發布時(shi)間：2018-04-28
4月20日(ri)晚(wan)，中國航(hang)天人在天地間搭建起運(yun)輸“走廊”。
按照我國載人航天(tian)工(gong)程“三步走(zou)”戰略，由中國航天(tian)科技集團(tuan)公司(si)抓總(zong)研制的(de)貨(huo)運(yun)飛船是(shi)載人空間(jian)站工(gong)程的(de)重要組(zu)成(cheng)部分。伴隨我國首艘貨(huo)運(yun)飛船天(tian)舟一號的(de)發(fa)射入軌，空間(jian)站建設和長(chang)期在軌運(yun)營成(cheng)為可(ke)能。
首艘貨(huo)運(yun)飛船聚焦(jiao)4方面驗證
天(tian)舟系列貨(huo)運飛船是為載人航(hang)天(tian)工程全新研制的(de)(de)航(hang)天(tian)器。天(tian)舟一(yi)號的(de)(de)研制者們(men)沒有一(yi)味(wei)追(zhui)求飛船總重量或貨(huo)物重量單方面的(de)(de)高數值(zhi)，而是根據未來(lai)空間站實際規模和任務需求，打造(zao)了一(yi)個(ge)“規模適度”的(de)(de)貨(huo)運飛船。
雖(sui)然是(shi)首飛型號，設計人員對貨(huo)(huo)運飛船技術指標的自我要求卻極(ji)為苛刻。貨(huo)(huo)運飛船的載貨(huo)(huo)比達(da)到0.48，這是(shi)一個世界現(xian)役貨(huo)(huo)運飛船均未企及的數值。
可(ke)是，為什么要建造這樣(yang)一艘“很能裝貨但載不了人”的飛船(chuan)呢？
“未來，我(wo)國要(yao)建造長(chang)期有人照(zhao)料的空(kong)(kong)間站(zhan)(zhan)，航天(tian)員在太空(kong)(kong)需(xu)要(yao)生活、工作物資，空(kong)(kong)間站(zhan)(zhan)運轉需(xu)要(yao)推進劑補給，廢棄(qi)物也(ye)需(xu)要(yao)被帶回大氣層燒毀(hui)。”天(tian)舟一(yi)號(hao)貨(huo)運飛船(chuan)總設計師白明(ming)生解釋。
取決于這樣(yang)的(de)需求，貨運(yun)(yun)飛(fei)船(chuan)(chuan)的(de)主要任務(wu)被我國載人航(hang)天工程的(de)建設(she)者們嚴謹地明(ming)確(que)為：“為空間站（空間實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)）上行(xing)(xing)運(yun)(yun)輸和在軌存儲、補給物資(zi)；為空間站（空間實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)）存儲和下行(xing)(xing)廢棄(qi)物資(zi)并受控隕落于預(yu)定區(qu)域；配合空間站（空間實(shi)驗(yan)(yan)室(shi)）進行(xing)(xing)組(zu)合體軌道和姿態(tai)控制；支持開展適應貨運(yun)(yun)飛(fei)船(chuan)(chuan)能力的(de)空間應用和技術試(shi)驗(yan)(yan)。”
“通(tong)俗點來說(shuo)，貨運(yun)飛船(chuan)的任(ren)務就(jiu)是運(yun)貨、加油和開展相應試(shi)驗(yan)。”五院載人航天總體部研究室主任(ren)黃(huang)震言簡意賅地(di)概括道。
區別(bie)于(yu)(yu)我國后續正式投入運營(ying)的貨運飛船，作為(wei)“先行者”，此(ci)次天舟(zhou)一號的主要任務(wu)目(mu)標聚焦于(yu)(yu)4大方面的“驗證(zheng)”。“沒有試飛的余地，首飛就要完成任務(wu)。”研制人員(yuan)坦言(yan)壓力不小(xiao)。
最(zui)大的難點來(lai)自于兩(liang)個(ge)航(hang)天器的協同工作。天舟一(yi)號要在(zai)空間實驗室(shi)的配合下，除了驗證推進劑在(zai)軌補加技術，還要開(kai)展貨運(yun)飛船控制組(zu)合體、繞飛至(zhi)前向(xiang)交(jiao)會(hui)對(dui)接、快速交(jiao)會(hui)對(dui)接等一(yi)系列試(shi)驗。
此外，貨運飛船的(de)功(gong)能和性能也(ye)將通過天舟一(yi)號得到全面考核。而為最大限度發揮(hui)應(ying)用(yong)(yong)平臺(tai)效能，天舟一(yi)號還支(zhi)持(chi)開展空間應(ying)用(yong)(yong)及技(ji)術(shu)試(shi)（實）驗(yan)，能夠實現“一(yi)次飛行、多(duo)方受益”的(de)目標。
開啟載(zai)人航天器(qi)型譜(pu)化(hua)設計
在我國航天界，“型譜化”的概(gai)念(nian)最早使用(yong)于運載(zai)火(huo)箭(jian)(jian)。公眾也許不會忘記(ji)，大(da)約半年前，這一概(gai)念(nian)曾作為(wei)大(da)型運載(zai)火(huo)箭(jian)(jian)長(chang)征(zheng)五號首飛的一大(da)亮(liang)點被反復提及。正是長(chang)征(zheng)五號的研制(zhi)發(fa)射，為(wei)我國新一代運載(zai)火(huo)箭(jian)(jian)型譜化、系(xi)列化的發(fa)展奠定了基礎。
然(ran)而在我(wo)國載人(ren)(ren)航天(tian)器設計(ji)領域，盡(jin)管(guan)神舟系列(lie)飛船取得(de)了(le)11戰(zhan)11捷的優(you)異成績，是高度(du)安全(quan)、可靠、穩定(ding)的載人(ren)(ren)飛船，但其設計(ji)理(li)念(nian)并不(bu)能(neng)被稱為“型(xing)譜(pu)化”。
“并不(bu)是將已有不(bu)同(tong)規格的(de)同(tong)類產品簡單羅列(lie)、組合(he)，或者(zhe)不(bu)斷改進(jin)現有產品特性、功能，就叫‘型(xing)(xing)譜(pu)化’。”航天(tian)專(zhuan)家(jia)朱毅(yi)麟曾專(zhuan)門厘清這一概念(nian)的(de)定(ding)(ding)義，“真正的(de)‘型(xing)(xing)譜(pu)化’，是指一個產品系列(lie)能滿足(zu)較長(chang)時期(qi)及(ji)一定(ding)(ding)范圍內的(de)全部使用要(yao)求。”
天舟系列(lie)貨運飛船(chuan)就是符合上述標準(zhun)的型譜化產品，由貨物艙(cang)和推(tui)進(jin)艙(cang)兩艙(cang)結構組成。其中，貨物艙(cang)裝載貨物和設備，推(tui)進(jin)艙(cang)為貨運飛船(chuan)提供電力能源、推(tui)進(jin)控制動力并裝載推(tui)進(jin)劑(ji)。
五院載人航天總體(ti)部研制(zhi)團隊采用(yong)模塊化思(si)路，為貨(huo)(huo)運(yun)飛船設計了(le)4種(zhong)模塊。除公用(yong)的(de)一體(ti)化設計的(de)推進(jin)艙模塊外，針(zhen)對(dui)運(yun)輸貨(huo)(huo)物(wu)(wu)的(de)不(bu)同類型(xing)和需求，貨(huo)(huo)運(yun)飛船可選用(yong)全密封貨(huo)(huo)物(wu)(wu)艙模塊、半開(kai)放(fang)貨(huo)(huo)物(wu)(wu)艙模塊或全開(kai)放(fang)貨(huo)(huo)物(wu)(wu)艙模塊。
“模塊化設計提高了(le)貨運飛船的任務(wu)適應能力和(he)任務(wu)拓展度，降低了(le)研制周(zhou)期和(he)成本(ben)，可以通過有限(xian)的飛行(xing)試驗(yan)快速提高平臺可靠性。”黃震認(ren)為。
通過3種不同(tong)貨物艙模塊與推進艙模塊的“搭積木”組合，天(tian)舟系列貨運飛船(chuan)(chuan)全密(mi)封、半開放和全開放的3種型譜就(jiu)此(ci)形成。作為首發貨運飛船(chuan)(chuan)，天(tian)舟一號被設(she)計(ji)為全密(mi)封型譜狀(zhuang)態(tai)。
“這(zhe)樣的(de)設計使(shi)以后運(yun)輸不(bu)同物資的(de)貨運(yun)飛船之間(jian)的(de)接口更加統(tong)一化和規范(fan)化，順應了載人航天(tian)器通(tong)用化、批量化、系列化發展的(de)要求(qiu)。”白明生說。
未來，3種型譜的貨(huo)運飛(fei)(fei)船(chuan)分工明確。全密(mi)封(feng)貨(huo)運飛(fei)(fei)船(chuan)主(zhu)要用于運輸航(hang)天員消耗品、密(mi)封(feng)艙(cang)內設備(bei)和(he)試驗載荷(he)，半開放(fang)貨(huo)運飛(fei)(fei)船(chuan)可以滿足太(tai)陽電池翼等(deng)艙(cang)外物資的運輸需求，而(er)全開放(fang)貨(huo)運飛(fei)(fei)船(chuan)則主(zhu)要負責運載大型艙(cang)外貨(huo)物。
載人飛(fei)船(chuan)型譜化應(ying)用(yong)的成功典范要數(shu)俄羅斯的聯盟號(hao)系列飛(fei)船(chuan)。作為(wei)世(shi)界上最早且至今仍有效(xiao)運營(ying)的載人飛(fei)船(chuan)，聯盟號(hao)自上世(shi)紀60年(nian)代以來，經歷數(shu)次升(sheng)級換代，衍生出多(duo)種適應(ying)不(bu)同任務(wu)需求的貨運飛(fei)船(chuan)型譜。
“我國(guo)載(zai)人(ren)航(hang)天(tian)(tian)(tian)工(gong)程起(qi)步(bu)雖晚，但起(qi)點高，具(ju)有高可(ke)靠性(xing)和安全性(xing)的設(she)計(ji)(ji)。如今，我們從天(tian)(tian)(tian)舟一(yi)號開(kai)始(shi)，邁出了載(zai)人(ren)航(hang)天(tian)(tian)(tian)器型譜化設(she)計(ji)(ji)的第(di)一(yi)步(bu)，這也是我們空(kong)間站(zhan)建設(she)國(guo)際化的重要基礎。”天(tian)(tian)(tian)舟一(yi)號貨運飛船總指揮(hui)金勇(yong)說。
打造自(zi)主可(ke)控的數(shu)字空間站
空間站建設是(shi)龐大(da)且(qie)復雜(za)的系統工程，其設計者目光放(fang)得(de)長(chang)遠。這一點在天舟一號貨運飛船(chuan)的諸(zhu)多細(xi)節方面得(de)以窺見。
作為貨(huo)運飛船飛行驗證平(ping)臺的天舟(zhou)一號，首次大(da)刀闊斧地使用了7大(da)類、上百(bai)種(zhong)的國產(chan)新研核心元器(qi)件，提(ti)前驗證空間站(zhan)中所用的關鍵元器(qi)件。
例(li)如，此前載人飛船(chuan)采用的(de)是低壓(ya)供(gong)電，而(er)未來我國(guo)空間站(zhan)面臨更大載荷和功率，必須采用100伏(fu)(fu)的(de)高(gao)壓(ya)供(gong)電。為提高(gao)傳輸效率，天舟一號采用了全新自主(zhu)研制的(de)國(guo)產(chan)100伏(fu)(fu)高(gao)壓(ya)器件。
首次(ci)在(zai)國內航天器上(shang)采用的(de)100伏(fu)厚膜(mo)電(dian)源模塊(kuai)被應用到了整船(chuan)(chuan)所有(you)的(de)關鍵電(dian)子單機上(shang)，帶來的(de)改變不僅(jin)是整船(chuan)(chuan)幾十公斤(jin)配(pei)電(dian)設(she)備重(zhong)量的(de)優化和各(ge)電(dian)子單機尺寸的(de)縮(suo)小，更重(zhong)要的(de)是突破國外(wai)的(de)技術(shu)封鎖，加速(su)了航天器核心(xin)元器件設(she)計的(de)國產化進程。
看似不大的(de)元器件(jian)，背后牽扯的(de)系統工作卻千頭萬緒(xu)。每當(dang)說起具(ju)體細節，設計師們愛(ai)用(yong)“一言難(nan)盡(jin)”來輕描(miao)淡寫攻(gong)關(guan)的(de)難(nan)。他們說，一想到未來空間站建設的(de)關(guan)鍵命脈牢牢握在自己手中，“心(xin)里(li)就不慌了”。
全三維數字(zi)化設計也被淋(lin)漓盡致地應用到(dao)了(le)貨運飛(fei)船上(shang)。貨運飛(fei)船立項之時(shi)，時(shi)值(zhi)集團公司開始進(jin)行型號數字(zi)化研制的(de)嘗試。“天(tian)舟一(yi)號的(de)數字(zi)化研制觸碰到(dao)了(le)一(yi)個很好的(de)契機。”五院貨運飛(fei)船數字(zi)化研制團隊成員們(men)感慨(kai)。
五院(yuan)借此(ci)成立“全(quan)三維(wei)數字化協同設計(ji)實驗(yan)室”，將正在孕育的(de)天舟一(yi)號推上數字化之路。而放眼中國航天領域(yu)，全(quan)三維(wei)數字化設計(ji)在新一(yi)代(dai)運(yun)載火箭上也普(pu)遍采用著。
對于數(shu)字化的優越(yue)性，設(she)計(ji)(ji)師郭軍輝感觸(chu)最深(shen)。天(tian)舟(zhou)一號整個貨物艙(cang)的電纜設(she)計(ji)(ji)全(quan)部出自他(ta)之手。“以構型布局設(she)計(ji)(ji)為(wei)例，按照(zhao)傳統的二維圖(tu)紙模(mo)式，貨船單(dan)艙(cang)段的設(she)備布局需要(yao)單(dan)人用30天(tian)完成，而采用全(quan)三維數(shu)字化設(she)計(ji)(ji)后，只需要(yao)15天(tian)。”郭軍輝說。
天舟一號從方(fang)案設(she)(she)計(ji)階(jie)段(duan)開始始終堅持(chi)數(shu)字化手段(duan)，打通了產(chan)品設(she)(she)計(ji)、工藝(yi)、生產(chan)、裝(zhuang)配、檢驗、交(jiao)付全(quan)過程的信息流。設(she)(she)計(ji)團隊(dui)通過探(tan)索基于三維模型的協同設(she)(she)計(ji)模式，顯(xian)著提高了航天器設(she)(she)計(ji)效率和質量。
中國航天科技集團公司