天舟一号货运飞船发射升空后,要实现在太空中的轨道机动、姿态调整,还要完成与天宫二号交会对接、分离等动作。

天舟一号货运飞船发射取得圆满成功。 新华社发

在茫茫太空中,每一个精准动作的背后都离不开天舟一号姿轨控发动机的有序工作。

夜晚的滨海发射场,海风轻拂。乳白色的长征七号遥二火箭,在聚光灯的照射下,分外耀眼。

能力越大 责任越大

19时41分,随着点火口令的发出,发射场响起地动山摇般的轰鸣声,拖曳着白色尾焰的长征七号火箭冲天而上。

天舟一号共配有25牛、120牛、150牛、490牛发动机4种不同推力量级的36台发动机,它们通过默契的配合,力保飞船的“俯仰有度,动静自如”。作为飞船的动力源泉,每一台发动机的工作精确与否,都关系着整船的飞行任务能否顺利完成,必须确保发动机具有100%的工作可靠性。

约596秒后,飞船准确入轨。天舟一号发射场区指挥部指挥长张学宇宣布发射成功。

天舟一号的运载量大,使得发动机工作时间和工作次数成倍增加。如何大幅提高各发动机的工作可靠性,成了发动机研制团队面临的头号问题。

此时,在太空已巡游7个多月、绕行地球3396圈的天宫二号正在期待快递的到来由于天舟一号只送货不送人,因此获得了一个恰如其分的绰号:太空快递小哥。

经过充分论证,航天科技集团六院801所研制团队决定对25牛、120牛、150牛发动机的技术状态进行适应性改进设计。在不改变性能的前提下,降低发动机工作温度,这是一个“牵一发而动全身”的改动。

天舟一号的设计寿命不少于5个月,其中,组合体计划飞行2个月,天舟一号独立运行不少于3个月。为了避免成为太空垃圾,在轨任务结束后,天舟一号将携带空间废弃物带回大气层,并受控至南太平洋预定安全海域上空陨落。

反复验证 确保可靠

●南方日报驻京记者 王腾腾

发动机工作涉及雾化、燃烧等复杂的物理化学过程,是一个世界性的难题,不仅需要理论分析和仿真计算,还需要大量的试验验证。团队成员并没有因此心生倦怠,而是凝心聚力、脚踏实地奋斗。有时为了获取一台发动机的试验结果,研制团队需要连续进行1个多月的试验。

我国将开启空间站时代

经过充分的实验验证,研制团队拿到了第一手的试验数据,并与总体单位、分系统部门进行了多轮沟通。最终,天舟一号各级系统均采纳了发动机的改进方案,型号总师高度认可发动机改进工作的意义。

这次任务是我国载人航天工程三步走发展战略第二步的收官之作,标志着我国即将开启空间站时代。货运飞船于2011年立项,由中国航天科技集团公司五院载人航天总体部负责抓总研制,主要任务是为空间站上行运输和在轨存储、补给物资;为空间站存储和下行废弃物资并受控陨落于预定区域;配合空间站进行组合体轨道和姿态控制;支持开展适应货运飞船能力的空间应用和技术试验。

超越自我 性能领先

货运飞船由结构与机构、GNC、测控与通信、数管、电源、仪表与照明、推进、对接机构、热控、环控、货运保障、空间技术试验和总体电路13个分系统组成。

在确保可靠性的基础之上,为实现天舟一号更优的工作性能,研制团队还提出了采用高性能的第二代490牛发动机。

2013年,货运飞船被正式命名为天舟。天舟一号的4大任务目标是:与空间实验室配合,验证推进剂在轨补加技术;全面考核货运飞船功能和性能;在空间实验室配合下,开展货运飞船控制组合体、绕飞至前向交会对接、快速交会对接等试验;支持开展空间应用及技术试验。

第一代490牛发动机研制于上世纪80年代,限于当时的技术水平,已经不能满足日益增加的飞行任务要求。

中国计划在2022年前后建成空间站,其初步规模包括一个核心舱和两个实验舱,如果想保持航天员长期在轨飞行,货运飞船是必可不少的。

在“十一五”期间开始研制的第二代490牛发动机,历经10年时间,突破了7项关键技术,实现了490牛发动机的更新换代,在我国的东方红四号平台卫星中得到了广泛应用。新型发动机性能优越,可以较好地延长卫星寿命。

载荷6.5吨超美俄现役飞船

第二代490牛发动机投入到“天舟一号”飞船上使用时,工作次数是原来的10倍。加之飞船的密封性能要求更高,研制团队经细致周密的论证,调整了设计方案,采用更好的推进剂控制阀门,短期内完成了多台次的鉴定级热试车考核,技术指标完全满足新的任务需求。

天舟一号是我国目前为止体积最大、重量最重的载人航天器,采用两舱式结构,由货物舱和推进舱组成,其中货物舱安装货物、设备,推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂,最大直径达到3.35米,飞船全长10.6米,载荷能力达到了6.5吨,满载货物时重13.5吨。如果此次满载的话,它很可能将成为中国发射进入太空的质量最大的有效载荷,比天宫二号空间实验室还大。后者全长10.4米,直径同为3.35米,质量为8.6吨。

天舟一号姿轨控发动机研制团队明知发动机研制的路上充满困难,要实现国际先进水平更是常人无法想象的艰辛,但他们仍旧毅然前行。

4月18日美国发射的天鹅座飞船运载能力为2.7吨,美国的龙飞船运送载荷最大质量6吨,返回载荷最大质量3吨。

面对研制过程中的各种辛酸波折,团队负责人姚锋这样说:“人生最惬意的不是成功的那一刻,而是成功后回想奋斗过程中的艰辛。”
来源:航天科技网站

苏联进步号货运飞船货舱容积为6.6立方米,运载能力为2.6吨。

欧洲的货运飞船叫自动转移飞行器,重量约10吨,运货能力可达7吨,是迄今运载能力最大的货运飞船,从2008年起到2014年共发射了5次,但目前已经停止建造。

发射时间误差控制在1秒内

作为天舟一号的不二座驾,长征七号火箭功不可没。火箭总长53.1米,芯级直径3.35米,捆绑4个2.25米助推器,起飞重量597吨,运载能力将达到近地轨道13.5吨、太阳同步轨道5.5吨。是满足载人空间站工程、发射货运飞船的需求而研制的新一代高可靠、高安全的中型液体运载火箭,采用两级半构型,达到国外同类火箭先进水平。

火箭采用新三垂测发模式,缩短了在发射场发射阵地的工作时间,全箭体采用防水设计,满足中雨发射条件,增强了运载火箭对海南发射场的适应性。

本次发射要求火箭零窗口发射才能准确进入天宫二号运行的轨道面,所谓零窗口,就是要求发射误差在1秒钟以内。为此,技术人员开展了故障预案的再梳理,针对射前关键环节分析可靠性保障措施,并制定了相关的预案,确保发射前出现故障有预案,能够保障流程的顺利执行;开展了推迟发射的适应性及入轨精度分析,提升了任务的适应性。

终于,火箭实现零窗口发射,准时点火升空,确保了天舟一号准时准点入轨。

天舟一号货运飞船发射圆满成功 将与天宫二号先后进行3次交会对接

据新华社
4月20日19时41分,搭载着天舟一号货运飞船的长征七号遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火发射,约596秒后,飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。

这是天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的首次飞行试验。飞船入轨后,将按预定程序与在轨运行的天宫二号先后进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接,3次推进剂在轨补加以及空间应用和航天技术等领域的多项实验。其间,天舟一号与天宫二号组合体在轨飞行约2个月,天舟一号独立飞行约3个月。完成既定任务后,天舟一号将受控离轨,陨落至预定安全海域;天宫二号留轨继续开展拓展试验和应用。

目前,天宫二号运行在距地面393公里的近圆对接轨道,设备工作正常,运行状态良好,满足交会对接任务要求。

长征七号遥二运载火箭与之前执行首飞任务的长征七号遥一运载火箭技术状态基本一致,为满足发射货运飞船要求,进行了部分技术状态更改,进一步提高了安全性与可靠性。这是长征系列运载火箭的第247次飞行。

为了太空送货 天舟一号练就一身绝活儿

作为将承担中国空间站建设的重要任务并被寄予厚望的货运飞船,天舟一号必须保证出色地完成任务。目前来看,这单太空快递并不轻松,大量载荷、推进剂在轨补加、全自主绕飞等技术都十分具有挑战性。

不过,没有金刚钻,天舟一号也不揽这瓷器活。本报记者将为您逐一解密这位太空快递小哥的独门绝技。

优秀动力源

突破7项关键技术

天舟一号货运飞船上,共配有25N、120N、150N、490N发动机四种不同推力量级的36台发动机,他们通过默契的配合,力保天舟一号货运飞船在轨飞行速度是子弹飞行速度8倍的情况下,能够实现俯仰有度,动静自如。

作为飞船的动力源泉,每一台发动机的工作精确与否,都关系着整船的飞行任务能否顺利完成,因此必须确保发动机具有100%的工作可靠性。天舟一号的运载量大,要求发动机工作时间和工作次数成倍的增加,也就意味着发动机可靠工作的裕度下降。如何在较短的研制周期内,大幅提高各发动机的工作可靠性是极为重要的。

经过充分论证比较,中国航天科技集团第六研究院研制团队决定对25N、120N、150N发动机的技术状态进行适应性改进设计,在不改变性能的前提下,降低发动机工作温度,这是一个牵一发而动全身的改动。由于发动机工作涉及雾化、燃烧等复杂的物理化学过程,是一个世界性的难题,不仅需要理论分析和仿真计算,还需要大量的试验验证。在研制团队坚持不懈的努力下,天舟一号各级系统均采纳了发动机的改进方案,满足了型号总体提出的技术要求。

为实现天舟一号更优的工作性能,研制团队还提出了采用高性能的第二代490N发动机。他们历经10年时间,突破7项关键技术,实现了490N发动机的更新换代。第二代490N发动机在天舟一号飞船上使用,不仅工作次数提高了10倍之多,而且密封性能更高。

千锤百炼

不断挑战承载极限

外观上看天舟一号货运飞船的构造类似于天宫一号,都是由大直径的货物舱和小直径的推进舱组成,货物舱用于装载货物,推进舱为整个飞船提供电力和动力及装载补加推进剂,但是这只是表象,其实天舟一号内部有大玄机:作为装载航天员快递的大力士,天舟一号运载能力超过6吨,接近天宫一号有效载荷的2倍,高于俄罗斯研制的进步号M型和美国的天鹅座飞船扩展型。以公开数字为准,天舟一号的载货比同样高于日本和欧洲的货运飞船。打铁还需自身硬,天舟一号高效承载实际上离不开它自身的不断锤炼精进。

首先,它需要把自己锻炼得更加强硬。对于天舟一号实现的大承载,内部采用的高效承载货架设计功不可没。表面上看,这货架和普通的书架类似,但其细节和构型都是经过多轮分析讨论的结果,货架采用一种基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构,形成大量的标准装货单元,传力效果好,结构与货物重量比达到8%。

同时,采用适用于蜂窝板的预埋封边梁方法,巧妙地消除蜂窝板结构锐边,既避免划伤人手,又解决了边缘薄弱、易破坏的问题。为了不断挑战承载极限,设计师还精心设计了一种大承载轻量化预埋结构,既能适应传统刚性结构安装,又能适应柔性束缚带的连接承载,经过测试,三个这种预埋结构就可以承载一台豪华轿车。

此外,大承载货架结构与密封舱主结构的连接环节也是结构设计一大亮点,碳纤维结合铝合金的设计,避免了在轨环境下内压载荷对结构造成的破坏。这一项项先进、便利的技术成就了高效承载的货架结构,保证天舟一号稳固地运送货物。

减脂瘦身

精准去除部分赘肉

在这些货物中,除了维持天宫二号运行的各种补给外,还有大量太空实验设备和载荷。由于运载火箭的运载能力是固定的,如果要运送更多的货物,就必须在保证飞船良好性能的同时,尽量减少飞船自重,强壮的天舟一号如果要提升运载能力,瘦身同样重要。

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