發布時間：2018-04-28
4月(yue)20日晚，中國航天人(ren)在(zai)天地間搭建起(qi)運輸(shu)“走廊”。
按照我國(guo)載人(ren)航(hang)天(tian)工程(cheng)“三步走(zou)”戰略(lve)，由中國(guo)航(hang)天(tian)科(ke)技集團公司抓總研制的貨(huo)運飛船是載人(ren)空(kong)間(jian)站工程(cheng)的重要組成部分。伴隨我國(guo)首艘(sou)貨(huo)運飛船天(tian)舟(zhou)一號的發(fa)射入軌，空(kong)間(jian)站建(jian)設和長期(qi)在軌運營成為可(ke)能。
首艘貨運飛船聚焦4方面驗證
天(tian)舟(zhou)系列貨運飛(fei)(fei)船是(shi)為載人航天(tian)工程全新(xin)研制(zhi)的航天(tian)器。天(tian)舟(zhou)一(yi)號的研制(zhi)者(zhe)們沒(mei)有一(yi)味追求(qiu)飛(fei)(fei)船總重(zhong)量或貨物重(zhong)量單方(fang)面的高數(shu)值，而是(shi)根據未來空(kong)間(jian)站實際規(gui)模和任務需求(qiu)，打造了一(yi)個(ge)“規(gui)模適度”的貨運飛(fei)(fei)船。
雖(sui)然是首飛(fei)(fei)型號，設計人員(yuan)對貨運飛(fei)(fei)船(chuan)技術指標的(de)(de)自我要(yao)求卻極為苛(ke)刻(ke)。貨運飛(fei)(fei)船(chuan)的(de)(de)載貨比(bi)達到0.48，這是一個世界現役貨運飛(fei)(fei)船(chuan)均未(wei)企及的(de)(de)數(shu)值。
可是(shi)，為什么要建造這樣一艘“很能裝貨但載不(bu)了人”的飛船呢？
“未(wei)來，我國(guo)要建造長期有人照料的(de)空間(jian)站(zhan)，航天員在太空需(xu)要生活、工作物資，空間(jian)站(zhan)運轉需(xu)要推進(jin)劑補(bu)給(gei)，廢棄物也需(xu)要被(bei)帶回(hui)大氣層(ceng)燒毀(hui)。”天舟一號貨(huo)運飛船總設計師白(bai)明生解釋。
取決于這樣的(de)需求，貨(huo)運飛(fei)船的(de)主要任(ren)務被(bei)我國載(zai)人航天工(gong)程的(de)建設者們嚴謹地(di)明(ming)確為(wei)(wei)：“為(wei)(wei)空(kong)間(jian)(jian)站(zhan)（空(kong)間(jian)(jian)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室）上行(xing)運輸和(he)在軌(gui)存(cun)儲(chu)、補(bu)給物(wu)資；為(wei)(wei)空(kong)間(jian)(jian)站(zhan)（空(kong)間(jian)(jian)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室）存(cun)儲(chu)和(he)下行(xing)廢棄物(wu)資并(bing)受控(kong)隕落于預定區域；配合空(kong)間(jian)(jian)站(zhan)（空(kong)間(jian)(jian)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)室）進(jin)行(xing)組合體軌(gui)道和(he)姿態控(kong)制；支持開(kai)展(zhan)適應貨(huo)運飛(fei)船能(neng)力的(de)空(kong)間(jian)(jian)應用和(he)技術試(shi)驗(yan)(yan)。”
“通(tong)俗點(dian)來說，貨(huo)運飛船的(de)任務就(jiu)是(shi)運貨(huo)、加油和開(kai)展相應試(shi)驗(yan)。”五(wu)院載人航(hang)天總體部研究室(shi)主(zhu)任黃震言簡意賅地概括道。
區別于我(wo)國(guo)后續正式(shi)投入運營的貨運飛(fei)(fei)船，作為(wei)“先行(xing)者”，此(ci)次天舟一號的主(zhu)要任務目標聚焦于4大方面的“驗證”。“沒(mei)有試飛(fei)(fei)的余地，首(shou)飛(fei)(fei)就要完(wan)成任務。”研制人員坦言(yan)壓力不小。
最(zui)大的難點來自(zi)于兩個航(hang)天(tian)器的協(xie)同工作。天(tian)舟(zhou)一(yi)號要在空(kong)間實驗室的配合下(xia)，除了驗證(zheng)推進劑在軌補加技術，還要開展(zhan)貨運飛船控制組合體(ti)、繞飛至前向交會(hui)對(dui)接、快速交會(hui)對(dui)接等一(yi)系列試驗。
此外，貨(huo)運飛船的功能(neng)(neng)和性能(neng)(neng)也將(jiang)通過天(tian)舟一號(hao)得到全面考核(he)。而為最(zui)大(da)限度發(fa)揮應用平臺效(xiao)能(neng)(neng)，天(tian)舟一號(hao)還支持開(kai)展空間(jian)應用及技(ji)術試（實(shi)）驗，能(neng)(neng)夠實(shi)現“一次飛行(xing)、多(duo)方受益”的目標。
開啟(qi)載人航天器型譜化設(she)計(ji)
在我國航天界，“型(xing)譜(pu)化”的概念(nian)最早使用于運載(zai)火箭(jian)(jian)。公眾也(ye)許不會忘記，大約半(ban)年前，這(zhe)一(yi)概念(nian)曾(ceng)作為大型(xing)運載(zai)火箭(jian)(jian)長征(zheng)五號首飛的一(yi)大亮點被(bei)反(fan)復提(ti)及。正是長征(zheng)五號的研制發(fa)射，為我國新一(yi)代運載(zai)火箭(jian)(jian)型(xing)譜(pu)化、系列化的發(fa)展(zhan)奠定(ding)了(le)基礎。
然而在我國載人航天器(qi)設計領(ling)域(yu)，盡管神舟系列(lie)飛船取得了11戰11捷的優異成(cheng)績，是高(gao)度安全(quan)、可靠、穩(wen)定的載人飛船，但其設計理(li)念并不能被稱為“型譜化”。
“并(bing)不是(shi)將已有不同規格的(de)同類產品(pin)簡單(dan)羅列、組合，或者不斷改進現有產品(pin)特(te)性、功能(neng)，就叫‘型(xing)譜(pu)化’。”航天專(zhuan)家朱毅(yi)麟曾專(zhuan)門厘(li)清這一概念的(de)定義，“真正(zheng)的(de)‘型(xing)譜(pu)化’，是(shi)指一個產品(pin)系列能(neng)滿足較長(chang)時期(qi)及一定范圍內的(de)全(quan)部使用要求(qiu)。”
天舟系(xi)列貨(huo)運飛船就是符合上述標準的(de)型譜化產品(pin)，由貨(huo)物(wu)艙(cang)和(he)推(tui)進(jin)(jin)艙(cang)兩艙(cang)結構組(zu)成(cheng)。其中，貨(huo)物(wu)艙(cang)裝載(zai)貨(huo)物(wu)和(he)設備(bei)，推(tui)進(jin)(jin)艙(cang)為貨(huo)運飛船提供(gong)電力能(neng)源、推(tui)進(jin)(jin)控制(zhi)動力并裝載(zai)推(tui)進(jin)(jin)劑。
五(wu)院載人航天總(zong)體部研制(zhi)團隊采用(yong)模(mo)塊(kuai)化思路，為(wei)貨(huo)運(yun)(yun)飛船設(she)計了4種模(mo)塊(kuai)。除公(gong)用(yong)的一體化設(she)計的推進艙模(mo)塊(kuai)外，針對運(yun)(yun)輸(shu)貨(huo)物(wu)的不同類型(xing)和需求，貨(huo)運(yun)(yun)飛船可選用(yong)全密封貨(huo)物(wu)艙模(mo)塊(kuai)、半開放(fang)貨(huo)物(wu)艙模(mo)塊(kuai)或全開放(fang)貨(huo)物(wu)艙模(mo)塊(kuai)。
“模塊化設(she)計提(ti)高了(le)貨運飛(fei)船的(de)任(ren)務適應(ying)能(neng)力和任(ren)務拓展度，降(jiang)低了(le)研制(zhi)周期和成本(ben)，可以通過有(you)限(xian)的(de)飛(fei)行試驗快速提(ti)高平臺可靠性。”黃震認為。
通過3種(zhong)不同貨物(wu)艙(cang)模(mo)(mo)塊與推進艙(cang)模(mo)(mo)塊的(de)“搭積木”組合，天舟(zhou)系列貨運飛船全密(mi)封(feng)、半開放(fang)和全開放(fang)的(de)3種(zhong)型譜就此形成。作為(wei)首發貨運飛船，天舟(zhou)一號(hao)被設(she)計(ji)為(wei)全密(mi)封(feng)型譜狀態。
“這樣的(de)(de)設計使(shi)以后運(yun)輸不(bu)同(tong)物(wu)資(zi)的(de)(de)貨運(yun)飛船(chuan)之間的(de)(de)接口更(geng)加(jia)統一化(hua)和規范(fan)化(hua)，順應了載人航天器通用(yong)化(hua)、批量(liang)化(hua)、系(xi)列化(hua)發展的(de)(de)要(yao)求。”白(bai)明生說。
未(wei)來，3種型譜的(de)(de)貨運(yun)飛船(chuan)分工明確。全密(mi)封(feng)(feng)貨運(yun)飛船(chuan)主(zhu)要(yao)用于運(yun)輸航天(tian)員消耗(hao)品、密(mi)封(feng)(feng)艙(cang)內(nei)設備和試驗載(zai)荷，半(ban)開放貨運(yun)飛船(chuan)可以滿(man)足太(tai)陽電池翼等艙(cang)外物資的(de)(de)運(yun)輸需求，而(er)全開放貨運(yun)飛船(chuan)則(ze)主(zhu)要(yao)負責運(yun)載(zai)大(da)型艙(cang)外貨物。
載(zai)人飛船型譜化(hua)應(ying)(ying)用的(de)成功(gong)典范要數(shu)(shu)俄羅斯的(de)聯盟號(hao)系列(lie)飛船。作為世(shi)界上最早(zao)且至今(jin)仍(reng)有效運(yun)營的(de)載(zai)人飛船，聯盟號(hao)自上世(shi)紀60年代(dai)以(yi)來，經歷數(shu)(shu)次升級換代(dai)，衍生出(chu)多種適應(ying)(ying)不同任務(wu)需求(qiu)的(de)貨運(yun)飛船型譜。
“我(wo)國(guo)載人航天(tian)工程起(qi)(qi)步雖(sui)晚，但起(qi)(qi)點(dian)高(gao)(gao)，具有(you)高(gao)(gao)可(ke)靠性和安全(quan)性的設(she)計。如(ru)今(jin)，我(wo)們從天(tian)舟一(yi)(yi)號開(kai)始，邁(mai)出(chu)了載人航天(tian)器(qi)型譜化設(she)計的第一(yi)(yi)步，這也是我(wo)們空間(jian)站建設(she)國(guo)際化的重要(yao)基礎(chu)。”天(tian)舟一(yi)(yi)號貨運飛船總指揮金勇說。
打造(zao)自主可控的數字(zi)空間站
空間站建設(she)是龐大且復雜的(de)(de)系統工程，其(qi)設(she)計者目光放得長遠。這一點在天舟一號(hao)貨運飛船(chuan)的(de)(de)諸多細節方面得以窺見。
作為貨運飛船飛行驗證平臺的(de)天(tian)舟一號，首次大(da)刀闊斧(fu)地使(shi)用了7大(da)類、上百種的(de)國產新研核心元(yuan)(yuan)器件(jian)，提前(qian)驗證空間站中所(suo)用的(de)關鍵元(yuan)(yuan)器件(jian)。
例如(ru)，此前載人飛船采用(yong)的是低壓供電，而未來我國空間站面臨更大(da)載荷和功率(lv)，必須采用(yong)100伏的高(gao)(gao)壓供電。為提(ti)高(gao)(gao)傳輸效率(lv)，天舟一號采用(yong)了全新自主(zhu)研制的國產100伏高(gao)(gao)壓器件。
首次(ci)在國內航(hang)天(tian)器上采(cai)用(yong)的(de)100伏厚膜電(dian)源模塊被(bei)應用(yong)到了(le)整船(chuan)所有的(de)關鍵電(dian)子單機上，帶來的(de)改變(bian)不僅(jin)是整船(chuan)幾十公斤配電(dian)設備重量的(de)優化和各電(dian)子單機尺寸的(de)縮小，更重要的(de)是突破國外的(de)技(ji)術封(feng)鎖，加速(su)了(le)航(hang)天(tian)器核(he)心元器件設計的(de)國產化進程。
看似不大的(de)元器件，背后(hou)牽(qian)扯的(de)系統工作卻千頭萬(wan)緒。每當說起(qi)具體細(xi)節，設計師們愛用“一言難盡”來輕描淡寫攻(gong)關(guan)的(de)難。他們說，一想到未來空間站(zhan)建設的(de)關(guan)鍵命(ming)脈牢牢握(wo)在(zai)自己手中，“心里就(jiu)不慌了”。
全三維數(shu)字(zi)化(hua)設計也(ye)被(bei)淋漓盡致地(di)應用到了(le)貨(huo)運(yun)飛(fei)船上。貨(huo)運(yun)飛(fei)船立項之時，時值集團(tuan)公(gong)司開始進行(xing)型號數(shu)字(zi)化(hua)研制的(de)嘗試。“天舟一號的(de)數(shu)字(zi)化(hua)研制觸碰到了(le)一個很好(hao)的(de)契機。”五院貨(huo)運(yun)飛(fei)船數(shu)字(zi)化(hua)研制團(tuan)隊成員(yuan)們感慨(kai)。
五院借此成立“全(quan)三(san)維數字(zi)化協同設計實驗室(shi)”，將正(zheng)在(zai)孕(yun)育(yu)的天舟(zhou)一號(hao)推上數字(zi)化之路。而(er)放(fang)眼中(zhong)國(guo)航天領域(yu)，全(quan)三(san)維數字(zi)化設計在(zai)新(xin)一代(dai)運載火(huo)箭(jian)上也普(pu)遍采(cai)用著。
對于數(shu)字化的(de)(de)優越性，設(she)(she)(she)計師郭軍(jun)輝(hui)(hui)感觸最(zui)深。天(tian)舟一號整個貨物艙的(de)(de)電纜(lan)設(she)(she)(she)計全部出(chu)自(zi)他之手。“以構型(xing)布局設(she)(she)(she)計為例，按照傳統的(de)(de)二(er)維圖紙模(mo)式，貨船(chuan)單艙段的(de)(de)設(she)(she)(she)備布局需要(yao)單人(ren)用30天(tian)完成，而采用全三(san)維數(shu)字化設(she)(she)(she)計后(hou)，只需要(yao)15天(tian)。”郭軍(jun)輝(hui)(hui)說。
天(tian)舟一(yi)號從方案(an)設(she)(she)計階段開始始終(zhong)堅持(chi)數字(zi)化手段，打通了產(chan)品設(she)(she)計、工(gong)藝、生產(chan)、裝配、檢(jian)驗、交付(fu)全過程的(de)信息流。設(she)(she)計團隊通過探索(suo)基于三(san)維模型(xing)的(de)協(xie)同設(she)(she)計模式，顯(xian)著提高了航(hang)天(tian)器設(she)(she)計效率和質量。
中國航天科技集團公司