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刚刚发射的“天舟一号”,对中国意味着什么?
2017-4-21 5:02:00           作者: 综合

  原标题:刚刚发射的“天舟一号”,对中国意味着什么? 

  作者:伍轩

  第一篇丨中国人“太空筑家”关键一步

  作为载人航天家族的新进一员,天舟一号的加入,意味着向着中国载人空间站的建成更进一步,这也是中国人实现“太空筑家”梦想的关键一步

  天舟一号货运飞船今天(4月20日)发射飞往太空,与天宫二号空间实验室进行交会对接,开展推进剂在轨补加、空间科学和技术等试验验证。

来源:央视新闻

  “天舟一号飞行任务作为空间实验室任务的收官之战,载人空间站工程的关键一战,是我国载人航天工程稳中求进的重要一步。”在天舟一号抓总研制单位——中国航天科技集团公司第五研究院(下文简称“航天五院”)看来,这次任务承载了重要的使命和意义。

  如何在地球之外的太空中建起一座“自由家园”,是探索浩瀚宇宙的重要一环。筑家太空,

  将为中国人逐梦深空建立起一座补给站、前哨站、试验室,航天器可以停泊在此,并进行维修、补给;

  “中国哈勃”太空望远镜——巡天号光学舱可以扎根在此,探寻生命起源、宇宙奥秘;

  中国航天员可以长期工作、生活在此,依托完善的试验平台、利用独特的宇宙环境资源,开展空间科学、基础科学、应用技术的研究和试验,拥抱“太空经济时代”的到来。

  “从1992年启动载人航天工程以来,我们锁定建造中国人自己的空间站为终极目标,按照‘三步走’的策略稳扎稳打,形成了以神舟飞船、目标飞行器、空间实验室、货运飞船为支撑的多类航天器,为正式启动空间站建设打下了坚实基础。”航天五院院长张洪太说。

  载人航天“三步走”

  第二步收官在即

  天舟一号是我国第一艘货运飞船,也是我国目前为止体积最大、重量最重的航天器,由航天五院负责抓总研制。目前,神舟飞船只能携带数百公斤物资,而采用了高性能减重设计、轻量化货架设计的货运飞船,一次能装载6吨多物资,载重能力超过了俄罗斯现役货运飞船。

  作为天宫二号空间实验室运行期间最后一个访客,天舟一号将要执行的任务,与未来中国空间站建设紧密相关。

  在太空中自主建起一个大型空间站,开展科学研究和太空实验,促进中国科学研究进入世界先进行列,为人类文明发展进步作出贡献,这是中国开展载人航天工程的目标。上世纪90年代初,中国载人航天工程正式启动。这是一个庞大的工程,国家采取了分步实施的战略。

  第一步,是载人飞船阶段。

  在此期间完成了载人飞船的研制,实现了航天员天地往返等目标。这一阶段的重点任务包括神舟一号到六号飞船飞行任务。

  神舟飞船是航天员专属的“太空巴士”。为了打造好这艘太空生命方舟,航天五院采取了从无人到有人、从一人到多人“小步快走”的验证方式。

  神舟一号至神舟四号,进行了无人飞行试验,全面验证了飞船发射、舱段分离、从太空返回等各项关键技术。

  神舟五号圆满完成了我国首次载人飞行,也树立起中国“太空巴士”建造标杆。

  神舟六号实现了多人多天飞行。

  第二步,是空间实验室阶段。

来源:央视新闻

  到目前为止,我国已掌握了航天员出舱和交会对接技术,成功对航天员中期驻留太空进行了验证。这一阶段的重点任务是神舟七号航天员出舱,天宫一号目标飞行器与神舟八号、九号、十号飞船对接、组合飞行任务,天宫二号空间实验室与神舟十一号飞船载人飞行任务。

  现在,第二步还剩下最后一项任务,即:天舟一号货运飞船对接天宫二号,验证推进剂在轨补加技术,完成运送货物补给任务。

  第三步,是空间站建设阶段。

来源:央视新闻

  在第三步中,我国将建造长期有人照料的空间站,这其中“人”和“空间站”是两项最基本也是最重要的因素。空间站要运行,人(航天员)要工作、生活,空间站运转所需的燃料(推进剂)以及人员相应的工作、生活物资必不可少。这就需要有一个专门的运输工具,负责运输货物补给并为空间站“加油”——这个重要使命就由货运飞船担当。

  从我国载人航天工程起步到现在,经过一次次试验任务,积累了多项能力和经验,我们有了人员往返天地的工具——载人飞船;能够实现航天器间的交会对接;能够保证航天员在太空工作一段时间(一个月左右);甚至可以完成人员出舱活动……所有这些都是第三步建设空间站的基础。

  也就是说,第一步、第二步是准备,目前准备工作即将完成。待天舟一号完成任务,便意味着我国具备了向在轨运行航天器补给物资、补加推进剂的能力,这一能力是确保未来我国空间站在轨长期载人飞行的前提。未来,神舟飞船、货运飞船将联合作战,有效支撑起空间站建设、运营的天地生命线。

天舟一号进行热试验吊装(来源:中国航天科技集团公司第五研究院)

  天舟一号多项任务奠定未来空间站基础

  “天舟一号此次任务包含了建造空间站需要突破和掌握的关键技术,更是未来空间站运行的基础。”航天五院天舟一号总设计师白明生列举了三项极具亮点的任务。

  第一,检验“太空加油”技术。天舟一号发射进入轨道后,将与天宫二号进行首次对接,两个航天器组成的组合体将进行两个月的在轨飞行。在此期间完成推进剂在轨补加试验,按计划将开展多次试验。

  货运飞船的在轨推进剂补加技术,即“太空加油”,将是“太空之家”能够连续工作十年的重要保障。突破和掌握推进剂补加技术,解决空间站能源供给问题,将为我国顺利进入载人空间站建设运营阶段奠定基础。

  有了货运飞船超强运输、补给能力的支撑,未来,三名航天员能在“太空之家”连续工作180天,各类试验物资也可以源源不断地运抵空间站,把空间站建设成为我国在太空的新技术试验田。

  第二,三次交会对接任务。天舟一号与天宫二号将进行三次交会对接。第一次交会对接后将测试货运飞船对组合体的控制能力,第二次交会对接是从不同接口方向进行对接。

  未来空间站包括核心舱和两个实验舱,与货运飞船形成组合体后由货运飞船提供主动力,其目的主要在于尽量减少空间站动力、能源等消耗,延长空间站寿命;核心舱前后方向与垂直下方分别设有对接口,未来去往空间站执行任务的载人飞船或货运飞船很可能从不同方向进行交会对接。所以,第一次、第二次交会对接检验的都是未来空间站运营所必须的能力。

  更具看点的是,在最后一次交会对接中,天舟一号将采用自主快速交会对接技术。在天舟一号之前,我国掌握的交会对接技术需要耗时两天左右时间,快速交会对接将时间控制在6个小时左右。掌握该项技术,有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性,提高航天员舒适性,进一步减轻地面跟踪、测控工作的强度和难度。另外,对于未来空间站来说,一旦遇到突发事件可以快速处理,提高了应急能力,为未来空间站提供了安全保障。

  第三,以天基测控体制为主进行飞行控制。以往,我们对航天器的跟踪、测控以及在轨异常的及时监测处置,主要依赖陆基测控站和海基测量船。这需要耗费大量人力物力建造、维护地面测控站和海上测量船,研制人员奔波在各个站点之间开展相关试验,并且受到跨国、跨境等地域限制。

  天舟一号货运飞船首次采用了以天基测控体制为主的设计原则。简单来说,就是将原本在地面或海上的测量系统“搬”到了天上,打破了在地面或海上的地域限制,实现了对航天器在轨飞行的关键事件的全程跟踪,以确保对在轨异常的及时监测处置。这项测控应用有效降低了人力、物力、财力等成本,为未来与空间站通讯联络铺平了道路。

 

  中国载人空间站组建即将启动

  我国载人航天工程“三步走”在稳扎稳打中循序渐进,每一次任务都部署周密,任务之间衔接紧凑、环环相扣。如今,空间站阶段的任务也已处于研制阶段。

来源:新华社

  航天五院党委书记兼副院长赵小津介绍,我国载人空间站组建即将正式启动。作为空间站构成的本体舱段,核心舱、实验舱I、实验舱II正在紧锣密鼓研制当中,将与货运飞船、神舟飞船一同在太空建起我国第一个“太空之家”。

  其中,核心舱、实验舱I、实验舱II三个舱段,每个规模为20多吨,基本构型为T字形,核心舱居中,实验舱分别连接两侧。预计2022年前后建成,可运营10年以上。空间站长期驻留3人,运营期间最多将连接一艘货运飞船和两艘载人飞船,整个系统重量可达90余吨。在此规模基础上,还将根据科学研究需要,增加新的舱段,扩展规模和应用能力。

  航天五院的研究人员介绍,受制于火箭运载能力等因素,不能一次性地把近百吨的空间站发射上空。空间站在太空的构建采取的是“搭积木”方式,需要先单独发射各舱段、再拼接组合,实现“1+1+1=1”整体性能最优的效果。

  此外,空间站的构型不是固定不变的。随着神舟飞船、货运飞船及特殊功能载荷舱的加入,空间站整体构型会如同垒积木一样,越来越大。支撑空间站“百变如一”的关键是交会对接技术、组合体控制与管理技术。

  交会对接,要实现两个航天器在高速运行中毫厘不差地对接成功,难度堪比“万里穿针”。目前,中国是继美国、俄罗斯之后第三个独立掌握近地轨道交会对接技术的国家。此次,天舟一号货运飞船与天宫二号开展快速交会对接试验,将推动我国的交会对接技术从“练好”到“练精”的跃升。

  交会对接完成后,如何实现原本独立航天器间的资源统筹,使其成为一个统一整体,将直接决定空间站长期运行的稳定性和可靠性。对此,航天五院在神舟八号、九号、十号与天宫一号交会对接,神舟十一号与天宫二号交会对接等多次任务中,反复试验了组合体控制与管理技术。在神舟、天宫组成“天神”组合后,由“块头较大”的天宫接管过整体控制权,对电力、动力、飞行状态等进行统一调度。

  天舟一号货运与天宫二号交会对接任务中,还将进一步验证“以小控大”、“以大控小”模式,运用块头较小的天宫二号控制整个组合体,并检验货运飞船短时控制组合体的能力。这一技术成果将在今后的空间站建设中应用广泛。

  如在天舟一号停靠、接驳空间站期间,将担当与空间站组合运行期间的“充电宝”功能,为空间站提供稳定的能源输出,减少空间站本体的能源消耗;在空间站姿态出现异常时,货运飞船可以接过组合体控制权,为航天员撤离和营救争取宝贵时间。

  此外,出舱技术、在轨维修技术也将保证“太空之家”稳定运行。

  长期驻守太空的生存环境十分恶劣,需要经历太空环境极端温度的考验,高能粒子、太空碎片撞击等重重挑战。要保证“太空之家”在10年任务期保持良好状态,在轨维修的硬本领必不可少。

  当故障发生在“太空之家”外部时,必须由航天员出舱进行维修。对此,五院在神舟七号飞船任务中,已成功试验验证了此类技术。当故障发生在“太空之家”内部时,维修就简单多了。航天五院技术人员对“太空之家”的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化模块设计,打造出了可快速更换的模块单元,只需进行“插拔式”,就能快速完成在轨维修。这在神舟十一号与天宫二号任务交会对接中也已得到验证,航天员和自动化机械臂都可胜任。

  进入空间站建设阶段,发射任务密集,对各类航天器需求加大,研制单位重任在肩。其中,航天五院负责抓总空间站系统建设,并承担了载人飞船、货运飞船、核心舱、

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