2024年1月17日22時27分，我國用長征七號遙八中型運(yùn)載火箭成功發(fā)射了天舟七號貨運(yùn)飛船。這是2024年載人航天工程的第一次發(fā)射任務(wù)，也拉開了中國載人航天工程今年4次飛行任務(wù)的序幕。1月18日1時46分，天舟七號貨運(yùn)飛船成功對接于空間站“天和”核心艙后向端口，神舟十七號航天員乘組也順利收到了龍年春節(jié)的“年貨”。

從天舟一號試驗(yàn)之旅至今，已是7年光陰，“天舟”系列貨運(yùn)飛船化身勤勞的“太空快遞員”，承擔(dān)著為航天員運(yùn)送太空駐留物資，護(hù)衛(wèi)“天宮”的任務(wù)。今天，我們就來說說在探索宇宙的道路上，“天舟”為中國空間站的建造發(fā)展、航天員的太空科研工作所做出的重要貢獻(xiàn)，以及未來在貨運(yùn)飛船領(lǐng)域還有哪些奮斗目標(biāo)。

一流的“太空快遞”

由于我國正在運(yùn)行的大型空間站“天宮”要長期載3人在軌生活和工作，而“神舟”載人飛船每次滿載3人上天時只能攜帶300千克貨物，所以，我國研制和發(fā)射了每次能為空間站運(yùn)送7噸左右物資的“天舟”系列貨運(yùn)飛船。

2017年4月20日，我國首艘貨運(yùn)飛船天舟一號升空，與天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行交會對接，并開展了在軌加注等多項試驗(yàn)。從2021年至今年初，我國陸續(xù)發(fā)射了天舟二號至天舟七號貨運(yùn)飛船與空間站核心艙對接，為后續(xù)進(jìn)入太空的神舟十二號至神舟十八號乘組送去了大量所需物資。

由航天五院抓總研制的“天舟”系列貨運(yùn)飛船包括結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)分系統(tǒng)、制導(dǎo)導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)、測控與通信分系統(tǒng)和電源分系統(tǒng)等13個分系統(tǒng)。其研制充分借鑒了“天宮”空間實(shí)驗(yàn)室平臺和“神舟”載人飛船的一些技術(shù)，并針對貨運(yùn)的特色和留軌任務(wù)需求等進(jìn)行了一些創(chuàng)新設(shè)計。

“天舟”系列貨運(yùn)飛船由貨物艙和推進(jìn)艙組成。其中，貨物艙共有40個左右裝貨包的格子，縱向分為4個象限，橫向分為ABCD4層。每個貨包按坐標(biāo)編號查找，外包裝上有二維碼，掃描即可獲得貨物的產(chǎn)品信息。為了方便航天員快速查找，還設(shè)計了不同的色標(biāo)來區(qū)別各大系統(tǒng)的上行貨物。例如，食品貨包的色標(biāo)是綠色，空間站環(huán)控設(shè)備貨包的色標(biāo)是深藍(lán)色，乘員裝備貨包的色標(biāo)是淺藍(lán)色，實(shí)驗(yàn)用品用具貨包的色標(biāo)是紫色等。而新鮮果蔬使用的是一種特殊材質(zhì)的藍(lán)色包裝箱，箱子上有呼吸孔為果蔬保鮮，以盡可能地讓航天員品嘗到美味。

“天舟”系列貨運(yùn)飛船運(yùn)送的物資中有許多精密的儀器設(shè)備和航天員用品，為避免在發(fā)射過程中因受力出現(xiàn)磕碰，物品采用了“軟包裝”。研制團(tuán)隊針對貨物裝載需求，研發(fā)了適合太空旅行的特種殼聚糖纖維布。這是一種從螃蟹、蝦的甲殼中提取出抗菌成分，再利用特殊纖維紡織工藝生產(chǎn)出的布料，具有抗菌、防霉、阻燃、低揮發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，以及很好的承載能力。為了裝載效率更高，航天工程師還根據(jù)貨船的圓形艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計出了26種不同尺寸、不同形狀（包括梯形、楔形等）的貨包，每個貨包都會被類似飛機(jī)座椅的安全鎖扣固定，航天員單手就可以取下。

推進(jìn)艙負(fù)責(zé)為貨運(yùn)飛船提供電力能源、推進(jìn)控制動力并裝載推進(jìn)劑。每艘飛船的供電能力不小于2700瓦，可?？靠臻g站1年左右。為了滿足空間站的需求，“天舟”系列貨運(yùn)飛船有標(biāo)準(zhǔn)型（推進(jìn)艙有8個貯箱）和改進(jìn)型（推進(jìn)艙有4個貯箱）兩種技術(shù)狀態(tài)，可以根據(jù)空間站補(bǔ)加推進(jìn)劑上行的需求選用。天舟一號至天舟五號是標(biāo)準(zhǔn)型貨運(yùn)飛船，上行貨物運(yùn)輸能力為6.9噸；2023年發(fā)射的天舟六號和今年發(fā)射的天舟七號都是改進(jìn)型貨運(yùn)飛船，上行貨物運(yùn)輸能力為7.4噸，其貨物運(yùn)載能力是全世界現(xiàn)役貨運(yùn)飛船中最大的。

貨運(yùn)效率世界第一

“天舟”系列貨運(yùn)飛船在最大裝載狀態(tài)下重量達(dá)13.5噸，載貨比（所載貨物重量與貨運(yùn)飛船總重量之比）高達(dá)51%或53%，貨運(yùn)效率位居世界第一。因此，“天舟”是全球現(xiàn)役貨物運(yùn)輸能力最大、貨運(yùn)效率最高、在軌支持能力最全的貨運(yùn)飛船。

目前，我國把貨運(yùn)飛船發(fā)射頻次由2021年、2022年的2年4發(fā)降低至2年3發(fā)，每次上行貨物及載荷保障的周期為9個月左右，從而明顯提高了空間站工程綜合效益。比如，此次發(fā)射的天舟七號貨運(yùn)飛船進(jìn)行一次物資補(bǔ)給，就可以支持神舟十七號、十八號兩個航天員乘組在軌執(zhí)行任務(wù)。當(dāng)然，這也與我國空間站采用再生式生命保障系統(tǒng)有關(guān)?，F(xiàn)在我國空間站氧氣的再生能力已達(dá)到100%，水的再生能力達(dá)到95%，這種補(bǔ)給效率能讓上行載荷的重量大大降低。

天舟七號是我國第7艘貨運(yùn)飛船，也是“天舟”系列貨運(yùn)飛船與長征七號運(yùn)載火箭組成的空間站貨物運(yùn)輸系統(tǒng)的第6次應(yīng)用飛行，為確保任務(wù)圓滿成功，技術(shù)團(tuán)隊在保持技術(shù)狀態(tài)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。它攜帶的貨物多達(dá)263件，運(yùn)輸物資總重約5.6噸，具有裝載貨物種類多、大型貨物多等特點(diǎn)。

在大型貨物中，每件試驗(yàn)載荷定制貨包的重量都在100千克以上，將應(yīng)用于空間站在軌運(yùn)營、科學(xué)試驗(yàn)等方面，所搭載的多個科學(xué)載荷對后續(xù)空間探測也具有重要意義?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)載荷中有一種叫厭氧古菌，是地球上最古老的生命形式之一，將用于驗(yàn)證它在模擬火星環(huán)境中及宇宙輻射極端環(huán)境下能否生存，幫助人類探究是否存在外星生命這一重大謎題。此外，飛船還為航天員乘組運(yùn)送了2400千克生活物資，包括龍年春節(jié)“年貨”、新鮮果蔬大禮包等，僅新鮮水果就有將近90公斤，供航天員在太空中“暢吃”。

這次太空飛行，天舟七號上來了一位“新成員”——可在軌獨(dú)立更換熔斷器的新型供電插座。雖然它只有10厘米見方，但具備快速拆裝、插槽對位等多項在軌維修功能，對航天員在空間站的在軌用電大有助益。

另外，本次任務(wù)中空間應(yīng)用系統(tǒng)共計上行產(chǎn)品61件，用于開展空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)等33項科學(xué)實(shí)驗(yàn)，其中包括空間暴露環(huán)境下生命分子的光化學(xué)行為研究、極端環(huán)境微生物對空間暴露環(huán)境的耐受性及其機(jī)制研究、微重力半導(dǎo)體納米材料火焰合成機(jī)制研究等科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

3小時對接有望成常規(guī)方案

此次，天舟七號貨運(yùn)飛船與空間站的3小時對接方案，也是航天愛好者熱議的話題之一。

天舟七號貨運(yùn)飛船入軌后，首次采用了3小時快速交會對接方案，對接于空間站核心艙后向端口，形成組合體。相比常規(guī)6.5小時快速交會對接，3小時快速交會進(jìn)一步壓縮了對接時間，將“快遞”提升為“速運(yùn)”，自主靈活度更高，適應(yīng)范圍更廣，對地面系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)的依賴也更小。

據(jù)航天五院502所專家介紹，我國在交會對接方面先后在軌驗(yàn)證和實(shí)施了2天、6.5小時、2小時和3小時等交會對接方案。其中，除了2小時方案是我國技術(shù)人員在當(dāng)前技術(shù)條件下探索的一種極限可能性之外，其他幾種方案都是在技術(shù)發(fā)展不同時期務(wù)實(shí)選擇的最優(yōu)方案。

相較于6.5小時方案，3小時方案飛行時間短，可以減少航天員的飛行壓力，減少對電池燃料等的需要，提升了任務(wù)整體應(yīng)對故障的能力；相較于2小時方案，3小時方案飛行時間雖然稍長，節(jié)奏稍緩，但減輕了飛控團(tuán)隊的壓力。例如，天舟五號貨運(yùn)飛船采用的2小時方案雖然是目前最短的交會對接時長，但該方案對各方面保障條件要求較高。而3小時方案能夠減輕各系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中的壓力，它綜合考慮了運(yùn)載火箭系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)等多方要求，系統(tǒng)性減輕了運(yùn)載火箭入軌高精度的壓力，同時也削減了貨運(yùn)飛船自身的推進(jìn)劑消耗。

此次，天舟七號貨運(yùn)飛船成功“解鎖”3小時交會對接方案是隨著技術(shù)的成熟、經(jīng)驗(yàn)的積累，技術(shù)人員為下一階段交會對接任務(wù)實(shí)施創(chuàng)新探索的最優(yōu)解。3小時方案是2小時方案中“快”和6.5小時方案中“可靠”的結(jié)合體，該方案有望代替6.5小時方案成為新的交會對接基本模式。實(shí)際上，這也從一個側(cè)面反映出我國航天技術(shù)正在逐步成熟，技術(shù)人員可在更短的時間內(nèi)完成飛船和空間站相對位置的調(diào)整，使天舟七號貨運(yùn)飛船與空間站的遠(yuǎn)距離導(dǎo)引段縮短一個圈次，時長相應(yīng)縮減1.5小時，在近距離導(dǎo)引段，飛行流程則縮短了約2個小時。飛船飛行軌跡的調(diào)整，使得3小時方案比2小時方案抵御或克服不利條件的能力更強(qiáng)。

未來，我國還將研制可以運(yùn)回物品的貨運(yùn)飛船、能重復(fù)使用的貨運(yùn)飛船及小型商用貨運(yùn)飛船。例如，我國紫薇宇通科技有限公司已于2023年12月發(fā)射了試驗(yàn)小型商用貨運(yùn)飛船平臺技術(shù)的A10系列微型貨運(yùn)飛船；中科宇航公司的力箭二號火箭也將發(fā)射中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制的低成本貨運(yùn)飛船產(chǎn)品。由此可見，面向中國空間站低成本貨物運(yùn)輸系統(tǒng)“高承載、高效率、低成本”的三大核心需求，民營商業(yè)航天公司參與研制及發(fā)射任務(wù)，將對進(jìn)一步降低空間站上行貨物運(yùn)輸成本，增強(qiáng)上行貨物運(yùn)輸靈活性，提升我國航天領(lǐng)域的創(chuàng)新活力和市場競爭力發(fā)揮重要作用。

延伸閱讀

貨運(yùn)飛船為何受青睞

貨運(yùn)飛船是空間站的地面后勤保障系統(tǒng)，其主要任務(wù)有5項：一是為空間站補(bǔ)給推進(jìn)劑、氧氣等物資，以及運(yùn)送空間站需要維修和更換的設(shè)備，延長空間站的在軌飛行壽命；二是為空間站上的航天員運(yùn)送工作和生活用品，保障空間站航天員在軌中長期駐留和工作；三是為空間站運(yùn)送空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和用品，支持和保障空間站具備開展較大規(guī)模空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用的條件；四是支持開展適應(yīng)貨運(yùn)飛船能力的空間應(yīng)用和技術(shù)試驗(yàn)；五是配合空間站進(jìn)行組合體軌道和姿態(tài)控制，提升空間站的軌道高度，帶回空間站上的廢棄物受控隕落于預(yù)定區(qū)域大氣層燒毀。

因此，貨運(yùn)飛船一直被視為空間站運(yùn)行過程中的重要補(bǔ)給線。蘇聯(lián)、歐洲、日本、美國和中國先后研制了“進(jìn)步”“自動轉(zhuǎn)移飛行器”“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”“載貨龍”“天鵝座”和“天舟”等貨運(yùn)飛船，至今，全世界已發(fā)射200多艘貨運(yùn)飛船。

最早的貨運(yùn)飛船是從載人飛船演變而來的。在20世紀(jì)70年代，隨著蘇聯(lián)空間站的不斷發(fā)展，對運(yùn)貨量的要求也日益增加，于是蘇聯(lián)航天專家把“聯(lián)盟”載人飛船改裝成無人貨運(yùn)飛船。實(shí)踐證明，這種人貨分開的運(yùn)輸方式，既能增加貨物的運(yùn)載量，又能降低成本，還很安全。蘇聯(lián)改裝后的貨運(yùn)飛船稱為“進(jìn)步”，每次飛行可為空間站送去2噸多的物資。

歐洲的貨運(yùn)飛船叫做“自動轉(zhuǎn)移飛行器”，形狀像個大圓筒，運(yùn)貨能力為7噸；日本的貨運(yùn)飛船名為“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”，運(yùn)貨能力為6噸，這兩種貨運(yùn)飛船現(xiàn)均已退役。目前，美國有兩種商用貨運(yùn)飛船：美國太空探索技術(shù)公司研制的“載貨龍”飛船和美國軌道科學(xué)公司研制的“天鵝座”飛船。其中，“載貨龍”是世界上唯一可以運(yùn)回物品的貨運(yùn)飛船，因?yàn)樵擄w船帶有熱防護(hù)罩，能在返回時耐受極高溫安全降落，而其他飛船不具有熱防護(hù)罩，再入地球大氣層時會被燒毀。第一代“載貨龍”采用機(jī)械臂輔助對接方式，運(yùn)貨能力最大為3噸多，返回載荷能力最大為2噸多，目前使用的第二代“載貨龍”運(yùn)貨能力增至6噸，并改用了自動對接方式。

“天舟”系列貨運(yùn)飛船發(fā)射記錄

2017年4月20日 天舟一號成功發(fā)射

2021年5月29日 天舟二號成功發(fā)射

2021年9月20日 天舟三號成功發(fā)射

2022年5月10日 天舟四號成功發(fā)射

2022年11月12日 天舟五號成功發(fā)射

2023年5月10日 天舟六號成功發(fā)射

2024年1月17日 天舟七號成功發(fā)射

（作者為全國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）