發布時間：2018-04-28
4月(yue)20日晚，中國航天(tian)人在(zai)天(tian)地間搭建起運輸“走廊”。
按照我國載人航(hang)天工程“三步走”戰略，由中國航(hang)天科技集團公司抓總研制(zhi)的(de)貨運飛船(chuan)是載人空間(jian)站工程的(de)重要組成(cheng)部分。伴隨(sui)我國首艘貨運飛船(chuan)天舟一號的(de)發射入軌(gui)，空間(jian)站建設和長(chang)期在軌(gui)運營成(cheng)為可能。
首(shou)艘(sou)貨運飛船聚焦4方面驗證
天(tian)(tian)舟系列(lie)貨(huo)運飛(fei)船(chuan)是為載人航天(tian)(tian)工程全新研(yan)制的航天(tian)(tian)器。天(tian)(tian)舟一(yi)號(hao)的研(yan)制者們沒(mei)有一(yi)味追求飛(fei)船(chuan)總重(zhong)量或貨(huo)物重(zhong)量單方面的高(gao)數值(zhi)，而是根據未(wei)來空間站實際(ji)規模和任務需求，打造了一(yi)個“規模適度(du)”的貨(huo)運飛(fei)船(chuan)。
雖(sui)然是(shi)首飛(fei)型號(hao)，設(she)計人員對貨(huo)運(yun)飛(fei)船(chuan)技術指標的(de)自我要(yao)求卻極為苛刻。貨(huo)運(yun)飛(fei)船(chuan)的(de)載貨(huo)比達到0.48，這是(shi)一個(ge)世界(jie)現役貨(huo)運(yun)飛(fei)船(chuan)均未(wei)企及的(de)數值。
可是，為什么要建造這樣(yang)一艘“很(hen)能(neng)裝貨但載不了人”的(de)飛(fei)船呢？
“未來，我國要建造長(chang)期有人照料的空間站，航天員在太空需要生(sheng)(sheng)活、工作物(wu)資，空間站運(yun)轉需要推(tui)進劑補給(gei)，廢棄物(wu)也需要被帶回大氣層燒毀。”天舟一號貨運(yun)飛船總設計師白(bai)明生(sheng)(sheng)解(jie)釋(shi)。
取決于這樣的(de)(de)需求，貨運飛(fei)船(chuan)的(de)(de)主要任務被我國載人航天工程的(de)(de)建設者們嚴謹地明確為(wei)：“為(wei)空(kong)(kong)(kong)間(jian)站（空(kong)(kong)(kong)間(jian)實(shi)驗室）上行(xing)運輸和(he)在軌(gui)存(cun)儲(chu)、補給物資；為(wei)空(kong)(kong)(kong)間(jian)站（空(kong)(kong)(kong)間(jian)實(shi)驗室）存(cun)儲(chu)和(he)下行(xing)廢棄物資并受(shou)控隕(yun)落于預定區域；配合空(kong)(kong)(kong)間(jian)站（空(kong)(kong)(kong)間(jian)實(shi)驗室）進行(xing)組合體軌(gui)道(dao)和(he)姿(zi)態控制(zhi)；支持(chi)開(kai)展適應貨運飛(fei)船(chuan)能力的(de)(de)空(kong)(kong)(kong)間(jian)應用和(he)技術試驗。”
“通(tong)俗點來說(shuo)，貨(huo)運飛(fei)船的(de)任務就是運貨(huo)、加油和開展相應試驗。”五院載人(ren)航(hang)天總體部研究(jiu)室主任黃(huang)震言(yan)簡意賅地(di)概括道(dao)。
區別于我國(guo)后(hou)續正式(shi)投入運營的貨運飛(fei)(fei)船(chuan)，作為(wei)“先行者”，此(ci)次天舟一號的主要(yao)任務目標聚(ju)焦于4大方面的“驗證”。“沒有試(shi)飛(fei)(fei)的余地，首飛(fei)(fei)就要(yao)完成任務。”研(yan)制人員坦(tan)言壓力不小。
最大(da)的(de)難點來自于(yu)兩個航天器的(de)協同工作。天舟一號要在(zai)空間實(shi)驗室的(de)配(pei)合下，除了驗證推進(jin)劑(ji)在(zai)軌補加技(ji)術，還要開展貨運飛船(chuan)控制組合體、繞(rao)飛至前向(xiang)交會對(dui)接、快速(su)交會對(dui)接等一系列試驗。
此外(wai)，貨運(yun)飛船的功能(neng)(neng)和性能(neng)(neng)也(ye)將(jiang)通過天(tian)(tian)舟一號(hao)得到全面考核。而為最大(da)限度發揮應(ying)(ying)用(yong)平(ping)臺效能(neng)(neng)，天(tian)(tian)舟一號(hao)還支持開展空間應(ying)(ying)用(yong)及技術(shu)試（實）驗，能(neng)(neng)夠(gou)實現“一次(ci)飛行、多方受益”的目標(biao)。
開(kai)啟載人航(hang)天(tian)器型譜化設計
在我(wo)國航(hang)天界(jie)，“型譜化”的(de)概念最早使用于運載(zai)火箭。公(gong)眾也許不會忘記，大約半年前，這(zhe)一(yi)(yi)概念曾(ceng)作為大型運載(zai)火箭長征五(wu)號首飛的(de)一(yi)(yi)大亮點被反復提及。正(zheng)是長征五(wu)號的(de)研制發射，為我(wo)國新一(yi)(yi)代運載(zai)火箭型譜化、系列(lie)化的(de)發展奠(dian)定(ding)了基礎。
然而在我(wo)國載人航天器設計領域，盡管神舟(zhou)系列飛船取得了(le)11戰(zhan)11捷的(de)(de)優(you)異(yi)成績(ji)，是高度安全(quan)、可靠、穩定的(de)(de)載人飛船，但其設計理念并不能被稱為“型(xing)譜化”。
“并不是將已有(you)不同規格的(de)同類產品簡(jian)單羅(luo)列(lie)、組合，或者(zhe)不斷改進(jin)現有(you)產品特性、功能(neng)，就叫‘型譜(pu)化’。”航天專家朱毅麟曾專門厘(li)清這一(yi)概念(nian)的(de)定義，“真(zhen)正的(de)‘型譜(pu)化’，是指(zhi)一(yi)個產品系列(lie)能(neng)滿足較長時期及(ji)一(yi)定范圍內的(de)全(quan)部使用要求(qiu)。”
天舟(zhou)系列貨(huo)運飛(fei)船(chuan)就是符合上述標(biao)準的型譜化產品，由貨(huo)物艙(cang)和推(tui)(tui)進(jin)艙(cang)兩艙(cang)結構組(zu)成。其中(zhong)，貨(huo)物艙(cang)裝載貨(huo)物和設備(bei)，推(tui)(tui)進(jin)艙(cang)為貨(huo)運飛(fei)船(chuan)提供電力能源、推(tui)(tui)進(jin)控制(zhi)動力并(bing)裝載推(tui)(tui)進(jin)劑。
五(wu)院載人航天總體部研制團隊(dui)采用模(mo)(mo)塊化(hua)思路，為貨(huo)(huo)(huo)(huo)運(yun)飛船設計(ji)了4種模(mo)(mo)塊。除公用的(de)一體化(hua)設計(ji)的(de)推進艙模(mo)(mo)塊外，針對運(yun)輸貨(huo)(huo)(huo)(huo)物(wu)的(de)不同類型和需求，貨(huo)(huo)(huo)(huo)運(yun)飛船可選(xuan)用全密封貨(huo)(huo)(huo)(huo)物(wu)艙模(mo)(mo)塊、半(ban)開(kai)放(fang)貨(huo)(huo)(huo)(huo)物(wu)艙模(mo)(mo)塊或全開(kai)放(fang)貨(huo)(huo)(huo)(huo)物(wu)艙模(mo)(mo)塊。
“模塊(kuai)化設計(ji)提高了貨運(yun)飛(fei)船的任(ren)務適應能力和任(ren)務拓展度，降(jiang)低了研制周期和成本，可以通過(guo)有限的飛(fei)行試驗快速提高平臺可靠性。”黃震(zhen)認為(wei)。
通過3種不同貨物艙模塊與推進艙模塊的“搭積木”組合，天(tian)舟系列(lie)貨運(yun)飛(fei)船全密(mi)封、半開(kai)放和全開(kai)放的3種型(xing)譜(pu)就此形成(cheng)。作為(wei)首發貨運(yun)飛(fei)船，天(tian)舟一號被(bei)設計為(wei)全密(mi)封型(xing)譜(pu)狀態。
“這樣的(de)設計使以(yi)后運輸不(bu)同物(wu)資的(de)貨運飛船之間的(de)接口(kou)更加統一化和規范化，順應(ying)了載人航天(tian)器通(tong)用化、批(pi)量化、系(xi)列化發展(zhan)的(de)要求(qiu)。”白(bai)明生說。
未(wei)來，3種型譜的貨(huo)(huo)運(yun)(yun)飛(fei)船分工(gong)明確(que)。全密(mi)封貨(huo)(huo)運(yun)(yun)飛(fei)船主要(yao)用于運(yun)(yun)輸(shu)航(hang)天員消耗品、密(mi)封艙(cang)內設備和試驗載荷，半開(kai)(kai)放(fang)貨(huo)(huo)運(yun)(yun)飛(fei)船可以(yi)滿足太陽電池翼等艙(cang)外(wai)物資的運(yun)(yun)輸(shu)需(xu)求，而(er)全開(kai)(kai)放(fang)貨(huo)(huo)運(yun)(yun)飛(fei)船則主要(yao)負責運(yun)(yun)載大型艙(cang)外(wai)貨(huo)(huo)物。
載人(ren)飛(fei)(fei)船型譜(pu)化(hua)應用的成功典范要數(shu)俄(e)羅斯的聯(lian)盟(meng)(meng)號系(xi)列飛(fei)(fei)船。作(zuo)為世界上(shang)最(zui)早(zao)且至今(jin)仍(reng)有效運營的載人(ren)飛(fei)(fei)船，聯(lian)盟(meng)(meng)號自上(shang)世紀60年(nian)代以來(lai)，經歷(li)數(shu)次升(sheng)級換代，衍生出多種(zhong)適應不同(tong)任務(wu)需求的貨運飛(fei)(fei)船型譜(pu)。
“我國載人航(hang)天(tian)(tian)工程起步雖(sui)晚(wan)，但(dan)起點(dian)高(gao)，具有(you)高(gao)可靠性和安(an)全性的(de)設計。如今，我們從天(tian)(tian)舟一(yi)號(hao)開始(shi)，邁(mai)出了載人航(hang)天(tian)(tian)器(qi)型譜化設計的(de)第一(yi)步，這也(ye)是我們空間(jian)站建設國際(ji)化的(de)重要基礎。”天(tian)(tian)舟一(yi)號(hao)貨運飛船總指(zhi)揮金勇說。
打造(zao)自(zi)主(zhu)可控的(de)數字空間站
空間站(zhan)建(jian)設是龐大且復雜的系統工程，其設計者目光放得(de)長遠。這一(yi)點在天舟一(yi)號(hao)貨運飛(fei)船的諸多細節方面得(de)以窺見。
作為(wei)貨運飛(fei)船飛(fei)行驗(yan)(yan)證(zheng)(zheng)平臺的天(tian)舟一號，首次大(da)刀闊斧地(di)使用了7大(da)類、上百種的國產(chan)新研核(he)心(xin)元器(qi)件，提(ti)前驗(yan)(yan)證(zheng)(zheng)空間站(zhan)中所(suo)用的關鍵元器(qi)件。
例如，此前載人飛船采用的是低壓(ya)供電，而未來我國空間站面(mian)臨(lin)更大載荷和功率，必須采用100伏(fu)的高壓(ya)供電。為(wei)提高傳輸效率，天舟一(yi)號采用了全新自主(zhu)研制的國產(chan)100伏(fu)高壓(ya)器(qi)件。
首次在國內(nei)航天器(qi)(qi)(qi)上采用的(de)(de)100伏厚膜電(dian)(dian)源模塊被應(ying)用到了整船(chuan)所有(you)的(de)(de)關(guan)鍵電(dian)(dian)子單機上，帶來(lai)的(de)(de)改變不(bu)僅(jin)是(shi)整船(chuan)幾十(shi)公斤(jin)配電(dian)(dian)設(she)備重(zhong)量的(de)(de)優化(hua)和(he)各電(dian)(dian)子單機尺寸(cun)的(de)(de)縮小，更重(zhong)要(yao)的(de)(de)是(shi)突破(po)國外(wai)的(de)(de)技術封鎖，加速了航天器(qi)(qi)(qi)核心元(yuan)器(qi)(qi)(qi)件設(she)計的(de)(de)國產化(hua)進程(cheng)。
看似不(bu)大的元(yuan)器件(jian)，背后牽扯的系統工(gong)作卻千頭萬緒。每當說(shuo)起具(ju)體細節，設(she)計師們愛用“一言(yan)難(nan)盡”來(lai)輕描(miao)淡寫攻(gong)關(guan)的難(nan)。他們說(shuo)，一想到(dao)未來(lai)空間站建設(she)的關(guan)鍵(jian)命脈牢牢握在自己手中，“心(xin)里就不(bu)慌了(le)”。
全三維數(shu)字化(hua)(hua)設計也被淋(lin)漓盡(jin)致地應用到(dao)了(le)貨運(yun)飛船(chuan)上。貨運(yun)飛船(chuan)立(li)項之時(shi)，時(shi)值集團公司開始進行型(xing)號數(shu)字化(hua)(hua)研制(zhi)的(de)嘗試。“天舟(zhou)一號的(de)數(shu)字化(hua)(hua)研制(zhi)觸碰到(dao)了(le)一個很好的(de)契機(ji)。”五院貨運(yun)飛船(chuan)數(shu)字化(hua)(hua)研制(zhi)團隊成員們感(gan)慨。
五院借此成(cheng)立“全三(san)維數字(zi)化(hua)協同設計(ji)實驗室”，將正在孕育的(de)天(tian)舟(zhou)一(yi)(yi)號推(tui)上數字(zi)化(hua)之路(lu)。而放(fang)眼中國航天(tian)領域(yu)，全三(san)維數字(zi)化(hua)設計(ji)在新(xin)一(yi)(yi)代運載火(huo)箭上也普遍采用著。
對于數(shu)(shu)字化(hua)的(de)優(you)越性，設計(ji)師郭軍輝感觸最深。天舟一號整個貨物艙(cang)的(de)電纜(lan)設計(ji)全(quan)部(bu)出自(zi)他之手。“以構型布局設計(ji)為例，按照傳統的(de)二維圖紙(zhi)模式(shi)，貨船(chuan)單(dan)艙(cang)段的(de)設備布局需要單(dan)人用(yong)(yong)30天完成，而(er)采(cai)用(yong)(yong)全(quan)三(san)維數(shu)(shu)字化(hua)設計(ji)后(hou)，只需要15天。”郭軍輝說。
天(tian)舟一號從(cong)方案設(she)計(ji)階段(duan)開始始終(zhong)堅持(chi)數字化手段(duan)，打通了產品(pin)設(she)計(ji)、工藝、生產、裝配、檢(jian)驗、交付(fu)全過(guo)程(cheng)的信(xin)息流。設(she)計(ji)團隊通過(guo)探索基于三維模型的協(xie)同設(she)計(ji)模式(shi)，顯著提高(gao)了航天(tian)器設(she)計(ji)效率和(he)質量。
中國航天科技集團公司