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成都技术 为天舟一号货运飞船 独家定制3件秘密武器

制图杨仕成

天舟一号 天宫二号

  


天宫二号亲,你的太空快递已发货,请注意查收!

快递员:天舟一号

  4月20日19时41分,搭载着天舟一号货运飞船的长征七号遥二运载火箭,在我国文昌航天发射场点火发射,约596秒后,飞船与火箭成功分离,进入预定轨道,发射取得圆满成功。
  这是天舟货运飞船和长征七号运载火箭组成的空间站货物运输系统的首次飞行试验。飞船入轨后,将按预定程序与在轨运行的天宫二号先后进行自动交会对接、自主快速交会对接等3次交会对接,3次推进剂在轨补加以及空间应用和航天技术等领域的多项实(试)验。其间,天舟一号与天宫二号组合体在轨飞行约2个月,天舟一号独立飞行约3个月。完成既定任务后,天舟一号将受控离轨,陨落至预定安全海域;天宫二号留轨继续开展拓展试验和应用。
  目前,天宫二号运行在距地面393公里的近圆对接轨道,设备工作正常,运行状态良好,满足交会对接任务要求。

“快递小哥”天舟一号档案

满载货物总重 13吨
飞船全长 10.6米
最大直径 3.35米
载荷能力 6.5吨
太阳帆板展开后最大宽度 14.9米
核心任务:验证推进剂在轨补加技术,也就是“太空加油”
  
  天舟一号是中国自主研制的首艘货运飞船。如果说载人飞船是天地往返的载人交通工具,那么货运飞船就是天地间运送货物的“快递小哥”,通过高大上的“太空加油”技术,为其带去来自地球的能量包裹。
  在“快递小哥”背后,有一家传说中的“天地物流公司”在源源不断为其提供着精确的订制服务,它就是货运飞船系统工程中一个特殊的分系统——货运保障分系统。而这间隐藏极深的“天地物流公司”,就是位于成都的中国航天科技集团第七研究院。
  “太空快递小哥”身上的多种“秘密武器”,就来自这里。

秘密武器1
精密“装货技术” 使配平精度达到毫米量级

  此次“快递小哥”飞天,运送的货物五花八门。既包括航天员在轨生活所需的食品、服装、饮水、空气、医疗用品等消耗类物资,又有纷繁复杂的科研设施设备、空间站维修备品备份等等,并且“出售”这些货物的“商家”涵盖了多家科研院所。如何将这些成百上千、种类繁多的货品物资分类打包?将来又如何将“大客户”空间站“订购”的包裹准确无误地运送到航天员手中?
  这就需要“公司”解决两大关键课题——物资装载布局、配平优化。
  首先这艘货运飞船空间有限。而太空运输,首先要考虑的就是物流成本。据统计,美国的太空运输,一公斤的运费接近20万人民币。我国虽无明确标准,但运输成本也不低。其次,在加速飞行的状态下,飞船会承受很大的过载。而实验器材本身很昂贵,必须做好充分的保护。
  因此,在考虑货舱的最大装载力的基础上,需确保在空间利用上不浪费一分一毫。同时,在货包装入货舱时,做好配平的问题。
  中国航天科技集团第七研究院软件室主任周保琢告诉记者,物资装载布局与配平直接影响货运飞船的飞行安全,同时对于降低燃料消耗、提高姿态轨道控制精度具有重要作用。经过技术攻关,迅速建模,并找到算法,实现了整船货包装载布局优化及装载配平功能,使重达13吨、物资运输能力达6.5吨、体积长达10.6米、最大直径3.35米的飞船配平精度达到了毫米量级。
  这是个什么概念?他解释说,如果把飞船看成一个圆柱形,配平之后,所有的货物装上去,距离中轴线的距离,只有毫米级。

秘密武器2
货包“特种材料”寻找三年,定制八款货包

  “快递小哥”的主要使命就是送货,船内存放最多的无疑就是装载各类物资、产品的货包。“天地物流公司”的另一项主营业务就是设计和制作标准化、系列化的八款货包,为品种丰富、形状各异的物资产品提供防护包装,“商家们”只需根据各自货物的包装需求向公司“订制”专用货包即可。
  “将来飞船与空间站对接在轨期间,航天员要进入飞船进行货物的取放,因此,货包所用的材料必须满足长期载人密闭环境下材料的选用要求,具备超低有害气体逸出、高效抗菌防霉、高阻燃、燃烧产物低毒等性能。”华西都市报-封面新闻记者了解到,此前国内还找不到这种能够同时满足上述指标要求的成熟材料。
  中国航天科技集团第七研究院宇航型号总指挥宋勇告诉记者,宇航室年轻的技术人员向高校和专业厂家借力引智,花费长达3年的时间、多达百余次的调试、小试、中试,终于成功地研发出了货包外部包装所需的特种纤维布和内部赋型所需的特种聚氨酯泡沫。
  这两种特种材料是货运飞船中用量最大的非金属材料,目前已全部由“公司”负责研制生产,并建立了专用生产线等。确保材料完全满足货包的包装防护要求,每一件“快递货包”都至关重要,安全可靠地送达“客户”手中。

秘密武器3
研制“太空冰箱”提供最低零下20℃低温环境

  “天地物流公司”承运的部分货物还有着特殊的存储环境需求,不能简单地由普通货包进行包装存放。有的需要苛刻的力学环境防护,有的需要特定的安装方位保证,有的需要严格的密封或指定的温湿度环境条件才能确保其功能正常。如何解决这一问题?
  据悉,本次跟随天舟一号货运飞船发往太空的还有低温锁柜,也就是我们所俗知的“太空冰箱”,能够提供最低零下20℃的低温环境。
  也许我们都会有个疑问,目前家电市场上家用冰箱、冷冻柜不都能达到零下20℃的制冷指标吗?但问题是此次“快递小哥”服务的“客户”是居住在距离地球400公里的外太空,在这个高度的微重力环境下,冰箱常用的压缩机制冷方式均无法工作。
  因此,只能采用热电制冷方式。中国航天科技集团第七研究院宇航型号技术负责人陈粤海告诉记者,目前国内的热电制冷产品基本只能实现以0℃以上的指标,研制团队经过多方调研和咨询,相关的专业公司或科研院所均表示该产品难度太大、风险太高,不愿承担研发工作。
  为此,“物流公司”组建了专项攻关团队,攻克了低功耗设计、保温设计、结构优化减重设计、抗力学环境设计、空间环境适应性设计、高可靠性设计等重重难关。最终,由“成都造”的太空冰箱,跟随天舟一号登上了太空。
  华西都市报-封面新闻记者张想玲

首个送往太空的“包裹”
天舟一号有哪些新亮点

  作为中国载人空间站工程的重要组成部分,首艘货运飞船天舟一号“只运货,不送人”,因此被形象地称为“太空快递员”,一亮相便成为了目前中国最受关注的“快递小哥”。未来几个月,天舟一号将在太空中独自完成它的首单“太空快递”任务。它为这次任务都做了哪些“入职培训”?让我们来详细认识一下这位“太空快递小哥”吧。

大块头有“大体积”
为天宫二号带去100多个货包

  作为中国太空快递的明星,天舟一号首先在身材上、体力上就令人瞩目。
  不信?先看一组数据:身高10.6米,体宽3.35米,最大装载状态下重量达13.5吨,由货物舱和推进舱两舱结构组成,是我国目前为止体积最大、重量最重的航天器,运送6吨多的货物不在话下。
  这次任务,天舟一号就要为天宫二号带去6吨左右的货物和推进剂,其中有大大小小100多个货包。
  在货物舱里,按照3人30天需求量配置的真实生活物资或质量模拟件、1套模拟舱外航天服、2个模拟氧瓶组件、2个模拟氮瓶组件、1个软质水箱、1个硬质水箱等各种货物,放在货架上。

大块头有“防晒霜”

  太空中的日晒强度比地球上猛烈千百倍,在太阳照射的情况下,天舟一号的表面会迅速升温,为了帮助推进舱中的设备“防暑降温”,聪明的天舟一号在自己皮肤上涂了一层“防晒霜”。
  这款太空版“防晒霜”其实是一种航天专用的白漆热控涂层,具有优良的散热性能。

大块头有“定位仪”

  这套系统不仅可以确保天舟一号与天宫二号首次交会对接的自主可控,安全性大大提高,还因为新增的整秒脉冲输出功能,为全船的相关设备都提供了高精度的时换个通俗的说法,就是能够让天舟一号快速准确地找到客户位置,在客户要求的时间内将货物送达。 据新华社

3大全新亮点

1.中国送入太空最重的载荷
2.首次挑战“零窗口”发射3.火箭穿上特别“保温衣”
  

5大核心任务

1.“太空加油”
2.“太空芭蕾”
3.“从绿皮火车到高铁动车的升级”
4.“带着天宫二号一起飞”
5.高大上的空间应用及技术试(实)验

7大“独门功夫”

1.首次执行货运飞船飞行试验
2.首次为空间站“太空加油”
3.首次将在地面的测量系统“搬”到天上
4.首次大规模推动核心元器件自主可控
5.首次开展全自主快速交会对接试验
6.首次搭载多项空间应用与技术试验载荷
7.首次实施主动离轨受控陨落