發(fa)布(bu)時(shi)間：2018-04-28
4月20日晚，中國航天人在天地間搭建起運輸“走廊”。
按照我(wo)國載(zai)(zai)人航天工程“三步走(zou)”戰(zhan)略，由(you)中(zhong)國航天科技集團公司抓總研制的(de)貨運飛船是載(zai)(zai)人空間(jian)站(zhan)工程的(de)重要組成(cheng)部分。伴隨我(wo)國首艘(sou)貨運飛船天舟一號的(de)發射入軌(gui)，空間(jian)站(zhan)建設(she)和長期在(zai)軌(gui)運營(ying)成(cheng)為(wei)可能。
首艘貨(huo)運飛船聚焦(jiao)4方面(mian)驗證
天(tian)舟系(xi)列貨(huo)運(yun)飛船(chuan)是為載(zai)人航(hang)天(tian)工程全新研制的(de)航(hang)天(tian)器。天(tian)舟一號的(de)研制者(zhe)們沒有一味追求(qiu)飛船(chuan)總重(zhong)量或貨(huo)物重(zhong)量單(dan)方面的(de)高數值，而是根據(ju)未來(lai)空間(jian)站實際規模(mo)和任務(wu)需求(qiu)，打造了一個“規模(mo)適(shi)度(du)”的(de)貨(huo)運(yun)飛船(chuan)。
雖然是(shi)首飛型號，設(she)計人員對貨(huo)運飛船技術(shu)指標的(de)(de)自我(wo)要求卻(que)極(ji)為(wei)苛(ke)刻。貨(huo)運飛船的(de)(de)載(zai)貨(huo)比達到0.48，這是(shi)一個世界現役貨(huo)運飛船均(jun)未企及(ji)的(de)(de)數(shu)值。
可是，為(wei)什(shen)么要建造這樣一艘“很能裝貨但載不了(le)人”的飛船(chuan)呢？
“未來(lai)，我(wo)國要(yao)建造長期(qi)有人照料的(de)空(kong)間站(zhan)，航天員在(zai)太(tai)空(kong)需要(yao)生活、工(gong)作物資，空(kong)間站(zhan)運轉需要(yao)推進劑補(bu)給，廢棄物也需要(yao)被帶(dai)回大氣層(ceng)燒毀。”天舟一號貨(huo)運飛船總設計師白明(ming)生解(jie)釋。
取決(jue)于這樣(yang)的(de)(de)需求，貨運(yun)飛船的(de)(de)主要任務被(bei)我國(guo)載人航天工程(cheng)的(de)(de)建(jian)設者們嚴謹地(di)明確(que)為：“為空(kong)間站（空(kong)間實驗室(shi)）上行(xing)運(yun)輸和在(zai)軌(gui)存(cun)儲(chu)、補(bu)給物資(zi)；為空(kong)間站（空(kong)間實驗室(shi)）存(cun)儲(chu)和下(xia)行(xing)廢棄物資(zi)并(bing)受控隕落(luo)于預(yu)定區域；配合(he)空(kong)間站（空(kong)間實驗室(shi)）進行(xing)組合(he)體軌(gui)道(dao)和姿態控制；支持開展適應貨運(yun)飛船能(neng)力的(de)(de)空(kong)間應用和技術(shu)試驗。”
“通俗(su)點來(lai)說，貨運(yun)飛船的任務就是運(yun)貨、加油和(he)開展相應試驗。”五院(yuan)載(zai)人航天總體(ti)部研究室主任黃震言簡(jian)意賅地概括道。
區別于(yu)我國后續(xu)正式投(tou)入運營(ying)的(de)貨運飛船，作為“先行者”，此次天(tian)舟一號(hao)的(de)主要任務目(mu)標聚焦于(yu)4大方面的(de)“驗證”。“沒(mei)有試飛的(de)余地，首飛就要完成任務。”研(yan)制人員坦言壓力不小。
最大的難點來自于兩個航天器(qi)的協同工作。天舟一號要在(zai)空間實驗(yan)室的配(pei)合(he)下，除(chu)了驗(yan)證推(tui)進劑在(zai)軌補加技(ji)術(shu)，還要開展貨(huo)運飛(fei)船控制(zhi)組合(he)體(ti)、繞飛(fei)至前向(xiang)交會對接、快速交會對接等一系列試驗(yan)。
此(ci)外，貨運飛船的(de)功能(neng)和性能(neng)也將通過天(tian)舟(zhou)一(yi)號得到全面(mian)考核。而為最(zui)大限度發揮(hui)應用平臺效能(neng)，天(tian)舟(zhou)一(yi)號還支持開展(zhan)空(kong)間應用及(ji)技術試（實）驗，能(neng)夠(gou)實現“一(yi)次飛行、多方受益”的(de)目標(biao)。
開啟載人(ren)航天器型(xing)譜化設計
在我國航天界(jie)，“型譜(pu)化”的(de)(de)概念最早使用于運載(zai)(zai)(zai)火(huo)箭(jian)。公眾也(ye)許不會(hui)忘記，大(da)(da)約(yue)半年前，這一(yi)(yi)概念曾作為(wei)大(da)(da)型運載(zai)(zai)(zai)火(huo)箭(jian)長征(zheng)五(wu)號(hao)首飛的(de)(de)一(yi)(yi)大(da)(da)亮點被反(fan)復(fu)提(ti)及。正(zheng)是長征(zheng)五(wu)號(hao)的(de)(de)研制發射，為(wei)我國新(xin)一(yi)(yi)代運載(zai)(zai)(zai)火(huo)箭(jian)型譜(pu)化、系列化的(de)(de)發展奠定了(le)基礎。
然(ran)而在我(wo)國(guo)載人(ren)航天器設(she)計(ji)領域，盡(jin)管(guan)神舟系(xi)列飛(fei)船取得了11戰(zhan)11捷的優(you)異成績(ji)，是高度(du)安全、可靠、穩定的載人(ren)飛(fei)船，但(dan)其設(she)計(ji)理念并(bing)不能被稱為“型譜(pu)化”。
“并不是將已有不同規格(ge)的(de)同類產(chan)品簡單羅列、組合(he)，或者不斷(duan)改進現(xian)有產(chan)品特性、功能，就叫‘型(xing)(xing)譜(pu)化’。”航(hang)天專家朱毅麟曾專門厘清這(zhe)一(yi)概念的(de)定(ding)義，“真正的(de)‘型(xing)(xing)譜(pu)化’，是指(zhi)一(yi)個產(chan)品系列能滿足較長時期及一(yi)定(ding)范(fan)圍內的(de)全部使用(yong)要求。”
天(tian)舟系列貨(huo)(huo)運飛船就是符(fu)合(he)上(shang)述標準的(de)型譜化產(chan)品，由貨(huo)(huo)物(wu)艙和(he)推(tui)進艙兩艙結構組成(cheng)。其中，貨(huo)(huo)物(wu)艙裝載(zai)貨(huo)(huo)物(wu)和(he)設備(bei)，推(tui)進艙為貨(huo)(huo)運飛船提(ti)供電力能源、推(tui)進控制動力并(bing)裝載(zai)推(tui)進劑。
五院載人航天(tian)總(zong)體部研制團隊采用(yong)模(mo)塊(kuai)化(hua)思路，為貨(huo)運飛船設計了4種(zhong)模(mo)塊(kuai)。除公(gong)用(yong)的一體化(hua)設計的推進艙模(mo)塊(kuai)外，針對(dui)運輸貨(huo)物(wu)的不同(tong)類型和需求，貨(huo)運飛船可(ke)選用(yong)全(quan)密封貨(huo)物(wu)艙模(mo)塊(kuai)、半(ban)開放貨(huo)物(wu)艙模(mo)塊(kuai)或全(quan)開放貨(huo)物(wu)艙模(mo)塊(kuai)。
“模塊(kuai)化設計提(ti)高了貨(huo)運飛(fei)船的任務(wu)適應(ying)能力和任務(wu)拓(tuo)展度(du)，降低了研制周期和成(cheng)本，可以通(tong)過有限的飛(fei)行(xing)試驗快(kuai)速提(ti)高平臺可靠性。”黃震認為。
通過3種不同貨(huo)物艙模(mo)塊與推進(jin)艙模(mo)塊的(de)“搭積(ji)木”組合，天舟(zhou)系(xi)列貨(huo)運飛船全(quan)(quan)密封、半開放(fang)和全(quan)(quan)開放(fang)的(de)3種型譜就此形成。作為(wei)首(shou)發貨(huo)運飛船，天舟(zhou)一號被設(she)計為(wei)全(quan)(quan)密封型譜狀態。
“這(zhe)樣的(de)設計使以后(hou)運輸不(bu)同物資的(de)貨(huo)運飛船(chuan)之(zhi)間的(de)接口更(geng)加(jia)統一化和規范化，順應了載人(ren)航天(tian)器通(tong)用化、批量化、系列(lie)化發展(zhan)的(de)要求。”白明(ming)生說。
未來，3種型(xing)譜的貨運飛船分工明確。全密封(feng)貨運飛船主(zhu)(zhu)要用于運輸航天員消耗品、密封(feng)艙內設(she)備(bei)和試驗載(zai)荷，半開(kai)放(fang)貨運飛船可以(yi)滿足太陽電池翼(yi)等艙外物資的運輸需求(qiu)，而全開(kai)放(fang)貨運飛船則主(zhu)(zhu)要負責運載(zai)大型(xing)艙外貨物。
載人飛(fei)船(chuan)型譜化應(ying)用(yong)的成功典范要數(shu)俄羅斯的聯盟(meng)號系列飛(fei)船(chuan)。作為世界上最早且至今仍有效(xiao)運(yun)營的載人飛(fei)船(chuan)，聯盟(meng)號自上世紀(ji)60年代(dai)以來，經歷數(shu)次升級換(huan)代(dai)，衍生出多種適(shi)應(ying)不同任務(wu)需求的貨運(yun)飛(fei)船(chuan)型譜。
“我國(guo)載人航天(tian)工(gong)程起步(bu)(bu)雖晚，但起點高(gao)，具有(you)高(gao)可靠性和(he)安全性的設(she)(she)計(ji)。如今，我們(men)從天(tian)舟一(yi)號開始，邁(mai)出了載人航天(tian)器型譜(pu)化設(she)(she)計(ji)的第一(yi)步(bu)(bu)，這也是我們(men)空間(jian)站建設(she)(she)國(guo)際化的重要基礎。”天(tian)舟一(yi)號貨運飛(fei)船總指(zhi)揮(hui)金勇(yong)說。
打(da)造自主可控的數字空間站
空(kong)間站建設(she)是龐大且復(fu)雜的(de)(de)系統工程，其設(she)計者目(mu)光放(fang)得長遠。這一(yi)點在天舟一(yi)號(hao)貨運飛(fei)船的(de)(de)諸多細節方(fang)面得以窺見。
作為(wei)貨運(yun)飛船飛行(xing)驗(yan)證平臺的(de)天舟一號(hao)，首次大(da)(da)刀闊斧地使用了7大(da)(da)類(lei)、上百種(zhong)的(de)國(guo)產新研核心元器(qi)(qi)件，提前驗(yan)證空間站中所用的(de)關鍵元器(qi)(qi)件。
例如，此前載(zai)人飛船采用的是低壓(ya)供(gong)電(dian)(dian)，而(er)未來我(wo)國空間站(zhan)面臨更(geng)大載(zai)荷(he)和功率(lv)(lv)，必(bi)須采用100伏的高壓(ya)供(gong)電(dian)(dian)。為提(ti)高傳(chuan)輸效率(lv)(lv)，天舟一(yi)號(hao)采用了全新自主研制的國產100伏高壓(ya)器件。
首次在國(guo)內(nei)航天器上采(cai)用的(de)100伏厚膜電源(yuan)模塊被應用到了(le)整船(chuan)所有的(de)關鍵電子(zi)單機上，帶(dai)來的(de)改變不僅(jin)是整船(chuan)幾十公(gong)斤(jin)配電設備重量的(de)優化和各電子(zi)單機尺寸的(de)縮(suo)小，更重要的(de)是突(tu)破國(guo)外的(de)技術(shu)封(feng)鎖，加速(su)了(le)航天器核(he)心元器件設計(ji)的(de)國(guo)產化進程。
看似不大的(de)元(yuan)器件，背后(hou)牽扯的(de)系(xi)統工作卻千頭萬緒。每當說起具體細節(jie)，設(she)計(ji)師(shi)們愛用“一言難盡”來輕描淡寫攻關的(de)難。他們說，一想到未來空間站建設(she)的(de)關鍵命脈牢牢握在自(zi)己手中，“心(xin)里就不慌了”。
全三(san)維數字(zi)(zi)化(hua)(hua)設計也被淋漓(li)盡致地(di)應用(yong)到了貨運(yun)飛船(chuan)上(shang)。貨運(yun)飛船(chuan)立項之時(shi)，時(shi)值集團(tuan)公司開始進行型(xing)號(hao)數字(zi)(zi)化(hua)(hua)研(yan)制(zhi)的(de)嘗試。“天舟一號(hao)的(de)數字(zi)(zi)化(hua)(hua)研(yan)制(zhi)觸碰到了一個很好的(de)契機。”五院貨運(yun)飛船(chuan)數字(zi)(zi)化(hua)(hua)研(yan)制(zhi)團(tuan)隊成(cheng)員們感慨。
五院借此成(cheng)立(li)“全(quan)三維(wei)數(shu)字化協同設(she)計實驗室”，將正在孕育(yu)的天(tian)舟一號推上(shang)(shang)數(shu)字化之路。而放眼中國航天(tian)領(ling)域，全(quan)三維(wei)數(shu)字化設(she)計在新一代運載火箭上(shang)(shang)也普遍(bian)采用(yong)著。
對(dui)于(yu)數字(zi)化(hua)的優越(yue)性，設計(ji)師(shi)郭軍輝感觸(chu)最(zui)深。天舟一號整個貨物艙的電纜(lan)設計(ji)全(quan)部出(chu)自他之手。“以構型布局(ju)設計(ji)為例，按照(zhao)傳統的二(er)維圖紙模式，貨船(chuan)單艙段的設備布局(ju)需要(yao)單人用(yong)30天完(wan)成，而采用(yong)全(quan)三維數字(zi)化(hua)設計(ji)后，只需要(yao)15天。”郭軍輝說。
天(tian)舟一號(hao)從(cong)方案(an)設(she)計(ji)階(jie)段開始始終堅持數字化(hua)手段，打通了產品設(she)計(ji)、工(gong)藝、生產、裝配、檢驗、交付全(quan)過程的(de)信(xin)息流。設(she)計(ji)團隊通過探(tan)索基(ji)于三維模型的(de)協同(tong)設(she)計(ji)模式，顯(xian)著提高了航天(tian)器設(she)計(ji)效率和質量。
中國航天科技集團公司