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  11月12日,随着海南文昌海岸上急速升腾起一股壮美的白烟,由航天科技集团五院(以下简称五院)抓总研制的天舟五号货运飞船在长征七号火箭的稳稳托举下,满载货物飞天云霄,跨越星海奔赴天宫。随后,仅用2个小时,天舟五号便实现了与空间站天和核心舱后向对接口的顺利对接。

  ▲ 长七火箭发射(邓雨楠 摄)

  天舟五号是中国空间站在太空形成“T”字构型后迎来的首位“访客”,也是中国航天员首次在轨迎接货运飞船。值得关注的是,这次交会对接用时大幅缩短,创造了空间站阶段的交会对接最快记录,让人类航天器交会对接用时进入“2h”时代。

  世界最快!堪称“太空货运高铁”

  从按下发射按钮到与空间站交会对接,天舟五号货运飞船仅用2个小时,不仅一举改写了此前国际空间站由俄罗斯联盟号飞船MS-17于2020年10月14日创造的3小时3分钟的纪录,而且缩短时长达1/3。我国快速交会对接技术成功在轨实施,标志着中国航天交会对接技术取得新的技术突破。

  “快”是天舟系列货运飞船的显著特点,也是核心难点。为了攻克和掌握自主快速交会对接技术,五院飞船制导导航与控制(GNC)系统研制人员向着技术高峰发起顽强冲锋,进行了持续多年的艰苦攻关。2017年9月12日,我国利用天舟一号成功开展与天宫二号空间实验室的6.5小时快速交会对接在轨试验,成为世界上第3个掌握近地快速交会对接的国家。2021年以来,天舟二号、天舟三号、天舟四号在与天和核心舱交会对接时,均采用自主快速交会对接方案,实现了技术的持续进步。

  与天舟货运飞船此前的6.5小时快速交会对接相比,天舟五号主要从两方面进行了方案的调整。一是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,将多次变轨压缩为了两次综合机动,该部分用时由原来的约4个小时减少到约1个小时。二是在近距离自主控制段,减少了多个用以确认飞船状态的停泊点,类似动车组减少经停车站数量一样,加快了接近速度,该阶段时长由2个多小时缩短为约40分钟。

  2小时快速交会对接技术对飞船飞行要求很高,在此次飞行任务中实现突破,对于中国空间站的长期在轨运营具有重大现实意义。这不仅意味着运输时长的大大缩短,使运输特殊鲜活试验品成为可能,而且能够极大增强太空紧急救援能力。从6.5小时到2小时,既标志着我国的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,也标志着交会对接模式更加多样化、功能更加丰富,适应能力更强,即我国的空间交会对接技术更趋成熟。

  中国空间站在距离地面约400公里的轨道上运行。天舟五号仅用2个小时就飞抵对接,可谓实现了“太空货运专列”到“太空货运高铁”的华丽升级,让航天员们的幸福感“直线拉满”,让太空见证新的“中国速度”。

  亮点满满!任务开创多个首次

  天舟五号是我国第5艘货运飞船。此次任务也是天舟货运飞船与长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的第4次应用性飞行。

  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,与通用推进舱模块组合形成全密封货运飞船、半密封货运飞船和全开放货运飞船3种型谱。其中,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。

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  天舟五号上装载了航天员系统、空间站系统、空间应用领域的货物共计约5吨,携带补加推进剂约1.4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。同时,天舟五号还充分利用货运飞船上行运力资源,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,能够实现更高的综合效益。

  11月3日,中国空间站梦天实验舱顺利完成转位,中国空间站“T”字构型组装完成。仅过9天,天舟五号即来到访。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。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。

  此次任务还是在中国空间站有人驻留的情况下进行的首次货运飞船交会对接。为了进一步提高近距离交会对接过程的可靠性,天舟五号还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,航天员同步在“天宫”之中密切关注着“天舟”的各个动作和各项参数。当对接圆满完成,“天舟”妥妥“停稳”后,航天员将很快进入其中,拿到来自地面的“家乡货”。

  天舟五号上还搭载了由五院529厂自主研发的燃料电池发电系统载荷,计划开展我国首次燃料电池空间在轨试验。月球上一天大约相当于地球上的一个月,未来开展载人探月任务,必须应对在月夜长时间无太阳光照等严苛环境,如果采用传统储能发电系统,则会导致重量大幅增加,无法满足任务需要。科研人员将目光投向具有较高比能量的燃料电池,开展了近十年的研究探索。通过此次搭载任务开展太空实验,将验证燃料电池在微重力等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,推动宇航燃料电池工程应用发展,为我国载人探月任务推进提供有力支持。

  使命必达!天舟飞船连战连捷

  有了货运飞船,人类太空长期驻留才成为可能。根据中国载人航天“三步走”发展战略,为了满足空间站任务需要,我国于2011年启动天舟货运飞船研制工作。历经数年艰苦攻关,天舟团队坚持自立自强、勇于创新,突破并掌握了一系列核心和关键技术,成功研制出“身强力壮功能多”的天舟飞船。天舟一号货运飞船全长10.6米,最大直径3.35米,最大装载状态下重量达13.5吨,一次能送6吨多货物上天,于2017年4月成功发射。党中央、国务院、中央军委对天舟一号飞行任务圆满成功发来贺电,指出这标志着我国载人航天工程第二步胜利完成,对于实现不懈追求的航天梦,具有十分深远的意义。天舟一号货运飞船的体积、重量均创下当时我国航天器之“最”。

  从天舟二号起,货运飞船要面向空间站建造与在轨运营任务需要,为这座“太空家园”运输和存贮货物,运输和补加推进剂,并将废弃物收集、存放,带回大气层销毁。“一约既定,使命必达!”天舟团队牢记殷切期望,撸起袖子加油干,开拓创新攀高峰,全面加强平台方案和货运方案的系统优化设计和可靠性设计,推动元器件自主可控,实现了高效多能、高度自主、高可靠性和高安全性设计目标,实现飞船总体性能达到国际先进水平。2021年5月29日、2021年9月20日、2022年5月10日,天舟二号、天舟三号、天舟四号先后成功发射,与天和核心舱顺利对接后,在轨进行了一系列拓展应用试验。2022年3月31日、2022年7月27日,天舟二号、天舟三号在完成在轨使命、交出圆满答卷后,先后受控离轨再入大气层。

  为了满足密集发射的需要,天舟货运飞船实行组批生产的方式,同一批次的外形、功能相似或相近。据天舟货运飞船总设计师白明生介绍,天舟三号、四号、五号一批生产出来;天舟六号到十一号是另外一批。从天舟六号开始,会进行系统升级,如对货物舱进行比较大的改进,大幅度增强密封舱的货物运输能力等,这样给航天员提供的物资可以支撑更长的时间。

  惊喜不断!更多精彩值得期待

  兵马未动,粮草先行。天舟五号“到访”后,神舟十五号载人飞船很快也将发射,3位航天员将与目前正在浩瀚太空“出差”的神舟十四号航天员实现“太空会师”。届时,中国空间站将首次实现6名中国航天员在轨驻留,迎来“满员”。航天员将在太空中共同开展工作,分别在天和核心舱、问天实验舱度过“夜晚”,并完成在轨交接。天舟五号货运飞船运来的物资,也将为他们同时在轨工作和生活以及神舟十五号航天员后续半年的驻站提供最充分、最踏实的保障。

  在天舟五号货运飞船上,还搭载了由五院航天东方红卫星有限公司抓总研制的“澳门学生科普卫星一号”,这是我国为了密切加强内地与澳门航天科技合作,推动澳门航天事业发展采取的一项重要举措。2022年3月,卫星正式命名。

  再过不久,这颗卫星就要从天舟五号上放飞,在太空中向世界奉上“中国科普大片”。近年来,越来越多香港、澳门科学家深度参与中国航天工程任务,汇聚成了同心共筑航天强国梦的强大力量。

  来源:五院政治工作部、总体设计部、502所、529厂、航天东方红有限公司

  文字:查睿萌、张国航、时小丹、潘威振、庞 丹

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