中央紀(jì)委國家監(jiān)委網(wǎng)站訊 最近，中國空間站引起全球關(guān)注。神舟十二號(hào)飛船剛剛攜帶3名航天員返回地球，神舟十三號(hào)便已準(zhǔn)備就緒，近期將再次搭載三名航天員抵達(dá)空間站。
兵馬未動(dòng)，糧草先行。9月20日，滿載貨物的天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船先一步駛?cè)胩?，成功?duì)接空間站天和核心艙后向端口，這是我們向空間站送來的第二批太空“包裹”。作為“宇宙級(jí)網(wǎng)紅快遞”，天舟系列貨運(yùn)飛船的主要作用是為中國空間站在軌運(yùn)行期間提供補(bǔ)給支持。整個(gè)天舟家族目前除了已經(jīng)發(fā)射的天舟二號(hào)、天舟三號(hào)，還有尚未發(fā)射的天舟四號(hào)和天舟五號(hào)。
與天舟二號(hào)相比，天舟三號(hào)在裝載能力以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試流程等多個(gè)方面都進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，展現(xiàn)出我國航天領(lǐng)域的強(qiáng)大技術(shù)實(shí)力。天舟三號(hào)具備哪些優(yōu)秀性能？每項(xiàng)技術(shù)優(yōu)化升級(jí)的背后有哪些我們所不知道的原因？未來的天舟飛船又會(huì)有哪些不同？圍繞相關(guān)問題，國慶節(jié)前夕，記者采訪了中國航天科技集團(tuán)五院貨運(yùn)飛船系統(tǒng)總體副主任設(shè)計(jì)師雷劍宇。
天舟三號(hào)裝載的貨包數(shù)量增加了25%，但運(yùn)送物資的總重量卻減輕了約1.5噸
記者：這次天舟三號(hào)給中國空間站帶去了豐富的物質(zhì)。除了可支持3名航天員在軌6個(gè)月的生活物資，還有空間站備份設(shè)備和空間科學(xué)載荷。后兩者大家可能不是很熟悉，您能否給我們介紹一下。
雷劍宇：按照我們的設(shè)計(jì)，中國空間站在軌飛行的時(shí)間至少要達(dá)到10年。為了保證空間站長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行，空間站艙內(nèi)及艙外大概有100到200臺(tái)的重要設(shè)備是有備份的。特別是艙內(nèi)的一些關(guān)鍵設(shè)備，比如計(jì)算機(jī)、配電設(shè)備、平臺(tái)設(shè)備等，都是可更換、可維修的。可以說，空間站的一個(gè)重要特點(diǎn)就是具備可維修性。我們通過可維修性技術(shù)來提高空間站的在軌壽命，降低制造成本。
根據(jù)重要程度，我們給這些關(guān)鍵設(shè)備劃分了等級(jí)，然后利用天舟貨運(yùn)飛船將對(duì)應(yīng)的維修備用件分批運(yùn)上去。天舟三號(hào)帶上去的這些配件，目前還用不著，只是存放在空間站里面，等以后如果哪個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，我們?cè)侔阉鎿Q掉。
空間科學(xué)載荷是指航天系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)某種特定任務(wù)的儀器、設(shè)備、樣本及試件等，我們也會(huì)上行一些實(shí)驗(yàn)輔助裝置，完善我們?cè)谲墝?shí)驗(yàn)的條件。
記者：神舟十三號(hào)三位航天員在軌時(shí)間是6個(gè)月，比上一批多了3個(gè)月，天舟三號(hào)帶上去的駐留物資相應(yīng)也變多。在火箭運(yùn)載能力有限制的情況下，我們?nèi)绾伪ＷC飛船不超重？
雷劍宇：天舟三號(hào)的發(fā)射重量約12噸，運(yùn)送物資約5.6噸，和天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船相比，在攜帶的生活工作物資有所增加的情況下，運(yùn)送物資的總重量反而減輕了約1.5噸。為什么呢？主要是因?yàn)樘熘廴?hào)貨運(yùn)飛船攜帶的補(bǔ)加推進(jìn)劑變少了，整整減少了四個(gè)推進(jìn)劑貯箱。
攜帶推進(jìn)劑的目的，主要是給空間站補(bǔ)充燃料。我們的空間站在穩(wěn)定運(yùn)行后采用了電推進(jìn)的方式，對(duì)常規(guī)推進(jìn)劑的需求量沒有那么多了，所以我們就決定多帶貨、少帶推進(jìn)劑。
和天舟二號(hào)相比，天舟三號(hào)的整船裝載密度更大，裝載的貨包數(shù)量增加了25%。四個(gè)推進(jìn)劑貯箱被減掉之后，就有一部分非密封的空間空了出來，因此我們?cè)诤罄m(xù)研制的貨運(yùn)飛船的空間利用上做了一些優(yōu)化，把這部分空間加到了密封空間里去，這樣密封艙內(nèi)的貨物運(yùn)輸量就變大了。因?yàn)楹教靻T生活物資、實(shí)驗(yàn)載荷大部分都是放在密封艙里面的，這部分需求目前最為迫切。
記者：天舟系列貨運(yùn)飛船被大家形象地稱為“太空快遞”。眾所周知，我國的物流發(fā)展水平全球領(lǐng)先?！疤湛爝f”在貨物裝載和分揀上是否有借鑒地面物流業(yè)的一些成熟經(jīng)驗(yàn)？
雷劍宇：空間站的貨物管理確實(shí)借鑒了一些地面的先進(jìn)物流技術(shù)。比如天舟一次會(huì)運(yùn)送好幾噸的貨物上去，這么多的貨物，航天員怎么才能快速準(zhǔn)確地知道它們都是什么、用在哪里、放在哪里，答案就是我們應(yīng)用了一個(gè)RFID無線射頻識(shí)別系統(tǒng)，航天員可以通過掃描貨箱上的二維碼，獲得貨物的產(chǎn)品信息和位置信息。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以對(duì)產(chǎn)品信息的庫存數(shù)量做到動(dòng)態(tài)掌控，輔助航天員在軌時(shí)對(duì)貨物進(jìn)行盤點(diǎn)。
由于太空和地面使用環(huán)境存在很大差異，因此很多地面上先進(jìn)的物流技術(shù)并不能簡單復(fù)制到空間站，我們的應(yīng)用態(tài)度十分審慎。比如空間站外殼基本上是一個(gè)全金屬的結(jié)構(gòu)，一些無線設(shè)備上去，可能會(huì)對(duì)空間站運(yùn)行帶來干擾。
記者：在天舟三號(hào)上天前，天舟二號(hào)飛船從空間站天和核心艙后向端口繞飛至節(jié)點(diǎn)艙上的前向端口，為天舟三號(hào)與核心艙對(duì)接騰出了位置。為什么我們不讓天舟三號(hào)直接對(duì)接到前向端口上？
雷劍宇：正常情況下，貨船還是會(huì)對(duì)接在后向端口上的，或者說，后向端口是天舟飛船的主對(duì)接口。這樣，航天員進(jìn)入空間站后可以更方便地從天和核心艙的后門進(jìn)入天舟三號(hào)艙內(nèi)，貨物轉(zhuǎn)運(yùn)也更加方便。
此外，我們要盡可能利用天舟二號(hào)開展空間站建造涉及的關(guān)鍵技術(shù)先期驗(yàn)證，為空間站后續(xù)任務(wù)掃清障礙。比如天舟二號(hào)此次在前向?qū)佣丝陂_展機(jī)械臂轉(zhuǎn)位試驗(yàn)，就是提前驗(yàn)證機(jī)械臂轉(zhuǎn)位實(shí)驗(yàn)艙這一關(guān)鍵技術(shù)。
后續(xù)天舟四號(hào)上去，天舟三號(hào)也要轉(zhuǎn)到前面去，給天舟四號(hào)挪位置。那個(gè)時(shí)候，天舟二號(hào)任務(wù)完成，就會(huì)自動(dòng)脫離空間站，墜入地球大氣層銷毀。
航天員更喜歡在貨運(yùn)飛船里待著，因?yàn)樨浥摽臻g相對(duì)寬敞
記者：相較于天舟二號(hào)，天舟三號(hào)進(jìn)行了哪些系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)？
雷劍宇：首先是我們根據(jù)空間站的實(shí)際需求，對(duì)推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行了動(dòng)態(tài)配置。這是為了提升整個(gè)平臺(tái)的效益，降低平臺(tái)重量。
其次是我們對(duì)交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，將分體式激光雷達(dá)升級(jí)為一體組合式激光雷達(dá)，因?yàn)橐惑w組合式的重量更輕，體型更小。同時(shí)，我們還直接減配了原有的微波雷達(dá)。微波雷達(dá)原本主要作為交會(huì)對(duì)接遠(yuǎn)距離相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的一個(gè)應(yīng)急備用。我國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)建成之后，飛船遠(yuǎn)距離相對(duì)導(dǎo)航主要靠北斗系統(tǒng)。通過天舟一號(hào)、天舟二號(hào)幾次的在軌飛行驗(yàn)證，我國北斗系統(tǒng)的制導(dǎo)精度高、可靠性好，遠(yuǎn)距離相對(duì)導(dǎo)航安全有保障，因此可以取消微波雷達(dá)。
此外，我們還對(duì)制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)的控制器硬件進(jìn)行了性能升級(jí)，計(jì)算能力大幅提升，控制器軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)了多項(xiàng)功能，進(jìn)一步提高了飛船在復(fù)雜工況下的全自主能力。
記者：天舟三號(hào)在?？科陂g具備并網(wǎng)供電能力，可以為空間站提供供電支持。為什么天舟三號(hào)要設(shè)計(jì)這樣一個(gè)功能呢？
雷劍宇：空間站工程是一個(gè)大系統(tǒng)，包括核心艙、實(shí)驗(yàn)艙、神舟飛船和天舟貨運(yùn)飛船。這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)在軌道上飛行，過程中不可避免會(huì)存在太陽翼帆板陽光被遮擋的問題，這會(huì)讓航天器的供電能力暫時(shí)無法滿足特定工作模式的用電需求。因此，就需要其他航天器對(duì)其進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)互幫互助。
目前，天舟貨運(yùn)飛船和核心艙之間是100伏的雙向高壓并網(wǎng)供電模式，核心艙能為貨運(yùn)飛船提供最高2000瓦的供電，貨運(yùn)飛船也能為核心艙提供1000瓦左右的電力。
特別是現(xiàn)在，我們的核心艙還處在“裝修”階段，空間站的用電相對(duì)來說是比較緊張的，因此飛船給空間站供電就十分必要。因?yàn)轱w船后期大部分的平臺(tái)設(shè)備都處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，不需要工作了。這種情況下，船體的電力消耗比較小，但太陽能板發(fā)的電還和以前一樣，沒有減少，所以我們就可以把多余的電能通過并網(wǎng)的手段傳輸給空間站，相當(dāng)于是一個(gè)互通有無、資源共享的設(shè)計(jì)。
記者：持續(xù)提高元器件國產(chǎn)化率是天舟三號(hào)的一個(gè)顯著任務(wù)特點(diǎn)。您可否簡單介紹一下這方面的情況？
雷劍宇：天舟三號(hào)在充分繼承天舟二號(hào)貨運(yùn)飛船研制和飛行成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，簡化了平臺(tái)配置，推動(dòng)元器件自主可控，核心電子元器件基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化。同時(shí)，國產(chǎn)化也是逐步實(shí)現(xiàn)的，一些不是核心的卡脖子的元器件，來源又非常穩(wěn)定，使用量又極少，要在國內(nèi)重新開一條生產(chǎn)線的話，其實(shí)是不經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)然，對(duì)于核心元器件的生產(chǎn)研制技術(shù)，我們是必須掌握的。
記者：天舟系列貨運(yùn)飛船在研制過程中，有哪些地方是您覺得比較困難的？
雷劍宇：天舟系列從2011年立項(xiàng)至今，整個(gè)發(fā)展過程我都有幸參與了。我個(gè)人感覺，天舟在設(shè)計(jì)過程中最大的難點(diǎn)就是它的任務(wù)類型非常多，對(duì)綜合任務(wù)能力的要求很高。在實(shí)現(xiàn)這么多任務(wù)的前提下，要把運(yùn)輸效率做到全球最高，是很難的。
此外，貨運(yùn)飛船和常規(guī)航天器存在巨大區(qū)別的一點(diǎn)是它的質(zhì)量特性是動(dòng)態(tài)變化的。密封貨物艙內(nèi)裝載的貨物和推進(jìn)艙攜帶的推進(jìn)劑之間的配比可能變化很大。此外，它所裝載的貨物類型也各式各樣，不是固定的。這需要貨運(yùn)飛船在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上具備很強(qiáng)的適應(yīng)能力。為此，我們圍繞天舟的高效輕量化結(jié)構(gòu)開展了系列技術(shù)攻關(guān)，包括它的貨架/主結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)以及一些極限邊界工況力學(xué)實(shí)驗(yàn)等等。
很多人以為貨運(yùn)飛船只是一個(gè)“貨船”，但實(shí)際上，在國際空間站航天員喜歡在貨運(yùn)飛船里面待著，因?yàn)樨浥摰目臻g相對(duì)寬敞。建造階段，天舟三號(hào)里面堆滿了東西，等到運(yùn)營階段，空間壓力就小多了，過道就能空出來，航天員是可以較長時(shí)間待在里面的。所以天舟內(nèi)部的空氣、濕度、溫度等也是需要有保證的，由空間站統(tǒng)一控制，標(biāo)準(zhǔn)與神舟是一致的。
建設(shè)時(shí)期貨物上行需求是最大的，維護(hù)階段發(fā)射頻次會(huì)降低
記者：從天舟三號(hào)開始，我們的貨運(yùn)飛船就進(jìn)入到批組生產(chǎn)的模式。您能簡單介紹一下這種模式嗎？它有哪些優(yōu)勢？
雷劍宇：批組生產(chǎn)首先是統(tǒng)一生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，包括在系統(tǒng)層面統(tǒng)一技術(shù)要求、統(tǒng)一驗(yàn)收要求、統(tǒng)一質(zhì)量要求，在單機(jī)層面統(tǒng)一方案設(shè)計(jì)、統(tǒng)一產(chǎn)品備料、統(tǒng)一技術(shù)狀態(tài)管理。首先總體層面對(duì)飛船的技術(shù)狀態(tài)、設(shè)計(jì)狀態(tài)進(jìn)行固化。每艘船可能會(huì)略有差異，但我們會(huì)把這些差異識(shí)別出來，形成一個(gè)統(tǒng)一設(shè)計(jì)方案。
接下來，分系統(tǒng)以及單機(jī)單位就可以在一個(gè)統(tǒng)一的狀態(tài)和基線下面開展研制，效率會(huì)更高，生產(chǎn)成本也會(huì)相應(yīng)減少。
現(xiàn)在我們的飛船生產(chǎn)模式，被稱為“A+B”模式，A就是固定的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)，B就是我們針對(duì)每一次不同的任務(wù)，會(huì)對(duì)具體某一方面進(jìn)行補(bǔ)充性要求或針對(duì)性改進(jìn)。
記者：我們的空間站要長期在軌運(yùn)行，后續(xù)應(yīng)該還會(huì)需要我們的“太空快遞”送貨上去。隨著空間站任務(wù)階段的變化，天舟飛船之后的發(fā)射頻次會(huì)不會(huì)也有一些變化？
雷劍宇：按照目前的規(guī)劃，后續(xù)天舟飛船的發(fā)射頻次應(yīng)該沒有現(xiàn)在這么密集。因?yàn)槟壳拔覀冊(cè)谔盏倪@個(gè)“房子”，也就是我們的空間站還處于關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證、“裝修”和建造階段，很多維修備件需要在這個(gè)時(shí)候集中運(yùn)上去，所以貨物上行的需求是最大的。
現(xiàn)在，我們基本保持著“一年兩發(fā)”的發(fā)射頻率。我個(gè)人感覺，以后，我們的“房子”造好后，進(jìn)入長期維護(hù)階段，貨物運(yùn)送量就會(huì)變小，主要就是一些航天員的在軌駐留物資以及實(shí)驗(yàn)載荷，發(fā)射的頻次會(huì)略有下降。當(dāng)然，我們貨運(yùn)飛船升級(jí)擴(kuò)容、任務(wù)拓展之后，發(fā)射頻度會(huì)有比較明顯的下降。
記者：目前天舟送貨都是單向上行，以后是否可能會(huì)出現(xiàn)“送去帶回”這種雙向運(yùn)送的貨船？
雷劍宇：就我們目前的技術(shù)水平來說，“送貨上去再帶貨下來”是完全可以做到的，但我們首先需要考慮它的經(jīng)濟(jì)性。需要根據(jù)從太空帶回來的高價(jià)值產(chǎn)物的量來設(shè)計(jì)我們的貨物下行能力。
就貨運(yùn)飛船來說，如果增加了貨物下行的設(shè)計(jì)，上行的效率必然會(huì)降低。因?yàn)槟憧次覀円酝l(fā)射的具有返回功能的航天器，基本都是一個(gè)倒錐形的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)決定了貨船的艙內(nèi)容積在同等重量下會(huì)明顯減小。假設(shè)我們的貨船現(xiàn)在一次能帶7噸的東西，改成返回式之后，可能就只能帶2噸多的東西，上行帶貨量相當(dāng)于減少了三分之二。
現(xiàn)階段，因?yàn)樯裰巯盗休d人飛船本身已經(jīng)有一部分的下行能力，所以當(dāng)我們的太空實(shí)驗(yàn)室的下行需求，包括它的高價(jià)值產(chǎn)物不是特別多的時(shí)候，是不需要貨船來專門向地球運(yùn)送的，神州飛船就可以勝任。隨著空間站的建成運(yùn)營，高價(jià)值的產(chǎn)物會(huì)越來越多，因此我們也在設(shè)計(jì)新型返回式貨運(yùn)飛船，大幅增加下行運(yùn)力。
當(dāng)然，很多人可能會(huì)暢想未來我們是否有可能利用外太空的資源，這可能是我們更長遠(yuǎn)的未來的一個(gè)奮斗目標(biāo)。
