2024年1月17日22時27分，我國用長征七號遙八中型運載火箭成功發(fā)射了天舟七號貨運飛船。這是2024年載人航天工程的第一次發(fā)射任務，也拉開了中國載人航天工程今年4次飛行任務的序幕。1月18日1時46分，天舟七號貨運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”。

從天舟一號試驗之旅至今，已是7年光陰，“天舟”系列貨運飛船化身勤勞的“太空快遞員”，承擔著為航天員運送太空駐留物資，護衛(wèi)“天宮”的任務。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，以及未來在貨運飛船領域還有哪些奮斗目標。

一流的“太空快遞”

由于我國正在運行的大型空間站“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送7噸左右物資的“天舟”系列貨運飛船。

2017年4月20日，我國首艘貨運飛船天舟一號升空，與天宮二號空間實驗室進行交會對接，并開展了在軌加注等多項試驗。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飛船與空間站核心艙對接，為后續(xù)進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”系列貨運飛船包括結構與機構分系統(tǒng)、制導導航與控制分系統(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”空間實驗室平臺和“神舟”載人飛船的一些技術，并針對貨運的特色和留軌任務需求等進行了一些創(chuàng)新設計。

“天舟”系列貨運飛船由貨物艙和推進艙組成。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。每個貨包按坐標編號查找，外包裝上有二維碼，掃描即可獲得貨物的產品信息。為了方便航天員快速查找，還設計了不同的色標來區(qū)別各大系統(tǒng)的上行貨物。例如，食品貨包的色標是綠色，空間站環(huán)控設備貨包的色標是深藍色，乘員裝備貨包的色標是淺藍色，實驗用品用具貨包的色標是紫色等。而新鮮果蔬使用的是一種特殊材質的藍色包裝箱，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”系列貨運飛船運送的物資中有許多精密的儀器設備和航天員用品，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出的布料，具有抗菌、防霉、阻燃、低揮發(fā)等優(yōu)點，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)貨船的圓形艙體結構設計出了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座椅的安全鎖扣固定，航天員單手就可以取下。

推進艙負責為貨運飛船提供電力能源、推進控制動力并裝載推進劑。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”系列貨運飛船有標準型（推進艙有8個貯箱）和改進型（推進艙有4個貯箱）兩種技術狀態(tài)，可以根據(jù)空間站補加推進劑上行的需求選用。天舟一號至天舟五號是標準型貨運飛船，上行貨物運輸能力為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型貨運飛船，上行貨物運輸能力為7.4噸，其貨物運載能力是全世界現(xiàn)役貨運飛船中最大的。

貨運效率世界第一

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

目前，我國把貨運飛船發(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)射的天舟七號貨運飛船進行一次物資補給，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。當然，這也與我國空間站采用再生式生命保障系統(tǒng)有關?，F(xiàn)在我國空間站氧氣的再生能力已達到100%，水的再生能力達到95%，這種補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艘貨運飛船，也是“天舟”系列貨運飛船與長征七號運載火箭組成的空間站貨物運輸系統(tǒng)的第6次應用飛行，為確保任務圓滿成功，技術團隊在保持技術狀態(tài)穩(wěn)定的基礎上，對其進行了優(yōu)化改進。它攜帶的貨物多達263件，運輸物資總重約5.6噸，具有裝載貨物種類多、大型貨物多等特點。

在大型貨物中，每件試驗載荷定制貨包的重量都在100千克以上，將應用于空間站在軌運營、科學試驗等方面，所搭載的多個科學載荷對后續(xù)空間探測也具有重要意義?？茖W實驗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，本次任務中空間應用系統(tǒng)共計上行產品61件，用于開展空間生命科學、空間材料科學、微重力流體物理與燃燒科學等33項科學實驗，其中包括空間暴露環(huán)境下生命分子的光化學行為研究、極端環(huán)境微生物對空間暴露環(huán)境的耐受性及其機制研究、微重力半導體納米材料火焰合成機制研究等科學實驗。

3小時對接有望成常規(guī)方案

此次，天舟七號貨運飛船與空間站的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小時快速交會進一步壓縮了對接時間，將“快遞”提升為“速運”，自主靈活度更高，適應范圍更廣，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證和實施了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人員在當前技術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發(fā)展不同時期務實選擇的最優(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，提升了任務整體應對故障的能力；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，但減輕了飛控團隊的壓力。例如，天舟五號貨運飛船采用的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)行任務過程中的壓力，它綜合考慮了運載火箭系統(tǒng)、空間站系統(tǒng)等多方要求，系統(tǒng)性減輕了運載火箭入軌高精度的壓力，同時也削減了貨運飛船自身的推進劑消耗。

此次，天舟七號貨運飛船成功“解鎖”3小時交會對接方案是隨著技術的成熟、經驗的積累，技術人員為下一階段交會對接任務實施創(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。實際上，這也從一個側面反映出我國航天技術正在逐步成熟，技術人員可在更短的時間內完成飛船和空間站相對位置的調整，使天舟七號貨運飛船與空間站的遠距離導引段縮短一個圈次，時長相應縮減1.5小時，在近距離導引段，飛行流程則縮短了約2個小時。飛船飛行軌跡的調整，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。

未來，我國還將研制可以運回物品的貨運飛船、能重復使用的貨運飛船及小型商用貨運飛船。例如，我國紫薇宇通科技有限公司已于2023年12月發(fā)射了試驗小型商用貨運飛船平臺技術的A10系列微型貨運飛船；中科宇航公司的力箭二號火箭也將發(fā)射中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制的低成本貨運飛船產品。由此可見，面向中國空間站低成本貨物運輸系統(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，將對進一步降低空間站上行貨物運輸成本，增強上行貨物運輸靈活性，提升我國航天領域的創(chuàng)新活力和市場競爭力發(fā)揮重要作用。

延伸閱讀

貨運飛船為何受青睞

貨運飛船是空間站的地面后勤保障系統(tǒng)，其主要任務有5項：一是為空間站補給推進劑、氧氣等物資，以及運送空間站需要維修和更換的設備，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；三是為空間站運送空間科學實驗設備和用品，支持和保障空間站具備開展較大規(guī)模空間科學實驗與應用的條件；四是支持開展適應貨運飛船能力的空間應用和技術試驗；五是配合空間站進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定區(qū)域大氣層燒毀。

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

最早的貨運飛船是從載人飛船演變而來的。在20世紀70年代，隨著蘇聯(lián)空間站的不斷發(fā)展，對運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飛船。實踐證明，這種人貨分開的運輸方式，既能增加貨物的運載量，又能降低成本，還很安全。蘇聯(lián)改裝后的貨運飛船稱為“進步”，每次飛行可為空間站送去2噸多的物資。

歐洲的貨運飛船叫做“自動轉移飛行器”，形狀像個大圓筒，運貨能力為7噸；日本的貨運飛船名為“H-2轉移飛行器”，運貨能力為6噸，這兩種貨運飛船現(xiàn)均已退役。目前，美國有兩種商用貨運飛船：美國太空探索技術公司研制的“載貨龍”飛船和美國軌道科學公司研制的“天鵝座”飛船。其中，“載貨龍”是世界上唯一可以運回物品的貨運飛船，因為該飛船帶有熱防護罩，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罩，再入地球大氣層時會被燒毀。第一代“載貨龍”采用機械臂輔助對接方式，運貨能力最大為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”運貨能力增至6噸，并改用了自動對接方式。

“天舟”系列貨運飛船發(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首席科學傳播專家）