用于發(fā)射天舟一號(hào)的長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭

隨著3艘遠(yuǎn)望號(hào)船近日駛離中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部碼頭，趕赴預(yù)定海域，執(zhí)行海上測(cè)控任務(wù)，中國(guó)今年最重頭的航天計(jì)劃之一，即天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船任務(wù)進(jìn)入最后準(zhǔn)備階段。

作為中國(guó)空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的收官之戰(zhàn)，即將實(shí)施的天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船任務(wù)將對(duì)承擔(dān)未來(lái)中國(guó)載人空間站貨運(yùn)任務(wù)的系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試和考驗(yàn)。其中，飛船為載人空間實(shí)驗(yàn)室天宮二號(hào)進(jìn)行在軌加注推進(jìn)劑技術(shù)，是測(cè)試和考驗(yàn)的重中之重。該項(xiàng)技術(shù)的突破將是中國(guó)航天繼掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)之后，具有標(biāo)志意義的新的里程碑。它將使建設(shè)長(zhǎng)期駐留、有人照料的空間站具備基本前提，為2020年后建成“太空家園”，催生中國(guó)空間站時(shí)代奠定基礎(chǔ)。

交會(huì)對(duì)接再上一層樓

在軌加注是指在空間軌道上利用服務(wù)航天器對(duì)目標(biāo)航天器進(jìn)行推進(jìn)劑補(bǔ)給的在軌操作，其作用類似于“空中加油”，因而也被形象地稱為“太空加油”。這項(xiàng)技術(shù)對(duì)空間站來(lái)說(shuō)之所以重要，是因?yàn)樘�空并非絕對(duì)真空，空間站依然會(huì)受到微薄空氣阻力影響，其軌道高度會(huì)隨著時(shí)間推移而緩慢下降。要維持其軌道高度，就必須消耗燃料來(lái)獲得上升的推力，而空間站核心艙在發(fā)射時(shí)攜帶的推進(jìn)劑有限，這就需要貨運(yùn)飛船對(duì)其進(jìn)行在軌推進(jìn)劑加注，持續(xù)補(bǔ)充燃料。

據(jù)天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船總設(shè)計(jì)師白明生介紹，天舟一號(hào)攜帶約2噸推進(jìn)劑對(duì)天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室實(shí)施在軌加注，不僅量足夠，而且還有備份。這些推進(jìn)劑是液體燃料，將通過(guò)管路注入到天宮二號(hào)，而管路連接需要通過(guò)空間交會(huì)對(duì)接來(lái)實(shí)現(xiàn)。早在2011年，我國(guó)就成功實(shí)現(xiàn)了首次空間交會(huì)對(duì)接，掌握了這項(xiàng)堪稱萬(wàn)里高空“穿針引線”的太空絕技。

然而，在軌補(bǔ)加對(duì)交會(huì)對(duì)接精度提出了更高要求，需要“穿針引線”太空絕技再上一層樓。對(duì)此，航天科技集團(tuán)八院對(duì)接機(jī)構(gòu)主任設(shè)計(jì)師苑會(huì)領(lǐng)介紹說(shuō)，由于要進(jìn)行液體補(bǔ)加，不能出現(xiàn)任何泄露，這就要求大幅提升對(duì)接精度，必須在安裝后通過(guò)導(dǎo)向板、機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向銷套3個(gè)措施進(jìn)行校正，以此保證精確插合。

為此，設(shè)計(jì)師采用大量力學(xué)、熱控等仿真和地面試驗(yàn)驗(yàn)證，確保對(duì)接機(jī)構(gòu)產(chǎn)品質(zhì)量過(guò)關(guān)。對(duì)接機(jī)構(gòu)完全過(guò)關(guān)、經(jīng)得起考驗(yàn)意味著不僅對(duì)接要天衣無(wú)縫，為“太空加油”創(chuàng)造良好條件，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)分離。對(duì)此，航天科技集團(tuán)八院對(duì)接機(jī)構(gòu)副主任師丁立超介紹說(shuō)，為確保成功分離，設(shè)置了對(duì)接機(jī)構(gòu)分離推桿，如出現(xiàn)意外情況，該分離桿便開(kāi)始工作，克服故障，實(shí)現(xiàn)分離。

打造一把太空“加油槍”

空間交會(huì)對(duì)接為“空中加油”提供了前提條件，接下來(lái)，天宮二號(hào)利用壓氣機(jī)將自身貯箱中的氣體抽走，貯箱氣壓隨之下降。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船上高壓氣瓶的氣體將推進(jìn)劑從自身貯箱中推出，通過(guò)連接管路進(jìn)入天宮二號(hào)貯箱中。上述利用氣壓差實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑加注的原理其實(shí)并不復(fù)雜，但是，要順利完成推進(jìn)劑從天舟一號(hào)到天宮二號(hào)的加注還必須研制形成氣壓差的壓氣機(jī)和打造出一把經(jīng)得起考驗(yàn)的“加油槍”。

天宮二號(hào)推進(jìn)分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師江銘偉指出，一般的壓氣機(jī)研制其實(shí)并不難，但是天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室上需要的是小型化、高度輕便的壓氣機(jī)。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第六研究院經(jīng)過(guò)艱苦努力，進(jìn)行了一系列技術(shù)創(chuàng)新，最終使壓氣機(jī)重量被控制在幾十公斤，很好地滿足了這一要求。“加油槍”只是一個(gè)形象的說(shuō)法，它指的是一個(gè)叫做浮動(dòng)斷接器的設(shè)備，也是由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第六研究院研制的。該院副院長(zhǎng)劉志讓介紹說(shuō)，該設(shè)備的特點(diǎn)正如其名，是“可浮動(dòng)”的，可以最大限度消除天舟一號(hào)與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接偏差對(duì)加注可能產(chǎn)生的影響，提高補(bǔ)加的精準(zhǔn)性，避免泄漏。

江銘偉指出，這些關(guān)鍵設(shè)備的研制成功為在軌補(bǔ)加技術(shù)的實(shí)現(xiàn)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，還要想方設(shè)法優(yōu)化在軌補(bǔ)加的流程設(shè)計(jì)，使其一方面更為穩(wěn)妥，另一方面又不能過(guò)于復(fù)雜。在軌補(bǔ)加可能出現(xiàn)一些地面沒(méi)有完全預(yù)料的情況，因而必須設(shè)置應(yīng)急情況在軌處置程序，需要進(jìn)行提前謀劃和充分的冗余設(shè)計(jì)，確保萬(wàn)無(wú)一失。

衛(wèi)星加注試驗(yàn)為加油演練

“太空加油”是中國(guó)航天孜孜以求的技術(shù)突破。中國(guó)航天在成功掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)之后，投入更多精兵強(qiáng)將進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)和裝備制造，并在天舟一號(hào)升空之前已經(jīng)進(jìn)行了一次對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行在軌加注試驗(yàn)，并獲得圓滿成功。

2016年6月25日晚，天源一號(hào)在軌加注飛行試驗(yàn)系統(tǒng)搭載長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭，在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道。隨后幾天，天源一號(hào)根據(jù)預(yù)定計(jì)劃進(jìn)行了衛(wèi)星在軌加注核心關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)與驗(yàn)證，獲取了3種貯箱加注全過(guò)程的完整視頻和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。北京航天飛行控制中心對(duì)其進(jìn)行遙測(cè)表明，推進(jìn)劑加注過(guò)程穩(wěn)定，測(cè)量與控制精度高，實(shí)測(cè)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，我國(guó)首次衛(wèi)星在軌加注試驗(yàn)取得圓滿成功。這不僅為我國(guó)掌握衛(wèi)星在軌加注技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，而且為天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室推進(jìn)劑在軌加注積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

可以預(yù)見(jiàn)，天舟一號(hào)即將到來(lái)的飛行任務(wù)將使中國(guó)在軌加注技術(shù)進(jìn)一步得到驗(yàn)證、提升，走向成熟階段，使我國(guó)航天事業(yè)躍升到一個(gè)新高度，為即將進(jìn)行的載人空間站建設(shè)鋪平道路，完成中國(guó)航天肩負(fù)的國(guó)家目標(biāo)，全面提升中國(guó)航天產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。根據(jù)加拿大麥克唐納·德特威勒公司的估算，2012-2020年，可能有100多顆地球同步軌道通信衛(wèi)星因燃料提前耗盡而失效，替換這些衛(wèi)星的成本高達(dá)300億-360億美元。如果能夠通過(guò)在軌加注系統(tǒng)為這些在軌航天器補(bǔ)充燃料，延長(zhǎng)其使用壽命，可以有效降低發(fā)射成本。同時(shí)，在軌加注將提升我國(guó)太空探測(cè)實(shí)力。在深空探測(cè)任務(wù)中，火箭因?yàn)榇蠓秶鷻C(jī)動(dòng)變軌而消耗掉大量推進(jìn)劑。在軌加注技術(shù)可以為空間燃料倉(cāng)庫(kù)補(bǔ)加燃料，為深空探測(cè)航天器“太空加油”以及為空間軌道轉(zhuǎn)移飛行器的燃料轉(zhuǎn)移提供技術(shù)支撐。

4月24日，中國(guó)航天事業(yè)發(fā)展將迎來(lái)61周年紀(jì)念日。經(jīng)過(guò)逾一個(gè)甲子的努力奮斗，幾代中國(guó)航天人把中國(guó)太空探測(cè)技術(shù)推向了世界最前沿。隨著天舟一號(hào)即將上演的“太空加油”大戲，天宮二號(hào)乃至中國(guó)航天事業(yè)將獲得新的推動(dòng)力。