2017年，如何評價天舟一號？

2017年航天「超級工程」之一。

出品| 網易新聞

作者| 田豐，專註航天領域研究，系航天報、太空探索雜誌特約撰稿人、航天愛好者網站負責人

　　「天舟一號」是中國自主研製的首艘貨運飛船，為即將開始建設的載人空間站補貨送燃料。如果說中國未來空間站是一座地外「旅館」，那麼神舟飛船就是運送房客的「計程車」，而天舟飛船就是運送旅館日常用品的「小貨車」，二者缺一不可。

天舟一號

　　雖然關注度不如載人飛船，但貨運飛船其實這才是空間站能夠不間斷運行的支柱所在——空間站可不是發射上天就完事，要維持在軌運轉，就必須要為空間站定期補加推進劑。這事只能是貨運飛船干。

　　神舟飛船已經充分驗證能為空間站送去宇航員，但天舟飛船還猶抱琵琶半遮面。2017年4月，「天舟一號」貨運飛船首飛，這是空間站實驗任務的最後一次發射。4月27日，天舟一號與天宮二號完成首次推進劑在軌補加試驗。9月，天舟一號順利完成了5個月的「太空快遞」使命。天舟一號飛行任務圓滿成功，這標誌著中國載人航天工程第二步勝利完成，也宣告著，中國航天穩步邁進「空間站時代」！

十三五科技成果展上的中國空間站模型

「天舟一號」肚量大 運載能力躋身世界前列

　　美國主導的國際空間站貨運船隊堪稱「八國聯軍」，由美、俄、歐、日4個參與方，5種專職貨運飛船組成。相較之下，天舟可謂「獨挑大樑」，作為一款貨運飛船，不光要「多拉快跑」，還必須一專多能。

國際空間站的軌道高度，驟升的部分都是軌道抬升操作，需要消耗推進劑

　　歐洲自動轉移飛行器（ATV）儘管是運力「大哥」，但是已經退役下崗。排名第二的「天舟」接棒榮登榜首。

　　ATV的巨大運力是因為該飛船所乘坐的「阿麗亞娜-5」型火箭具有僅次於長征五號的強大能力，因此具有充足的運力可供「揮霍」。但是這個組合中火箭和飛船高昂的價格掣肘了其發射次數，直至退役為止僅僅發射了5次，而且基本每次任務都裝不滿，整體性價比相當糟糕。

ATV飛船採用了從俄羅斯引進的錐-桿式對接系統，可以自主對接，而推進艙則在飛船退役後改行成為了「獵戶座」載人飛船的推進艙

　　天舟還具備自主對接、推進劑補加、快速對接等所有先進特性。「天舟」之所以如此全能，其實是中國獨立自主搭建空間站的客觀需求，這種設計可以降低發射次數，節約空間站運維成本。

「天舟一號」結構

　　「天舟一號」採用兩艙構型，由貨物艙和推進艙兩部分組成，總長10.6米，艙體最大直徑3.35米，太陽帆板展開後最大寬度達14.9米，起飛重量約13噸，物資上行能力約6.5噸，推進劑補加能力約為2噸，具備獨立飛行3個月的能力，並具有與天宮二號空間實驗室交會對接、實施推進劑在軌補加、開展空間科學實驗和技術試驗等功能。

「天舟一號」的「座駕」，長征七號運載火箭

　　「天舟一號」在設計上部分繼承了天宮一號目標飛行器和天宮二號空間實驗室的成熟經驗，三圍尺寸與天宮一、二號近似。這種方式不僅壓縮了科研經費和研發周期，運用已有成熟設計也間接提高了可靠性。外形雖然相似，但「天舟一號」起飛重量卻從8噸躍升至13噸，有效載荷也隨之增加。此次，「天舟一號」將採用「長征七號」運載火箭這一全新「座駕」進入太空，而「長征七號」是中國新一代中型兩級液體捆綁式運載火箭，於去年6月首飛成功，可以把13.5噸的有效載荷送入近地軌道。

自製運力對比圖

　　俄羅斯老而彌堅的「進步」貨運飛船，進步飛船衍生自聯盟系列載人飛船，因此也採用三艙構型，自誕生起已經執行了157次貨運任務（並非都為國際空間站）。雖然發射次數高居榜首，但說起貨運能力卻是無奈墊底，不過這是由於其「乘坐」的聯盟系列運載火箭運力不足（與ATV飛船正好相反）和自身設計思路所導致。雖然貨運量不足，但進步飛船具備推進劑補加功能；還可以為國際空間站提升軌道；更具備自主對接功能，無需「加拿大」機械臂介入，堪稱是國際空間站維持軌道和貨物運輸的中堅力量。

　　日本的「鸛」貨運飛船（簡稱HTV）運力與天舟相仿，特色在於飛船中部可設置有非加壓貨艙，此外對接方式與前兩種飛船不同，HTV對接需要機械臂抓取進行捕獲對接。此外受限於日本航天的特殊定位，發射頻率不高。

日本的HTV飛船，圖為第6次任務，清晰可見中間敞開的非加壓貨艙

　　而美國自2011年太空梭黯然退役後，另闢蹊徑轉而求助民營航天公司開發貨運飛船，因此「天鵝座」和「龍」兩款貨運飛船脫穎而出，成為了美國貨運任務的兩大支柱。軌道ATK公司的「天鵝座」貨運飛船外觀獨特，經常被網友戲稱為「太空易拉罐」，同樣採用捕獲對接模式，飛船全部為加壓艙，而且火箭和飛船通過全球採購「拼裝」而成，降低了任務成本。

加長後的「天鵝座」貨運飛船，上部形同易拉罐的部分就是加壓貨艙

　　最後是太空探索技術公司的「龍」飛船，在飛船尾部設置有非加壓貨艙，同樣採用捕獲對接方式。由於最初目的並非專職貨運，因此其設計上頗具特色，即可以像載人飛船一樣在加壓艙內攜帶多達2.5噸的貨物返回地球。

「龍」飛船被加拿大機械臂捕獲後，正在對接國際空間站，清晰可見其圓角正方形對介面

三次「太空加油」難度大

　　近地軌道空間站通常工作在距地面400千米的高空中，雖然已高於100千米的卡門線（以錢學森的老師西奧多·馮·卡門命名，這條線一般認為是太空和大氣層的界限），但仍處於極其稀薄的大氣和隨之而來的空氣阻力中。阻力會使空間站的軌道緩慢下降，最終墜入大氣解體。為防止這種情況的發生，或躲避部分可能相撞的空間碎片，空間站必須不斷消耗推進劑來維持或變更其運行軌道。不同於運載火箭所常用的液氫、液氧等低溫推進劑，空間站的推進劑需要長期在軌貯存，所以一般都採用常溫肼基燃料。這種燃料組合具有較強的腐蝕性和毒性，因此不能通過航天員手動加註的方式進行轉移，只能由專門設計的補加機構來完成。因此「天舟一號」實施的推進劑補加任務，跟神舟飛船有很大區別。

「天舟一號」氧化劑特寫

　　為此，「天舟一號」設計了兩個獨立的推進劑儲箱，不僅為天宮二號單獨攜帶了一箱推進劑，用於自身控制的推進劑也可以「轉讓」。在兩個月的前期對接完成後，就可以適時開展推進劑的補加試驗，這是一個「慢工出細活」的過程，需要5天左右時間。推進劑和氧化劑分別設置了主、備兩套共四個加註口，通過液路浮動斷接器進行控制。「天舟一號」將為「天宮二號」空間實驗室進行兩至三次在軌加註。

天舟一號的對接機構及液路浮動斷接器

　　在軌加註相當於「太空加油」，要在沒有重力的環境中和無人操作的前提下，完成精準對接，所以工作難度要比地面「加油」高得多。加註時需要利用空間壓氣機實現一邊抽壓，一邊加壓，在氣壓的作用下讓液體轉移。這個過程中，既要對得上，還要抓得緊，密封要嚴實，加註要流暢，分離要果斷，泄漏更要儘可能的少，難度之高可想而知。

自主快速交會對接6小時完成

　　未來中國空間站是組合式空間站，將具有前向和後向兩個對介面，所以貨運飛船必須要具備從後向和前向兩個方向對接的能力。因此在此次任務中一共安排了三次交會對接，其中前兩次就是為了驗證雙向對接而安排的，需要「天舟一號」從後向退出來再繞飛到前向，並對對接能力進行實踐驗證。最終需要做到無論是前向還是後向對接，對接後的飛船的貨艙都將可以與空間站形成剛性連接，並相互聯通，航天員可以自由進入，並通過對介面搬運貨物。完成以上試驗後，「天舟一號」就與天宮二號再次分離，兩個飛行器將獨立飛行三個月。

　　而在這三個月的末期，「天舟一號」還要與天宮二號進行最後一次對接，驗證自主快速交會對接技術。此前神舟飛船與天宮的對接過程要2天左右，而貨運飛船因為是無人設計，時間可以放寬到3到5天完成，這樣可以用更多圈次來節省調姿所需的燃料。燃料省得越多，可用於補加的就越多。但是此次任務中將開展的一項快速對接試驗，要求兩個航天器在短短6個小時內就實現對接。目前俄羅斯已率先在「進步」貨運飛船上實現了這種快速對接，整個過程僅用4到6圈就能完成。所以中國也將開展相關試驗，技術成熟後不僅可以用於後續的「天舟」飛船任務，更可用於載人飛船對接，這樣一來航天員就不需要長時間擠在狹小的返回艙中，舒適性會有很大提升。

有了快速對接，航天員就無需長時間擠在狹小的返回艙中了

多種試驗同期展開 「天舟一號」很忙

　　除了「天舟一號」這位主要乘客外，「絲路一號」科學試驗衛星也將一同升空，而這種次級載荷搭載模式也是國際主流。而除了上述對接試驗外，天舟一號獨立在軌期間也是「重任在肩」。

「天舟一號」在軌計算機動畫「天舟一號」結構

　　例如「非牛頓引力實驗檢驗的關鍵技術驗證」將在軌測試高精度靜電懸浮加速度計的工作性能，獲得的試驗結果將為中國 「衛星重力測量」，「空間引力波探測」等空間計劃提供重要支撐；「主動隔振關鍵技術驗證」能夠為空間站高微重力實驗平台研製奠定技術基礎；「微重力對細胞增殖和分化影響研究」項目研究微重力等環境對幹細胞增殖分化、生殖細胞分化及骨組織細胞結構功能的影響；「兩相系統實驗平台關鍵技術研究」由中國科學家首次提出，開展微重力條件下流體的蒸發和冷凝實驗，此項研究將在歐空局相關項目之前實施，有望使中國在此領域佔得先機。最終完成全部既定任務後，天舟一號將受控離軌，再入大氣層解體燒毀，剩餘殘骸將隕落至預定安全海域，而天宮二號留軌繼續開展拓展試驗和應用。

對接補加過程

　　綜上，「天舟」貨運飛船是中國載人航天第二步第二階段任務及未來空間站工程任務實現的關鍵飛行器，其主要任務是提供上行物資運輸、補給；存儲下行廢棄物資以及推進燃料補加。在「天舟一號」任務圓滿完成後，中國未來空間站的核心艙將在明後年擇機發射，「天舟二號」貨運飛船和「神舟十二號」載人飛船也將相繼升空，正式開始建造中國的組合式空間站。

天舟一號

　　中國將不再滿足於亦步亦趨的跟隨，而是開展各種自主創新，比如神舟系列載人飛船，比俄羅斯的聯盟號要大一些，飛船的測控技術、電子技術等都更加先進。搭載的新一代載人飛船的縮比返回艙，更管窺了下一代載人飛船的雛形，其先進程度已使我們在下一代載人天地往返工具的研發中和美俄站在了同一起跑線上。還有正在軌工作的天宮二號空間實驗室，以及本文的主角——即將發射的天舟貨運飛船，都是中國在載人航天上不斷創新的標誌。

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