“货运专列”入太空——中国空间站建设记

发稿时间:2021-09-23 22:44:57

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  “货运专列”入太空(筑梦“太空之家”——中国空间站建设记⑩)

  在北京航天飞行控制中心大屏拍摄的天舟三号货运飞船与在轨运行的空间站组合体交会对接。郭中正摄(新华社发)

  9月20日,长征七号遥四运载火箭在海南文昌航天发射场托举天舟三号货运飞船驶入太空,将其送入预定轨道。随后,天舟三号货运飞船采用自主快速交会对接模式,成功对接于空间站天和核心舱后向端口。

  不久之后,神舟十三号载人飞船将载着新一批航天员入住天宫。作为中国向空间站核心舱送出的第二件太空“包裹”,天舟三号满载航天员太空生活所需,将静静等待下一批“太空住客”的光临。

  两艘货运飞船同时在天运行

  作为神舟十二号和神舟十三号载人飞船之间的发射任务,天舟三号是中国空间站关键技术验证和建造阶段货物运输系统的第二次应用性飞行,也是空间站建造阶段承上启下的关键之战。

  为了让天舟三号与空间站顺利对接,在神舟十二号任务期间功勋卓著的天舟二号货运飞船特地“让了位置”——完成绕飞并与空间站的前向端口交会对接。

  天舟二号为何要挪位?航天科技集团五院天舟二号货运系统总体主任设计师杨胜说,除了为天舟三号腾出后向接口外,天舟二号到前方还可以为神舟十三号的径向对接创造条件。后续天舟二号还将配合机械臂的转位试验,为实验舱转位进行先期技术验证;同时还将配合航天员进行手动遥操作试验,对货运飞船自身的备份控制系统进行控制能力验证。

  “整个货运飞船的所有技术,基本上在天舟二号任务中能够得到全方位的验证,包括空间站组装建造的一些关键技术验证。”杨胜说。

  在太空中,同时对接在天和核心舱的两端的两艘货运飞船,形成了“一”字形构型。专家表示,两艘货运飞船同时在天运行,这在中国载人航天史上是第一次。

  当神舟十三号航天员抵达空间站并“签收”货物后,两艘天舟货运飞船才会分离。杨胜说,当天舟二号完成所有任务之后,会择机脱离空间站核心舱。离轨前,天舟二号还会将废弃物“打包”带走,在落回地球的过程中在大气层中燃烧销毁。

  货物装载优化改进

  与天舟二号相比,天舟三号的外形、功能相近相似,与天舟二号一样采取同时在地面进行控制或者自主控制。不过,天舟三号多了一项本领——增加北斗导航系统,提升了飞行控制的精度和安全系数。

  在太空中工作和生活,航天员在空间站的吃、穿、用乃至呼吸所需的物资以及空间站维持正确轨道所需的燃料都要靠货运飞船运送。在货物装载方面,天舟三号货运飞船充分继承了天舟二号货运飞船的经验,并进行了持续优化和改进。

  其一是装载的货物更充足、密度更大。天舟二号需要保证3名航天员在轨飞行3个月的物资需求,天舟三号则要保证3人在轨驻留6个月的饮食,装载的货包数量更多。为此,天舟三号取消了4个推进剂储箱,扩容了货舱空间。

  其二是包裹的包装更“多彩”、更科学。天舟二号装载的包裹统一为米白色包装,航天员可以通过扫描二维码获得货物的位置信息和产品信息。为了各类物资更好识别、更易寻找,天舟三号对不同物资采用了不同颜色的包裹,再配上标识和二维码,方便航天员取用。

  当然,天舟三号中也有航天员熟悉的“老朋友”,如气瓶、水囊以及航天员出舱活动的战袍——舱外航天服等。

  “货运专车”防热防雨防风

  按照空间站在轨建造任务规划,到2022年底,中国将连续实施11次发射任务,其中4次货运飞船发射都是由长征七号运载火箭“承运”。长七火箭因此也被称为天舟飞船的“御用”火箭。为了保障“太空快递”在运输过程中的安全,研制人员将长七打造成为防热、防雨、防风的载人航天“货运专车”。

  火箭飞行过程中,芯级发动机会喷出巨大的火焰。此时,助推器后过渡段要承受喷焰回卷的强热流,其热防护设计如果不够就会造成结构烧蚀,而过度设计又会影响火箭的运载能力。

  为此,火箭设计师创新防热材料应用和安装方式,将一条特制防热毛毡“披”在火箭助推器上。“防热服”不仅重量轻,防热效率也更高。它采用耐高温的材料制成,安装时从靠近火箭芯级的一侧开始“披”上,在远离芯级的外侧开口,就像“开衫”一样包裹着助推器,使后过渡段免受大火“烤”验。

  天舟三号货运飞船发射当天,海南文昌航天发射场蓝天白云、天气晴好。事实上,即便遇到中雨天气,长七火箭也“不怵”,这是因为新一代运载火箭做足了防水设计。

  火箭发射要防的不只是雨水。很多看过火箭发射的人都见过加注后的火箭受低温推进剂的影响,箭体表面温度降低,冷凝水像下雨一样顺着箭体流下来,这也是火箭要防的水。为此,火箭设计人员从“产品源头”解决防水问题。

  据航天科技集团所属中国运载火箭技术研究院设计人员介绍,新一代运载火箭设计之初,防水功能尽量通过结构设计实现,例如在部段对接处加装密封条、在细小孔径和缝隙涂硅橡胶、在分离面设计密封块等,起吊附件、箭体盖板等配置了密封垫;在排气孔处,设置了内置导流罩,实现排气防水双功能并举;针对低温液体贮箱加注后无法避免的冷凝水聚集问题,采取封堵与疏导相结合的思路,在贮箱前短壳与绝热层平齐的位置开设排水孔……

  目前中国国内主要的4个发射场中,除文昌发射场外,其他的发射场都在内陆,风速随距地面高度的变化不大。但在文昌发射场,距地面五六十米高的位置,风速要远高于地面风速。

  “为了提升抗风能力,我们给长七火箭装上了‘防风减载装置’。即使遇到8级大风的天气,长七火箭依旧可以转场,它的抗风能力超过现役火箭。”中国运载火箭技术研究院长七火箭总设计师程堂明说,“防风减载装置”采用可伸展的桁架结构,一端固定在活动发射平台的脐带塔上,展开以后另一端与火箭二级发动机机架接头对接,这样在垂直转场过程中将火箭与脐带塔连接起来,能够显著降低火箭受到的风载。

  董佳莹

【编辑:房家梁】

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