天舟一号：太空快递抵达天宫

陈冰

“太空快递小哥”已到达，天宫二号请签收！

4月20日19时41分发射成功的天舟一号，经过一天多的飞行，在4月22日12时23分与天宫二号空间实验室顺利完成自动交会对接。这是天宫二号自2016年9月15日发射入轨以来，首次与货运飞船进行的交会对接。

“大块头”的温柔拥抱

天舟一号是我国专门针对空间站而建造的第一艘货运飞船，总长10.6米，舱体最大直径3.35米，整船最大装载状态下重量达13.5吨，有6吨左右的货物运输能力，是我国目前为止体积最大、重量最重的航天器。

作为天舟一号与长征七号共同组成的空间站货运运输系统的首次飞行，主要意义在于验证货物运输系统设计的正确性和产品的可靠性，以及中国载人航天工程各个系统执行货物运输任务的协调性、匹配性。

“如果把神舟八号载人飞船对接机构称为第一代对接机构，那么天舟一号货运飞船对接机构可称为第二代产品。之前天宫与神舟的交会对接被媒体比喻为“在茫茫太空中穿针引线”，此次“快递小哥”身兼“太空加油”任务，对接精度更是提高一倍，保证不漏油。

不光要“对得上”，还要能“分得开”。就好像笔杆和笔帽的关系，笔帽卡得太紧，有可能拔不下来。万一出现这种状况，对接机构的分离推杆力能克服故障状态下的力，使航天器正常分离。

此前，神舟飞船和天宫飞行器都是8吨级的航天器，二者的交会对接已经是高难度动作。13吨级的“大块头”天舟一号以子弹飞行速度的8倍在轨飞行，要尽量温柔地“拥抱”同样高速飞行的天宫二号，难度可想而知。

而未来空间站建设中更将涉及8至180吨航天器各种方式的交会对接，要满足这些“重量级”要求，升级对接机构成为必然选择。更大型航天器的交会对接将会产生巨大的对接能量，对于对接机构的缓冲耗能能力提出了很高的要求。因此，中国航天科技集团设计团队在第二代对接机构上增加了用于缓冲撞击能量的可控阻尼器，既不影响其原捕获性能，又实现了对接机构捕获后的大吨位耗能需求。

据航天专家介绍，天舟一号的交会对接能力，比神舟飞船有了质的飞跃，具备了360度相位差的交会对接能力，本次天舟一号和天宫二号在飞行轨道的任意相位差条件下均可实现完美对接。

天舟一号又新增加了星敏感器，以确保货船交会对接过程中的姿态更加精准。由于货運飞船发动机的配置数量、推力大小和神舟飞船都不一样，所以本次交会对接，实际上是对现有技术实现的又一次验证。同时，这次交会对接还有一个比较显著的特点，就是新研的光学成像敏感器首次在阳照区开展工作，这要求敏感器等设备，在已经非常明亮刺眼的环境下找到标识目标，好比人们对着阳光看天上的景物，带来的考验比之前更难，这次试验将检验我国交会对接“全天时”工作能力。

在整个交会对接过程中，天舟一号需要掌握天宫二号的距离、速度等数据，然后调整姿态，慢慢靠近直至成功对接。在此前多次交会对接任务中应用的微波雷达、激光雷达和光学成像敏感器等交会对接测量敏感器，作为此次货运飞船在茫茫太空中“穿针引线”的“眼睛”，再次接受了考验。

120米，30米……在距离地面393公里的浩瀚太空中，天舟一号朝着天宫二号慢慢靠拢。“对接机构捕获！”货运飞船和天宫二号的对接机构像两双有力的手握在了一起。随后，对接机构顺利拉回锁紧，成功对接，两个飞行器建立刚性连接，形成组合体。

4月22日12时23分，“太空快递”准时送到了天宫二号空间实验室。

高难动作上演“太空芭蕾”

完成第一次交会对接不久，天舟一号和天宫二号将表演各种“太空芭蕾”，天宫二号转体180度，天舟从天宫二号下方绕飞，同时转体180度，加速赶到天宫一号前方，最终从“前”向与天宫二号进行了第二次交会对接。绕飞，是一种高难度的太空动作，需要飞行器进行多次变轨和姿态机动来完成。

在任务末期，科研人员还特别为天舟一号安排了一次“以快制胜”的交会对接试验。同以往神舟飞船交会对接需要大约两天时间相比，天舟一号将进行快速交会对接试验，将验证从入轨到交会对接成功仅需要大约6.5个小时的系列支撑技术。

天舟一号是一艘货运飞船，然而它的功能却不仅仅局限于货物的运输。此次天舟一号发射除了完成交会对接、为天宫二号空间实验室补加燃料之外，它身上还携带了大量的实验设备，在太空运行期间要进行多项实验试验。

此次天舟一号上总共搭载了40台设备，要进行13项太空实验试验，真正做到了一船多用。将要在天舟一号上进行的太空实验，包括新型元器件在轨验证，空间环境探测、力学环境测量，以及生命科学方面的实验等涉及众多领域。未来我国将要建设的空间站体积庞大，在太空运行过程中难免会受到太空碎片的撞击。

此前，天宫二号空间实验室里因为有航天员驻留，可以展开各种各样的太空实验。而这次天舟一号上并没有航天员，并且飞船最终将陨落大海，这么种类繁多的太空实验到底是如何进行的呢？设计师介绍，其实只要通过数据和影像的传输，科研人员在地面就可以全程监控实验进展。

通过科研人员巧妙的设计，太空实验设备可以装在货物舱内部，也可以悬挂在船体外侧，这样既提高了空间利用率，也最大程度满足了不同试验的需求。

此外，天舟一号还干了一件重要的事，就是建立了一套标准的实验设备与飞船相连的接口。这就好比一个人有手机、平板电脑等多台电子设备，如果它们的数据接口不相同，就需要许多的数据线，如果所有电子设备接口统一了，那么只需要一根线就可以统统搞定。据介绍，在此后的空间站建设中，也将借鉴此类做法。

天舟一号要执行为期5个多月的太空飞行任务，其中包括2个月的组合体飞行和不少于3个月的自主飞行，这是目前中国执行载人航天任务时间跨度最大的一次。

任务中，天舟一号将与天宫二号将实施三次交会对接，这在我国航天历史上还是第一次。除了3次交会对接，天舟一号还将对天宫二号实施3次推进剂在轨补加。推进剂补加技术是空间站实现长期驻留的必要条件。目前，国际上掌握了在轨推进剂补加技术的只有俄罗斯和美国等少数国家，其中实现在轨加注应用的只有俄罗斯。

天舟一号飞行任务将验证推进剂在轨补加技术，全面考核货运飞船功能和性能，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，持开展空间应用及技术试（实）验。

1992年9月，中央决策实施载人航天工程并确定了我国载人航天“三步走”发展战略：第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程并开展空间应用实验；第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器的交会对接技术，发射空间实验室，解决有一定规模的短期有人照料的空间应用问题；第三步，建造空间站，解决有较大规模的长期有人照料的空间应用问题。

天舟一号飞行任务是空间实验室飞行任务的收官之战，也是中国载人航天工程“三步走”发展战略“第二步”的收官之战。这次任务完成后，我国将正式迈进“空间站时代”。