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中国航天员首次在轨迎来货运飞船 2小时!天舟五号创最快交会对接纪录

来源:空间站 编辑:谈财论道 浏览:35 发布:2022-11-13 08:08:30

本报记者 刘苏雅

昨天10时03分,搭载天舟五号货运飞船的长征七号遥六运载火箭在我国文昌航天发射场准时点火,发射任务取得圆满成功。入轨后,天舟五号顺利完成状态设置,仅用约2小时,于当日12时10分采取自主快速交会对接模式成功对接于空间站天和核心舱后向端口,中国航天员首次在空间站迎来货运飞船。

天舟五号首次实现了2小时自主快速交会对接,创造了世界最快交会对接纪录。这一技术突破对于提升我国空间交会对接水平、提升空间站任务应急物资补给能力具有重要意义。

中国航天员首次在轨迎来货运飞船 2小时!天舟五号创最快交会对接纪录

中国航天员首次在轨迎来货运飞船 2小时!天舟五号创最快交会对接纪录

“货运专列”升级为“太空高铁”

从火箭升空到与空间站完成交会对接,天舟五号货运飞船仅用约2个小时,打破了此前俄罗斯联盟号飞船MS-17保持的3小时3分钟交会对接最短用时纪录,创下了世界航天器最快交会对接纪录。

“快”是天舟系列货运飞船的显著特点,也是核心难点。此前,我国天舟系列货运飞船采用6.5小时快速交会对接技术,天舟五号则在此基础上再进一步。天舟五号货运飞船制导导航与控制系统副主任设计师胡海霞介绍,本次任务优化了交会对接的控制制导策略,将远距离导引过程由多圈次压缩为不到一圈,将多次变轨压缩为两次综合机动,使该部分用时由4个多小时减少到约1小时。在近距离自主控制段,则减少了多个用以确认飞船状态的停泊点,“就像动车组减少了经停车站,让货运飞船与空间站组合体更快接近,从原本的2小时缩短到40分钟左右”。

2小时快速交会对接技术大大缩短了天地运输时长,使运输特殊鲜活试验品成为可能。本次任务中,天舟五号就搭载了一定量的新鲜水果,在装船时特别进行了保鲜处理,以更好地满足航天员营养需求。同时,该技术还能极大地增强太空紧急救援能力,如果将这项技术应用于神舟载人飞船,将大大减少航天员赴空间站的飞行时间,让航天员能够尽快进入空间站。

“严格来说,2小时交会对接并不是我们为天舟五号增加的新功能,之前的天舟系列货运飞船也有该功能,只是因为该模式对飞船飞行状态要求较高,所以未曾在轨实施。”航天科技集团五院502所交会对接首席专家解永春表示,天舟五号实现了从“货运专列”到“太空高铁”的升级,未来的天舟货运飞船可以根据火箭入轨情况,自主选择不同时长的交会对接模式。从6.5小时到2小时,标志着我国自主定轨技术精度更高,姿态轨道控制精度更高,综合制导技术水平更高,飞控流程更加优化,交会对接模式更加多样化、功能更加丰富、适应能力更强。

“扫一扫”就能查询物资信息

此次任务是中国空间站在有人驻留的情况下进行的首次货运飞船交会对接。与以往货运飞船不同,天舟五号的对接目标是达80吨量级的空间站组合体。

为了进一步提高近距离交会对接过程的可靠性,天舟五号具备故障情况下手控遥操作交会对接任务备份能力。当飞船靠近并贴紧空间站时,航天员会同步在“天宫”之中密切关注飞船的各个动作和各项参数。此次任务的成功,也充分证明了货运飞船对接机构对大吨位目标的适应性。

飞船完成交会对接“停稳”后,航天员将很快进入其中,拿到来自地面的“家乡货”。货物虽多,但物资管理系统中登记着每项物资的全面信息,航天员只需“扫一扫”,就能查询到物资的位置及各项信息。

未来,天舟货运飞船将会持续“进化”。天舟货运飞船总设计师白明生透露,天舟六号等后续货运飞船将进行系统升级,货物舱将进行较大改进,大幅增强密封舱的货物运输能力,使其一次性携带更多物资入轨。

货运飞船具备太空实验支持能力

天舟五号除了为航天员送去“快递”外,还将承担起实验支持的职责,其搭载的实验载荷将在空间失重环境下开展科学实验,验证前沿航天关键技术。

中科院空间应用工程与技术中心介绍,天舟五号上行了空间站舱内外科学实验载荷、实验单元及样品、支持类设备、备品备件等应用物资。其中,空间冷原子干涉仪将基于高微重力科学实验柜,开展空间冷原子干涉等效原理验证实验;细胞实验单元上行生保支持装置守护细胞实验样品安全到达,未来将基于生物技术实验柜开展人骨髓间充质干细胞骨向诱导分化实验及小鼠成肌细胞自噬诱导分化实验;变重力沸腾实验装置、变重力颗粒振动实验装置则将基于变重力科学实验柜开展相应研究。此外,本次任务上行的舱外材料暴露试验装置将开展微重力和空间辐射环境对有机形状记忆合金、润滑材料、轻质抗辐射金属材料以及月壤水泥等特殊材料的组织结构和性能影响研究。

燃料电池发电系统载荷也是其中的重要部分,后续计划开展我国首次燃料电池空间在轨试验。我们为何要研究空间应用燃料电池?航天科技集团五院529厂科研人员介绍,月球上的一天大约相当于地球上的一个月,未来开展的载人探月任务,将面临月夜长时间无太阳光照等严苛环境。采用传统储能发电系统会导致重量大幅增加,无法满足任务需要。而基于燃料电池的再生能源系统是目前最轻的高能可充电池比能量的数倍,从未来载人航天任务的适应性来看,燃料电池反应消耗氢气和氧气生成水,还可以与推进、热控、环控等分系统一体化设计,提高资源利用效率。燃料电池空间在轨试验将验证燃料电池在空间环境下的运行特性规律,掌握微重力等条件对燃料电池运行条件下的参数特性影响规律,为后续宇航燃料电池应用设计提供理论指导和数据支撑,支持我国载人探月任务的推进。

此外,天舟五号还搭载了“澳门学生科普卫星一号”。不久后,这颗卫星将通过梦天实验舱搭载的微小卫星在轨释放机构放飞。开展航天育种实验的1千克植物种子也同时飞天,后续它们将通过载人飞船返回地面,经过地面培育后投入市场。

天舟五号运输能力最大最全面

中国航天员首次在轨迎来货运飞船 2小时!天舟五号创最快交会对接纪录

作为空间站的地面后勤补给航天器,天舟货运飞船采用型谱化方案,设计了满足不同货物运输需求的全密封、半密封、全开放3个货物舱模块。天舟五号为全密封货运飞船,是世界现役货物运输能力最大、在轨支持能力最全面的货运飞船。其装载了航天员系统、空间站系统、空间应用领域的货物共计约5.3吨,并携带补加推进剂约1.4吨,上行物资总重约6.7吨,将为神舟十五号乘组3人6个月在轨驻留、空间站组装建造和空间应用领域提供物资保障。

为了保证发射顺利,货运飞船的质心控制精度要达到毫米级。航天科技集团七院抓总研制的货运保障分系统为整船货物作了装载布局配平设计,既符合质心控制要求,又满足每一件货物的抗力学环境以及航天员人机工效学要求。

在运送物资的同时,天舟五号还充分利用货运飞船的运力资源,搭载多项试验载荷,支持开展空间科学与技术试验,具备承担空间站姿态轨道控制、并网供电以及空间站遥测、数据传输支持等能力,实现更高的综合效益。

仅用6年 西昌卫星发射中心完成100次发射

天舟五号发射任务是西昌卫星发射中心第200次发射任务,至此,西昌卫星发射中心成为我国首个完成200次发射的航天发射中心,创造了中国航天史上新的纪录。

1984年4月8日傍晚,搭载东方红二号试验通信卫星的长征三号火箭发射升空,这是西昌卫星发射中心建成后的首次发射。从执行首次发射任务到第100次,西昌卫星发射中心用了32年;从第101次到第200次,仅用了6年时间,这体现了航天测试发射能力的大幅跃升。

2009年,中国西昌卫星发射中心文昌航天发射场正式开工。近年来,文昌航天发射场迎来了高密度发射期,特别是2020年5月5日长征五号B火箭首飞至今的两年多时间,连续实施13次重大任务发射,将天问一号、嫦娥五号、中国空间站多个舱段等“国字号”航天器顺利送入太空。

近年来,文昌航天发射场年发射能力从年均3至4发提升至6至8发,发射火箭型号从2型拓展到6型,极大缩短了火箭测试发射周期,形成了新一代大推力运载火箭高密度发射能力,实现我国近地轨道运载能力从10吨到25吨、地球同步轨道运载能力从5.5吨到14吨的巨大飞跃,大幅提升了我国进入太空的能力。

后续,西昌卫星发射中心还将重点围绕新一代载人火箭发射工位、重型火箭发射工位等拓展建设内容,同步开展配套软硬实力体系建设,为中国航天的巡天望远镜、载人登月、深空探测、行星探测、空间站建设应用与发展、低轨互联网星座等提供强有力支撑。

10项技术改进 长七火箭“投”出漂亮“空心球”

天舟系列货运飞船到达预定轨道后,其轨道周期大约是5400秒,而长征七号运载火箭入轨精度偏差不能超过4秒,这是我国现役运载火箭中最高的入轨精度,也是对天舟五号货运飞船实现2小时自主快速交会对接的极大助力。

对此,长七火箭主管弹道设计师张博戎用投篮来比喻:“以前是精准的投篮入筐,现在我们不但要投篮,还要投一个漂亮的空心球。”为了实现高精度入轨,长七火箭采用了高精度激光陀螺和光纤陀螺惯性测量组合的设计方法。在飞行过程中,控制系统能够快速为火箭规划出最佳飞行路线,迭代制导技术则可帮助火箭提前预见偏差,实时修正,保证入轨精度。

该型火箭是我国新一代运载火箭,低温模块多,射前流程复杂。为了保证天舟飞船与空间站顺利“牵手”,火箭必须按预定时间分秒不差点火升空,即“零窗口”发射。通过自动获取起飞时间,进行入轨目标参数在线迭代修正,该箭发射窗口拓展至2分钟左右的“窄窗口”,并具备全天候发射能力,可以在低温燃料加注后停放24小时,为成功发射争取更多有利时间。

自2017年执行天舟一号货运飞船发射任务起,长七火箭与天舟系列货运飞船配合已十分默契,火箭总体技术状态也逐渐趋于稳定,飞行可靠性评估值达0.9838这一国际先进水平,测发周期从最初的42天逐步缩减到27天。长七火箭总体主任设计师邵业涛介绍,本发火箭进行了10项技术改进,同时逐步推进箭上元器件国产化替代、发动机可靠性增长设计等,进一步提高火箭可靠性。

随着空间站转入长期在轨运营阶段,未来几年,长七火箭将保持每年2次的发射频率,为空间站天地物资运输提供保障。此外,长七火箭近地轨道运载能力达14吨,搭载远征上面级可实现太阳同步轨道9.5吨的运载能力,既可以发射天舟货运飞船,也可以发送其它卫星载荷,后续可在中低轨卫星发射中发挥更广泛的作用。

电力智能管理确保“能源自由”

面对空间站“T”字基本构型下更复杂的遮挡关系,以及首次2小时自主快速交会对接的任务需求,天舟五号飞船如何进行稳定的能源供应?航天科技集团八院811所研制人员承担起飞船电源分系统的研制任务。

在交会对接过程中,为了减少货运飞船变轨对太阳帆板的影响,需要将太阳帆板长时间置于垂直归零和停控等状态。在无法跟踪太阳的情况下,太阳帆板发电能力将会下降,此时飞船大部分的电量需要锂离子蓄电池来提供。特别是在2小时自主快速交会对接期间,锂离子蓄电池的放电深度将达到此前的2至3倍,研制人员通过深度放电联试、单体电池深度放电等多个试验,确保对接过程中整船的稳定供电。

空间站“T”字基本构型在轨组装完成后,天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱的庞大柔性太阳翼完全舒展开来,让空间站组合体实现了“能源自由”,但也给位于后向对接口的天舟五号带来了复杂的遮挡情况。

此时,锂离子蓄电池继续发挥作用。811所货运飞船副主任设计师朱超介绍,研制人员通过反复实验优化,解决了复杂遮挡情况下电池欠充或过充的问题,提高货运飞船的可靠性和安全性。当太阳入射角增大时,遮挡会更加严重,此时货船会向空间站寻求“支援”,通过空间站电力的智能化管理,从原本的“供电方”变为“用电方。”

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