天舟一號升空 中國空間站距離成功建立更近了一步

4月20日19時41分，我國首個貨運飛船天舟一號成功在文昌航天發射場由長征七號火箭發射升空。

天舟一號發射任務的成功，預示著離中國空間站的建立也更近了一步。

作為中國首個貨運飛船，天舟一號由中國空間技術研究院研製，主要承擔向空間實驗室運輸貨物和推進劑太空在軌補加的工作。

就其承擔的貨運任務來看，天舟一號的運載能力堪稱強大。這一點表現在其大容積上。

它採用兩艙構型，由貨物艙和推進艙組成。其總長為10.6米，最大直徑3.35米，起飛質量重約13噸，太陽帆板展開後最大寬度14.9米。

其體積比天宮二號和神舟飛船都要大，實際上，它是目前我國體積最大、重量最大的航天器。

此外，其強大運載能力還表現在載貨比指標上。據天舟一號貨運飛船總設計師白明生介紹，天舟運載能力是根據空間站的規模來設計的，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，說明運載效率越高）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。

天舟一號不僅自身具備獨立飛行3個月的能力，而且還有對天宮二號空間實驗室實施推進劑在軌加註的重要使命。據白明生介紹，天舟一號攜帶約2噸重推進劑包括氧化劑和燃燒劑，不僅量足夠，而且還有備份。

按計劃，天舟一號發射入軌後，將與在軌運行的天宮二號先後進行3次交會對接、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驗項目。

第一次與天宮二號交會對接預計於發射入軌兩天後進行，二者組合體隨後在軌飛行兩個月。期間，計劃完成3次推進劑在軌補加試驗，同時測試貨運飛船對組合體的控制能力。

在軌加註是指在空間軌道上利用服務航天器對目標航天器進行推進劑補給的在軌操作，其作用類似於「空中加油」，因而也被形象地稱為「太空加油」。

這項技術對空間站來說之所以重要，是因為太空並非絕對真空，空間站依然會受到微薄空氣阻力影響，其軌道高度會隨著時間推移而緩慢下降。

要維持其軌道高度，就必須消耗燃料來獲得上升的推力，而空間站核心艙在發射時攜帶的推進劑有限，這就需要貨運飛船對其進行在軌推進劑加註，持續補充燃料。

然而，在軌補加對交會對接精度提出了更高要求，需要「穿針引線」太空絕技再上一層樓。航天科技集團八院對接機構主任設計師苑會領介紹說，由於要進行液體補加，不能出現任何泄露，這就要求大幅提升對接精度，必須在安裝後通過導向板、機構、導向銷套3個措施進行校正，以此保證精確插合。

為此，設計師採用大量力學、熱控等模擬和地面試驗驗證，確保對接機構產品質量過關。對接機構完全過關、經得起考驗意味著不僅對接要天衣無縫，為「太空加油」創造良好條件，同時也能夠實現分離。

航天科技集團八院對接機構副主任師丁立超介紹說，為確保成功分離，設置了對接機構分離推桿，如出現意外情況，該分離桿便開始工作，克服故障，實現分離。

空間交會對接為「空中加油」提供了前提條件，接下來，天宮二號利用壓氣機將自身貯箱中的氣體抽走，貯箱氣壓隨之下降。天舟一號貨運飛船上高壓氣瓶的氣體將推進劑從自身貯箱中推出，通過連接管路進入天宮二號貯箱中。上述利用氣壓差實現推進劑加註的原理其實並不複雜，但是，要順利完成推進劑從天舟一號到天宮二號的加註還必須研製形成氣壓差的壓氣機和打造出一把經得起考驗的「加油槍」。

天宮二號推進分系統主任設計師江銘偉指出，一般的壓氣機研製其實並不難，但是天宮二號空間實驗室上需要的是小型化、高度輕便的壓氣機。

「加油槍」只是一個形象的說法，它指的是一個叫做浮動斷接器的設備，是由中國航天科技集團公司第六研究院研製的。該院副院長劉志讓介紹說，該設備的特點正如其名，是「可浮動」的，可以最大限度消除天舟一號與天宮二號交會對接偏差對加註可能產生的影響，提高補加的精準性，避免泄漏。

江銘偉指出，這些關鍵設備的研製成功為在軌補加技術的實現打下了堅實基礎。此外，還要想方設法優化在軌補加的流程設計，使其一方面更為穩妥，另一方面又不能過於複雜。

在軌補加可能出現一些地面沒有完全預料的情況，因而必須設置應急情況在軌處置程序，需要進行提前謀劃和充分的冗餘設計，確保萬無一失。

上述任務完成後，天舟一號將與天宮二號分離，之後從另一側與天宮二號進行二次對接。

白明生指出，第二次對接的主要任務是進行繞飛實驗，檢驗天舟一號前向對接能力。他解釋說，天宮二號空間實驗室和未來的空間站有前向後向兩個對介面，這就要求貨運飛船具備後向對接和前向對接能力。屆時，天舟一號與天宮二號分離後，再繞飛天宮二號進行前向對接。

完成繞飛試驗以後，天舟一號將與天宮二號再次分離，各自獨立飛行3個月。這期間，天舟一號的主要任務是完成搭載的空間科學試驗。

之後，按照計劃，天舟一號第三次實現與天宮二號交會對接。值得一提的是這次交會將用約6個小時完成，將是一次名副其實的自主快速交會對接。

除了空中加油和交會對接實驗之外，天舟一號還開展多項科學實驗研究及技術驗證試驗。其中，「非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證」將在軌測試高精度靜電懸浮加速度計的工作性能，獲得的試驗結果將為我國「衛星重力測量」「空間引力波探測」等空間計劃提供重要支撐。

此外，「微重力對細胞增殖和分化影響研究」項目有望應用於心臟和肝臟疾病的治療、器官移植、生殖健康以及預防和治療骨質變化疾病等方面。全部完成上述任務後，天舟一號將受控離軌，隕落至預定安全海域。

天舟一號模擬圖

中國計劃在2018年發射三艙空間站也就是長期有宇航員照料的空間站的首艙，也就是核心艙，組裝工作將於2020年完成，2022年投入全面運行。

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