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中國“天舟一號”厲害了 多項技術趕超美歐

http://news.sina.com   2017年04月20日 07:24   僑報

  【僑報網綜合訊】“點火!”“起飛!”4月20日19時41分,由中國自主研製的首艘貨運飛船天舟一號在海南文昌發射中心發射成功。

  這是一次“零窗口”發射,即火箭在一定長度的發射窗口時間內,在緊貼窗口上沿的最優時間發射。而中國官方在前一日已公佈發射時間為:19時41分。分秒不差!

  按計劃,“天舟一號”發射入軌后,將進入高度約380公里的運行軌道,之后與在軌運行的天宮二號先后進行3次自主快速交會對接、3次推進劑在軌補加,以及空間應用和航天技術等多領域的實(試)驗項目。

  期間,“天舟一號”與“天宮二號”組合體在軌飛行約2個月,“天舟一號”獨立飛行約3個月。完成既定任務后,“天舟一號”將受控離軌,隕落至預定安全海域;“天宮二號”留軌繼續開展拓展試驗和應用。

  先來介紹一下“天舟一號”。

  天舟一號(圖片:新華社)

  “天舟一號”有兩個別稱。

  因為它的主要任務是為“天宮二號送貨”,所以它被形象的稱為太空“快遞小哥”。

  除此之外,“天宮一號”是中國航天計劃中太空實驗室計劃的試驗性飛行器,由其改進而來的“二姐”天宮二號,則是中國第一個真正的太空實驗室。而20日發射的“天舟一號”,同樣改進自”天宮一號“,可以说是“三妹”。“三妹”在發射之后2天內,將與“二姐”實現交會對接。

  “天舟一號”採用兩艙式結構,直徑較小的是推進艙,直徑較大的為貨物艙。其最大直徑達到3.35米,飛船全長10.6米,載荷能力達到了6.5噸,滿載貨物時重13.5噸。如果此次滿載的話,它很可能將成為中國發射進入太空的質量最大的有效載荷。甚至比天宮二號空間實驗室還大,后者全長10.4米,直徑同為3.35米,質量為8.6噸。

  據介紹,“天舟一號”貨運飛船共配有25N、120N、150N、490N四種不同推力量級的發動機。由於“天舟一號”運載量大,要求發動機工作時間和次數成倍增加,航天六院研製團隊對25N、120N、150N發動機的技術狀態進行了適應性改進設計,在不改變其性能的前提下,降低發動機工作溫度,攻克了這個世界性難題。為實現“天舟一號”更優性能,還採用了高性能的第二代490N發動機。不僅工作次數提高了10倍,而且密封性能更高,所有技術指標完全滿足飛船的任務需求。

  同時,此次由“長征七號”運載火箭發射“天舟一號”貨運飛船,也是液氧煤油發動機首次真正意義上的工程應用。“長征七號”運載火箭,由直徑3.35米的芯級和4個直徑2.25米的助推器組成,全箭長53.1米,起飛質量為594噸,動力系統全部採用了航天六院最新研製的綠色環保液氧煤油火箭發動機。

  说完了“天舟一號”,再介紹一下它此次飛行任務。

  在接下來為期3個多月的太空飛行中,“天舟一號”將與“天宮二號”先后進行3次交會對接,完成3次“太空加油”——在軌推進劑加注。此外,“天舟一號”還搭載了N多科研設備,將在獨自飛行期間完成一系列空間科學實驗。

  別看“天舟一號”的任務“不多”,但每一項都有“高難度”。

  與日常生活中的加油不同,“太空加油”不僅要加注燃料,還需要加注供燃料燃燒的氧化劑。燃燒劑和氧化劑兩者不能“見面”,否則會發生爆炸。它們的加注是由兩套系統獨立組成的,加注時序也不同。

  “天舟一號”貨運飛船系統總體副主任設計師雷劍宇说,“天舟一號”貨運飛船“太空加油”採用的是無增壓氣體損耗的氣體回用法。這種方法系統設計難度較大,但是氣體資源利用率高。

  這次“加油”,須在“天舟一號”和“天宮二號”對接鎖緊,補加裝置和管路氣密性好的前提下進行。第一步,“天宮二號”的壓氣機將手風琴狀的膜盒貯箱中的氣體壓回氣瓶,使“天宮二號”的燃料儲箱的壓力低於“天舟一號”;第二步,推進劑在壓力差的作用下,自動從“天舟一號”貯箱流入“天宮二號”貯箱,當兩側壓力一致時,加注工作完成;第三步,進行管路吹除,確保“天舟一號”和“天宮二號”分離時,殘留在管路中的推進劑不會在空間擴散,污染對接器件和航天器。

  至於“送貨的任務”。“天舟一號”的“入職培訓”第一課,就是學習如何快速找準“客戶”位置、在“客戶”要求的時間內將貨物送達。

  這次送貨,首次利用北斗導航星座的相對測量子系統的擴展性和通用性更高、定位更連續穩定,不僅確保了與“天宮二號”首次交會對接的自主可控,安全性大大提高,還因為新增的整秒脈衝輸出功能,為全船的相關設備都提供了高精度的時間基準,確保了大家統一步調、齊頭併進,把貨物準時送達!

  據悉,此次飛行任務是天舟貨運飛船和長征七號運載火箭組成的空間站貨物運輸系統的首次實用性亮相,將為中國空間站組裝建造和長期運營奠定重要技術基礎。

  除了貨運,“天舟一號還承擔著不少科學任務。這個項目包括兩個部分,空間蒸發與冷凝科學實驗,和兩相系統實驗平台關鍵技術研究。這是中國首次空間冷凝與蒸發相變傳熱科學與熱控技術實驗研究,也是中國首次在一個空間實驗裝置中開展2種以上科學與技術實驗的多目標流體物理空間實驗。

  其實,這次天舟一號發射成功非常不容易,許多技術也算領先國際。

  在軌推進劑補加技術是繼天地往返、交會對接、航天員中長期駐留技術后,中國載人航天工程的又一項關鍵技術。目前國際上掌握了在軌推進劑補加技術的只有俄羅斯和美國等少數國家,其中,最早實現在軌加注應用的為俄羅斯。

  1978年,蘇聯(現俄羅斯)“禮炮六號”空間站首次實現了在軌加注,目前,國際空間站已經成功進行多次在軌加注工作。

  以往,在軌加注技術的主要對象是空間站等大型航天器,近年來,針對尺寸相對較小的航天器——衛星進行的在軌加注開始成為各國研究的熱點。目前,美國通過“軌道快車”等計划進行了不少在軌加注實驗,其在軌加注技術走在世界先進前列。

  中國航天科技集團五院研究員龐之浩说,最初的貨運飛船都是從載人飛船演變過來,蘇聯對聯盟號載人飛船進行改裝,“拆掉座椅、環境控制與生命保障、返回著陸和應急救生等系統”,使進步號貨運飛船每次飛行可送去2噸左右的物資。

  俄羅斯“進步”貨運飛船是人類第一艘貨運飛船,首艘飛船於1978年1月20日,在拜科努爾航天中心發射。“進步”貨運飛船為無人駕駛飛船,由儀器艙和貨艙組成,貨艙容積6.6立方米,可運送2.6噸各類貨物。燃料艙帶1噸燃料,可自行飛行4天。最新型“進步MS”系列飛船具有防護太空垃圾和微隕石的能力。“進步”貨運飛船不可回收,一般在完成補給任務后,航天員會將空間站上産生的各種生活垃圾和廢物填入飛船,飛船隨后離軌自行銷毀。

  而美國政府在21世紀初提出“商業軌道運輸服務”計劃,旨在讓私營公司研發用於空間站貨運及乘組運輸的航天器。美國太空探索技術公司(SpaceX)的“龍飛船”、美國阿聯特技術系統公司和軌道科學公司的天鵝座貨運飛船、美國內華達山脈公司的追夢者航天飛機等“應運而生”。

  “龍”飛船由美國太空探索公司研發,飛船帶有熱防護罩,可在返回地球時耐受極高溫安全降落,實現回收並重覆使用,這使得“龍”飛船成為第一種具備大量貨物下行能力的貨運飛船。“龍”飛船長5.9米,最大直徑3.6米,自重4.2噸,其運送載荷最大質量6噸,返回載荷最大質量3噸。迄今,“龍”飛船為國際空間站執行11次貨運任務,成功10次。

  而重約13噸、貨運能力約為6噸的“天舟一號”將開啟空間站時代的黎明。

  據“天舟一號”總設計師白明生介紹,“天舟一號”的載貨比(即貨物重量占整個飛船的總重量的比例,是考核貨運飛船的主要指標,載貨比數值越高,说明運載效率越高)較高,將來還可以進一步優化到0.48,該數值將超越歐洲、日本等國家的現役貨運飛船,處於國際領先水平。

  此外,空間兩相流體與傳熱是國際空間站的科學研究熱點課題,歐美日等國的空間研究機構都有空間實驗計劃和在軌實驗裝置。本項組合式相變傳熱空間實驗方案由中國科學家首次提出,並將在“天舟一號”上實施,早於歐空局等相關項目的實施時間。

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