天舟货运飞船空间试验平台设计

雷剑宇,贾东永,白明生,梁建辉,方 方

(中国空间技术研究院,北京 100094)

1 引言

货运飞船是为空间站服务的空间物资运输载人航天器,旨在通过运输食物、推进剂和其他物资来支持空间站的建造与运行,并携带空间站重要货物返回地面[1]。1978年1月,苏联发射了第一艘进步号货运飞船;2008年3月,ESA 发射第一艘自动转移飞行器(Automated Transfer Vehicle,ATV);2009年9月,日本H2 转移飞行器(H-II Transfer Vehicle,HTV)成功首飞。借助NASA 商业轨道运输计划(Commercial Orbital Transportation Services,COTS)和商业乘员发展计划(Commercial Crew Development,CCDev),SpaceX 公司和轨道科学公司先后发射了龙货运飞船和天鹅座货运飞船[2]。

由于货运飞船属于服务型载人航天器,平台功能强大,安全性可靠性高,在完成货运主任务的同时,具备开展空间试验的先天优势。龙飞船设计之初即考虑空间试验功能,并设计有DragonLab版本,任务中多次携带小白鼠研究生物长期在轨生理效应,并进行了云气溶胶传输系统实验[3]。2020年12月加强版龙飞船发射,空间和供电能力提升,使得整个任务期间都可以搭载科学载荷,成为了国际空间站的扩展实验室[2]。天鹅座的服务舱专门为微纳卫星留出了一个搭载区域,于2017年、2019年和2022年分3 次释放了23 颗立方星和100 颗皮卫星[4-5],并多次开展大型航天器火灾机理在轨试验[6-7]。HTV 完成了空间碎片清理电动力绳系拖曳装置在轨试验[8-10],也在规划发展返回版本[11-12]。进步号同样作为科学实验平台,开展了系列微重力空间试验[13-14]。

天舟货运飞船是中国载人航天工程的重要组成部分,瞄准国际领先这一核心目标,打造出的运输效能高、任务范围广、自主能力强的货运飞船,在满足空间货物运输主任务的同时,具备了多维度在轨服务拓展能力[15-16]。2017年4月20日天舟一号成功发射,2017年9月22日天舟一号圆满完成了空间实验室阶段收官任务。天舟二号、天舟三号于2021年5月和9月成功入轨,均采用全相位、全自主快速交会对接方式与核心舱后向端口对接,同时停靠空间站核心舱,运行状态良好。

天舟货运飞船上行能力达到7 t,可以根据任务要求调整货物配比,试验载荷搭载量大,货物舱舱内和舱外均可安装载荷,可支持试验领域广。平台采用中继为主的通信体制和标准化以太网协议,支持试验数据、图像高速实时下行;可为试验载荷提供1 kW 供电支持。完成货运主任务,脱离空间站后,天舟货运飞船独立飞行,可利用剩余推进剂配合试验进行轨道机动和姿态调整,适应轨道高度范围200～500 km,任务约束少,便于试验规划,对空间站运行影响小。

空间站阶段,天舟货运飞船以每年1～2 艘频度发射,具备成为常态化试验平台的优势。2021年11月24日,中国载人航天工程办公室发布了《关于征集通过天舟系列货运飞船搭载科学技术试(实)验和应用项目的机会公告》[17],用以充分利用天舟货运飞船资源,发挥载人航天工程综合效益,促进科学技术创新研究和航天高科技人才培养。同时,作为国际合作交流的窗口,可为国外科研院所联合国内研究机构、院校联合开展科学试(实)验提供平台。

本文主要介绍货运飞船试验平台设计、可以支持的试验方向、试验支持接口设计、搭载流程及接口认证设计。

2 货运飞船总体设计

通过载人航天工程第一步和第二步一阶段的实施,中国已初步建成功能完备的神舟飞船天地往返运输系统,能满足近地载人航天任务需求。为适应中国空间站阶段物资运输以及推进剂在轨补加需求,需建造空间物资运输专用系统——货运飞船。2012年,货运飞船正式立项,命名为天舟,明确了天舟货运飞船需要具备的物资上行运输、废弃物资下行、支持组合体姿轨控、空间应用和技术试验支持等四大任务功能。

2.1 型谱规划

货运飞船采用模块化、通用化、组合化设计方案,形成了全密封、半开放、全开放货运飞船型谱(图1),解决了未来空间站舱内、舱外货物特别是大型货物上行的难题,研制出具有中国特色的国际首型多功能货运飞船[15]。

图1 天舟货运飞船型谱Fig.1 Three configurations of TZ cargo spaceship

按照工程总体飞行任务规划,空间站关键技术验证及建造阶段将发射TZ-2 至TZ-5,共4 艘货运飞船,均为全密封状态。

空间站运营期间,适时研制半开放、全开放货运飞船,大型试验载荷支持能力将得以大幅提升。本文主要介绍全密封货运飞船的空间试验平台设计。

2.2 基本构型

货运飞船为两舱构型,由货物舱和推进舱组成。货物舱前锥段及柱段为密封段,后锥段为非密封段。推进舱为柱状构形的非密封金属结构。

整船长10.65 m,舱体最大直径为Φ3.35 m,最大起飞重量为13.5 t,最大货物上行能力为7 t,推进剂补加能力2.5 t,如图2 所示。

图2 货运飞船构型Fig.2 Configuration of the Tianzhou cargo spaceship

1)货物舱。如图3 所示,货物舱由前锥段、柱段、后锥段组成。货物舱柱段是整船直径最大的区域,其最大外径为Φ3.35 m,长为4 m。前锥段、柱段为整体焊接的金属壁板结构。

图3 货物舱构型Fig.3 Configuration of pressurized cargo cabin

2)推进舱。推进舱为能源和动力舱,主要布置太阳电池翼、电池组等能源系统设备,贮箱、气瓶等推进补加设备和发动机组。推进舱为柱状构形的非密封金属结构,外径为Φ2.776 m,高度为3.2 m,如图4 所示。推进舱后端框通过包带与运载火箭连接。

图4 推进舱构型Fig.4 Configuration of the propulsion module

2.3 通信

以天基测控通信为主,上升段、交会对接段和末期离轨段等关键时段配以陆基测控支持。天地跟踪测轨采用USB 链路、窄波束中继S 链路、BDGPS 导航链路。交会对接自主导航定位利用BD、GPS 和GLONASS 星座信号实现。

天基测控通信利用中继卫星系统,通过中继终端实现,配置S/Ka 双频段中继终端,同时设计了宽波束中继S 终端作为备份手段,提高入轨初期测控覆盖率以及对姿态变化较大或故障情况下的测控适应能力。陆基测控通信采用USB 测控体制,通过S 波段应答机和S 波段数传机实现。采用天地一体化网络通信系统实现高速数据(包括图像、试验数据等)下行[18]。

2.4 姿轨控

针对短期自主飞行、长期停靠的需求,采用纯喷气姿轨控模式。使用光纤和二浮陀螺、星敏、红外地敏多种测量方式完成飞行姿态确定。共配置32 台姿控和4 台490 N 轨控发动机,提供交会对接平移和姿态控制冲量,具备了对上行物资动态调配引起的质心3.2～5.7 m 大范围适应能力。

3 试验平台设计

3.1 试验平台优势

天舟货运飞船除空间物资运输主任务之外,可为试验载荷提供基本的机械安装、供电和信息接口支持。完成货运任务撤离空间站至再入销毁,可独立飞行3 个月,期间利用平台剩余资源支持开展各类技术试验,具有如下优势:

1)频度高。空间站阶段,天舟货运飞船将以每年1～2 艘的频度执行补给任务。

2)成本低。天舟货运飞船起飞重量为13.5 t,单次任务可以运送7 t 货物,每次任务可余出300 kg 左右重量,用于上行试验载荷。平台推进剂消耗考虑了极端工况以及故障应急,任务末期往往超过200 kg 剩余,再入前可以充分利用此部分推进剂开展技术试验。试验搭载任务均使用平台剩余上行重量和富余推进剂,不影响货运主任务,且在火箭运载能力范围内。

3)平台能力强。天舟货运飞船是仅次于空间站的大型航天器。作为交会对接跟踪飞行器,具有精确自主测定轨以及轨道机动能力;平台100 V 高压能源体系、中继高速天地通信系统可以满足大部分试验项目需求[18-20];直径3.35 m 舱体具备较大型载荷装载能力;充分利用推进剂的情况下,可以为试验任务留轨6 个月以上,达到分阶段充分试验的目的。

4)任务适应性好。任务末期,天舟货运飞船脱离空间站后,可以根据试验需要与空间站编队飞行,相互配合;也可以撤至不同轨道高度,拉大相位差,避免试验对空间站运行产生影响。可以释放微纳星、机动飞行器,充当地基/空基定向能武器试验靶标;作为通信节点开展激光通信试验;植入先进控制算法进行轨道机动和再入控制。

3.2 试验支持方向

天舟货运飞船通过充分发掘自身资源应用潜力,虽然不是专用的空间试验航天器,仍然可以支持诸多领域的在轨试验,主要包括:

1)空间科学和技术试验。天舟平台密封货物舱内可以开展微重力流体物理与热物理、微重力燃烧科学、空间材料科学、微重力基础物理、空间元器件等方面科学和技术试验。

2)在轨探测和观测试验。天舟平台货物舱舱外可以搭载对地、对天观测试验装置,并且可以开展90～500 km 轨道高度各类空间环境探测。

3)关键技术在轨验证。航天器关键的探测、通信、控制设备设计定型前,可以在天舟平台上搭载飞行,在轨验证关键技术、考核性能指标、发现薄弱环节,降低定型产品研制风险。

4)微纳卫星群部署。支持1 U～100 kg 微纳卫星释放部署,一次任务可释放多达50 颗以上。微小卫星可以在释放后独立完成预定试验任务,也可在天舟平台的配合和支持下开展工作。

5)先进控制算法验证。天舟平台主控制计算机采用可重构设计,支持在轨注入和更新,为先进控制算法在轨验证提供了条件。平台可以通过自主精确测定轨验证算法的合理性,为算法改进提供数据支撑,且具备分阶段、多轮次试验的优势。

3.3 试验支持设计

3.3.1 载荷安装设计

天舟货运飞船充分挖掘货物舱舱内、舱外各类空间资源,为载荷提供安装位置。相比于天鹅座,天舟货运飞船载荷安装位置类型更多、区域更大。

1)货物舱内部。采用货架作为货物装载支撑结构,货架由铝蜂窝板结构的仪器板和立板组成,高度约为4 m,结构形式如图5 所示。仪器板共5 层,通过螺钉安装在舱体框架上,形成4 层物资安装空间,仪器板两层之间使用立板连接支撑。

图5 货架结构示意图Fig.5 Shelf structure inside cargo cabin

每个货格的水平仪器板上均预留了螺钉孔,作为载荷设备安装标准接口,可以安装包络尺寸不超过500 mm×650 mm×700 mm,重量不超过50 kg 的载荷设备。对于超包络的特殊载荷设备,可以通过拆除立板的方式扩大安装空间。

2)货物舱柱段外侧。外柱段I 象限和III 象限部分区域可用于载荷安装,单个试验载荷设备重量不超过10 kg,设备高度不大于100 mm。分布区域如图6 所示。

图6 货物密封舱外柱段载荷安装区域示意图(红色部分)Fig.6 Potential rideshare mounting location on column section of cargo cabin(Red part)

3)后锥段舱内/外壁。后锥段舱内壁、外壁桁架设计16 个460 mm×460 mm 的试验载荷安装平台,用于试验载荷设备安装,即图7 中的红色区域。每个平台可安装重量不超过20 kg,高度不超过300 mm 的载荷设备。

图7 货物舱后锥段载荷安装区域示意图(红色部分)Fig.7 Potential rideshare mounting location on rear cone of cargo cabin(Red part)

3.3.2 供电信息支持设计

货运飞船目前配置了载荷管理单元、载荷配电单元和以太网交换机为核心的试验支持公用平台(图8)[21-22],设计了标准化、网络化、即插即用供电信息接口,实现搭载载荷支持接口通用、简捷实施、动态管理。平台为试验载荷提供的供电、信息接口以及上下行信息支持设计如下:

图8 天舟货运飞船试验公用平台Fig.8 Common test platform of TZ cargo spaceship

1)供电接口设计。载荷供电单元配置10 路可控100 V 供电输出,单路最大电流5 A,总输出功率不大于1000 W。

2)信息接口设计。管理单元为载荷统一提供1553B 总线、遥测、指令等信息支持,以太网交换机为货物提供高速数据下行支持。①管理单元作为BC 对专用1553B 总线进行管理,载荷作为RT 接入总线,能够支持10 个RT;②管理单元提供68 路模拟量采集通道,采样周期为500 ms;③管理单元提供12 路开关指令,驱动能力不大于300 mA,用于对货物进行控制;④以太网交换机可提供10 路百兆以太网接口,用于货物传输遥测数据和试验数据。

3)上行信息传输支持。货运飞船独立飞行期间,试验载荷可以通过USB、中继S、中继Ka 信道上行注入数据,最大速率不超过2 Mbps。货运飞船组合体飞行期间处于停靠模式时,可通过对接总线接收对接目标转发的注入数据,每次注入数据有效长度不超过192 字节。

4)下行信息传输支持。货运飞船独立飞行期间,可以通过数传和中继Ka 链路下行模拟量和数字量遥测。通过中继Ka 链路下行货物以太网遥测和试验数据,最大下行速率为100 Mbps。组合体期间,通过空间站代传下行试验数据。

3.3.3 轨道机动设计

货运主任务完成,货运飞船可以根据试验需求,利用剩余推进剂开展轨道机动,与空间站形成一定的相位差,达到指定的试验轨位。任务末期再入销毁过程中,可以开展亚轨道飞行。飞行试验轨道高度能力范围为120～500 km。

3.3.4 低温样本运输支持设计

低温锁柜用于低温试验样本的装载运输,可在火箭临射前进行装载。柜体构型为立方体,带有前后开门,按照制冷范围分为0 ℃(25 L)和-20 ℃(5 L)两种规格,外形结构如图9 所示。低温锁柜后门用于临射前通过火箭整流罩和货运飞船侧操作口往低温锁柜中装载样本,航天员在轨通过前门取出试验样本。

图9 低温锁柜外形图Fig.9 Outside view of the space refrigerator

4 搭载流程及接口认证设计

为了充分利用天舟货运飞船平台试验支持能力,提升任务综合效益,载人航天工程办公室广泛征集可在天舟货运飞船平台上搭载的各类试验项目。为此,货运飞船发布了通用接口要求,建立了与搭载方联合设计的全新模式,设计了等效认证测试平台,简化搭载项目实施流程,缩短研制周期。

4.1 载荷搭载实施流程

试验载荷搭载遵循以下流程:

1)载荷方首先根据货运飞船通用接口要求进行可行性论证,具备初步可行性后,向载人航天工程办公室提交试验方案;

2)载人航天工程办公室审查认可后,组织货运飞船系统以及其他相关系统进行接口匹配性详细确认和方案设计评审;

3)接口匹配性确认和方案设计评审通过后,载荷方按要求向载人航天工程办公室履行立项申报手续;

4)载荷方开展试验载荷研制,如接口发生变化,则与货运飞船系统进行设计迭代。必要时,货运飞船系统可以与载荷方进行联合设计,消除设计障碍;

5)试验载荷完成研制后,通过认证测试即可上船搭载。对于力、热特别敏感的设备可以随整船进行系统级力热试验。

4.2 通用接口设计

货运飞船系统发布通用标准接口要求,规定了机械、供电、信息等方面详细要求(图10),作为试验载荷设计的依据,便于试验载荷方开展搭载接口设计,降低接口不匹配和研制反复的风险。

图10 货运飞船通用标准接口要求的主要内容Fig.10 The main contents of general standard interface requirements for space experiments

4.3 联合设计与保障

部分试验项目意义重大,且实施技术难度大,难以独立完成,鉴于部分载荷方没有在轨飞行试验项目研制经验,因此,货运飞船系统提出了与搭载方联合完成试验项目方案设计的全新方式,充分发挥总体设计优势和航天器研制经验,可以应载荷方要求介入方案设计,设计在轨试验场景,优化接口状态,推动试验项目顺利实施,帮助载荷方更快更好地实现试验目标。

4.4 等效认证平台

货运飞船平台与试验项目研制进度往往不能匹配,载荷设备难以采用平台设备一样的测试、试验模式。为实现货运飞船平台与试验项目研制解耦,以通用接口要求为基础,围绕管理单元、配电单元和以太网交换机为核心建立等效认证平台。试验载荷在等效认证平台通过接口测试,即表明机械、供电、信息等主要接口设计状态满足要求,具备上船搭载开展飞行试验的条件。等效认证平台的建立,提高了货运飞船平台试验搭载的适应能力,以及试验项目研制的灵活性。

5 试验平台应用情况

2017年4月20日,TZ-1 货运飞船发射,在轨开展了非牛顿引力实验检验关键技术验证、主动隔振关键技术验证、微重力对细胞增殖和分化影响研究、两相系统实验平台关键技术研究、空间环境监测与控制试验等13 项试验[23-26],于2017年8月22日释放了一颗3 U 立方星。2021年9月20日,TZ-3 货运飞船发射,在轨开展激光视觉交会测量敏感器和空间碎片探测载荷2 项试验。图11～图13 为部分载荷实际安装照片。

图11 立方星部署发射器Fig.11 CubeSat emitter on TZ-1

图12 空间碎片探测载荷Fig.12 Test equipment for space debris detection

图13 舱内货架安装的试验载荷Fig.13 Test equipments installed in the cabin

TZ-1 和TZ-3 货运飞船以分时工作、分时下传数据的模式进行载荷试验,全面满足了载荷在轨试验时长、时机、能源、信息传输、微重力环境、空间环境等多维度需求。图14 为TZ-1 货运飞船在轨释放立方星的影像,图15 为发动机羽流监测装置获取的货物舱反推发动机羽流温度场[24]。15 项试验均达到了预期的试验目的,实现一次任务多方受益。

图14 天舟一号在轨释放立方星Fig.14 CubeSat released by TZ-1 in orbit

图15 发动机羽流温度场Fig.15 Temperature field of engine plume

6 结论

天舟货运飞船系统充分挖掘自身资源,发展出频度高、成本低、能力强且适应性好的空间试验平台;以开放的姿态,完成了标准接口和等效认证模式设计,减小了载荷设备研制风险,简化了搭载实施流程,加快了在轨试验进程。对于意义重大、技术和实施难度大的项目,货运飞船系统可以采用联合设计模式,深入试验方案设计,促成项目落地,更好地发挥载人航天工程综合效益,促进科学技术创新研究。