天舟一號貨運飛船的飛行任務與成果航天創智科普講堂

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本期推文為「解讀我國載人空間站建造的技術規劃」系列推文的第四部分：天舟一號貨運飛船的飛行任務與成果。

按空間實驗室階段任務規劃，在神舟十一號完成空間實驗室載人飛行任務後，擇機由長征七號遙2運載火箭發射入軌，並於2天內完成與天宮二號交會對接。之後，2個月組合體飛行期內將完成包括推進劑補加在內的多項空間站關鍵技術驗證。貨運飛船飛行任務末期還將開展快速交會對接試驗，並受控離軌再入大氣層隕落。與以往的載人航天任務相比，天舟一號飛行任務是我國空間站貨物運輸系統的首次飛行，將驗證多項空間站技術，具體有：

（1）驗證貨運飛船系統平台技術。

（2）突破並掌握推進劑在軌補加技術。

（3）驗證貨運飛船貨物裝載和上行運輸技術。

（4）驗證空間站軌道高度自動交會對接及繞飛對接技術。

（5）驗證貨運飛船受控離軌技術。

天舟貨運飛船由13個分系統組成，分別是對接機構、測控與通信、數據管理、電源、總體電路、GNC、推進與補加、熱控、環控、儀錶與照明、結構與機構、貨運保障、空間技術試驗分系統。天舟一號起飛質量達到13噸，上行物資6噸，包括推進劑2.1噸。為了適應空間站運營任務需求，主動對接機構在載人飛船的對接機構基礎上進行適應改進，機械組件內部傳動緩衝系統首次配置3台可控阻尼器，用於適應大噸位偏心對接需求；介面方面增加4路液路浮動斷接器及附屬管路電纜，升級為2.0版的標準對接機構。而電源分系統首次採用3組60Ah鋰離子電池，測控與通信採用千兆乙太網通信和高清數字圖像處理技術，圖像解析度由原有的標清升級為1080p高清。

根據任務安排，天舟一號貨運飛船與天宮二號空間實驗室對接時，天宮二號處於無人駐留狀態（此時，神舟十一號載人飛船已經返回），因此，本次任務不包括廢棄物下行。但是，天舟一號是載人航天工程首發再入大氣層隕落預定區域的航天器。在執行飛行任務前，空間實驗室階段任務已經拉開帷幕。2016年9月15日22時04分12.428秒，天宮二號空間實驗室在酒泉衛星發射中心發射，約586秒後器箭分離，空間實驗室進入預定軌道。10月17日7時30分31.409秒，神舟十一號載人飛船發射，約576秒後船箭分離，載人飛船進入預定軌道。10月19日3時左右，載人飛船與空間實驗室完成交會對接，在創造了航天員駐留33天紀錄後，於11月18日，載人飛船順利返回。至此，天舟一號飛行任務進入倒計時。

（圖1 空間實驗室階段任務全景圖）

天舟一號貨運飛船飛行任務要進行繞飛、快速的自主交會對接；在軌驗證導航自導的控制裝置以及國產的新型元器件等多項試驗。同時，還在天舟一號上安排了微重力對細胞增殖和分化影響研究，非牛頓引力實驗檢驗關鍵技術驗證以及主動隔振關鍵技術驗證等10多項科學實驗項目，提高整個任務的科學利用效率。其中，微重力對細胞增殖分化影響研究成果將來可以應用於地面和太空的幹細胞組織工程，再生醫學、人類的生殖以及骨質流失的預防和干預等方面。

（圖2 天舟一號貨運飛船飛行任務全景圖）

2017年4月20日19時41分35.361秒，天舟一號貨運飛船在海南文昌發射中心發射，601秒後，船箭分離進入預定軌道，太陽電池翼展開鎖定並捕獲太陽，發射任務圓滿成功。

2017年4月22日，天舟一號貨運飛船在完成了一系列動作後（對接準備、接觸捕獲、機構鎖緊、複位），在距離地面393公里軌道上與天宮二號空間實驗室完成交會對接並形成組合體。

2017年4月27日，天舟一號貨運飛船經歷補加準備、浮動斷接器插合及補加管路檢漏、燃料貯箱補加、氧化劑貯箱補加、狀態恢復五個階段的工作後完成第一次推進劑補加，標誌著天舟一號飛行任務圓滿成功。至此，我國載人航天工程空間實驗室階段任務勝利實現了「成功首飛、穩定運行、健康駐留、安全返回、順利補加、成果豐碩」的任務目標。我國也繼俄羅斯、美國後第三個掌握在軌推進劑補加技術。

2017年6月15日，天舟一號貨運飛船完成第二次補加。

2017年6月19日，天舟一號貨運飛船在完成繞飛後，順利完成第二次交會對接（前向）。

2017年9月12日，天舟一號貨運飛船在獨立飛行83天後，順利完成快速交會對接。

2017年9月16日，天舟一號貨運飛船完成第三次補加。

2017年9月17日，天舟一號貨運飛船對接機構完成解鎖分離，天舟一號正式撤離。

2017年9月22日，天舟一號貨運飛船順利離軌隕落，空間實驗室任務圓滿成功。載人航天工程首次全程記錄了離軌再入飛行過程，留下了貨運飛船最後燒毀的珍貴的視頻。在天舟一號貨運飛船飛行任務後，2017年9月23日，天宮二號空間實驗室交由長期管理。

2017年4月至9月，天舟一號貨運飛船執行了飛行任務，圓滿完成了載人航天工程「三步走」戰略中的第二步。天舟一號飛行任務有3個特點：一是任務的狀態新；二是技術難度大；三是任務持續時間長。

任務狀態新。天舟一號是是為我國載人空間站研製的全新貨物運輸飛行器，在上行載貨比和推進劑補加量，這些指標與國際在役的貨物補加運輸系統相比毫不遜色，或者是優於。

技術難度大。天舟一號肩負了推進劑補加和自主快速交會對接試驗驗證任務。這兩項試驗都是國際上公認的航天技術中難度比較大的技術。目前，為國際空間站進行推進劑補加依靠俄羅斯技術。6.5個小時自主快速交會對接技術可以大大縮短未來空間站貨物上行和救援的時間。

持續時間長。這次飛行任務從貨運飛船運抵海南文昌航天發射中心，至任務結束歷時半年以上。同時，天舟一號貨運飛船和天宮二號組成的組合體在天上運行兩個月，也是我國航天器組合體運行時間最長的一次。

空間實驗室階段任務成果豐碩

作為空間站建造前的載人航天最後一次飛行任務，天舟一號飛行任務具有承前啟後的意義。伴隨天舟一號飛行任務的圓滿結束，空間實驗室階段任務收穫了許多十分重要的成果，也有值得我們後面借鑒的成功經驗。

（1）建成了空間站的貨物運輸系統。貨物運輸系統是建造空間站必須解決的技術難題，目前我國已經基本具有將來建造空間站使用的條件。

（2）實現了航天員中期駐留的目標。神舟十一號飛船，航天員景海鵬和陳冬在太空中飛行了33天，這33天是我國載人航天飛行時間最長的一次。通過這次飛行我們對航天員在軌生活、工作、健康狀態以及整個系統的維護、支持、保障等一系列技術都得到了驗證，為後續進行更長時間的飛行奠定了堅實的基礎。

（3）考核並驗證了空間站建造中部分關鍵技術。其中，在393公里軌道上完成交會對接、在軌推進劑補加，該軌道是未來空間站運行的軌道。

（4）開展了大量的空間科學實驗和技術試驗。空間實驗室階段任務安排了60餘項空間科學實驗、科學研究和一些技術試驗，這些項目取得了一批豐碩的成果，有些成果都是極具顯示度或者國際前沿。載人航天進入了一個應用的新階段，為空間站將來有人參與的實驗奠定了很好的基礎。

（5）提升了整個工程全線執行高密度發射任務的能力。2016年以前，一年最多執行兩次載人航天任務。2016年後，一年時間執行了四次飛行任務（天宮二號空間實驗室、神舟十一號載人飛船、長征七號首飛、天舟一號貨運飛船首飛），將來空間站長期運行階段，一年至少執行三至四次飛行任務，甚至更多，通過本次任務使組織指揮與運行機制、保障力量得到了檢驗和提高，增強了執行能力。

天舟一號飛行任務結束後，空間站建造和運營的關鍵技術均已突破，相關配套建設的系統都已經建成了，具備了整個執行建造空間站任務的能力。空間實驗室階段任務圓滿收官，標誌著我們國家載人航天已經全面邁進了空間站時代。

在未來載人空間站上，將在空間生命科學與生物技術、微重力流體物理和燃燒科學、空間材料科學、微重力基礎物理、空間天文和天體物理學、空間環境和空間物理、空間地球科學和應用、空間應用新技術試驗等8個研究方向，30多個研究主題，開展大規模的空間科學研究和應用。由兩「船」一「器」配合完成的空間實驗室飛行任務，在軌開展了大量科學試（實）驗，為在空間應用領域創新發展、突破和掌握戰略性的空間新技術和核心關鍵技術，引領我國未來空間應用技術的發展開創了良好的局面。

（圖3 載人空間站單艙貨物補給時

組合體示意圖）

作者簡介

楊華星，1978年出生，華東理工大學碩士，現為上海宇航系統工程研究所高級工程師，參與載人航天工程研製工作17年，尤其是完成了載人航天二期工程分系統關鍵技術的攻關和試驗任務。曾獲上海市科技進步獎。熱愛航天科普工作，已多次作客廣播電台參與直播。

趙金才，高工/兼職教授，南京航空航天大學、同濟大學兼職教授，中國宇航學會深空探測專業委員會委員《宇航學報》編委，上海市閔行區科協委員，曾任太原衛星發射中心航天發射場指揮、上海宇航系統工程研究所研究發展部主任、上海宇航系統工程研究所科技委副主任等職。

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