載荷(he)和功率，必須采(cai)用100伏的(de)(de)高壓(ya)(ya)供(gong)電。為提高傳(chuan)輸效率，天(tian)舟一號采(cai)用了全新自主研制(zhi)的(de)(de)國產100伏高壓(ya)(ya)器件。
首次在國(guo)內航天(tian)器(qi)上(shang)采用的(de)(de)(de)(de)100伏厚(hou)膜電源(yuan)模塊被應(ying)用到了整船所(suo)有的(de)(de)(de)(de)關(guan)鍵電子單(dan)機(ji)上(shang)，帶來(lai)的(de)(de)(de)(de)改變不僅是(shi)整船幾十公斤配電設備重(zhong)量的(de)(de)(de)(de)優化和各電子單(dan)機(ji)尺(chi)寸的(de)(de)(de)(de)縮(suo)小，更重(zhong)要的(de)(de)(de)(de)是(shi)突(tu)破(po)國(guo)外的(de)(de)(de)(de)技術封鎖，加速了航天(tian)器(qi)核心元器(qi)件設計的(de)(de)(de)(de)國(guo)產(chan)化進(jin)程。
看似不大(da)的(de)元器件，背后牽扯的(de)系統工作卻(que)千頭萬(wan)緒。每當說(shuo)起具(ju)體細節(jie)，設計師們愛用“一言難盡”來輕描淡(dan)寫攻關的(de)難。他(ta)們說(shuo)，一想(xiang)到未來空間站建設的(de)關鍵(jian)命脈牢牢握(wo)在自己手中，“心里就不慌了(le)”。
全三維數(shu)字化(hua)設計也被淋漓盡致地應用到(dao)了貨運飛(fei)(fei)船上。貨運飛(fei)(fei)船立項之(zhi)時(shi)，時(shi)值集團公司(si)開始(shi)進行型號數(shu)字化(hua)研(yan)制的(de)嘗(chang)試。“天舟一號的(de)數(shu)字化(hua)研(yan)制觸碰到(dao)了一個很(hen)好的(de)契機(ji)。”五院貨運飛(fei)(fei)船數(shu)字化(hua)研(yan)制團隊成員(yuan)們感慨。
五院借(jie)此(ci)成立“全三維數字(zi)(zi)化協(xie)同設計(ji)實驗室”，將正在孕育的天舟一(yi)號(hao)推上數字(zi)(zi)化之路。而(er)放眼中國航(hang)天領域，全三維數字(zi)(zi)化設計(ji)在新(xin)一(yi)代(dai)運載火箭(jian)上也普遍采用(yong)著。
對于數字(zi)化(hua)的(de)優越性，設(she)計(ji)師郭軍(jun)輝感觸最深。天舟一號整個貨物艙的(de)電纜設(she)計(ji)全(quan)部出自他(ta)之手(shou)。“以構型(xing)布局(ju)設(she)計(ji)為例，按照傳統的(de)二維(wei)圖(tu)紙模式，貨船單(dan)(dan)艙段(duan)的(de)設(she)備布局(ju)需要(yao)單(dan)(dan)人用(yong)30天完(wan)成，而采(cai)用(yong)全(quan)三維(wei)數字(zi)化(hua)設(she)計(ji)后，只需要(yao)15天。”郭軍(jun)輝說。
天舟一號從方案設(she)計(ji)階段開(kai)始(shi)始(shi)終堅持數字(zi)化手段，打通(tong)了(le)產(chan)品設(she)計(ji)、工藝、生產(chan)、裝配、檢驗、交付全過程的(de)(de)信(xin)息流。設(she)計(ji)團隊通(tong)過探索基(ji)于三維(wei)模(mo)型的(de)(de)協同設(she)計(ji)模(mo)式(shi)，顯著提高了(le)航天器設(she)計(ji)效率和質(zhi)量。
中國航天科技集團公司