来源:中国航天报 发布时间:2017/4/27 15:15:40
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我国货运飞船研制理念及未来发展解读

 

4月20日晚,中国航天人在天地间搭建起运输“走廊”。

按照我国载人航天工程“三步走”战略,由中国航天科技集团公司抓总研制的货运飞船是载人空间站工程的重要组成部分。伴随我国首艘货运飞船天舟一号的发射入轨,空间站建设和长期在轨运营成为可能。

首艘货运飞船聚焦4方面验证

天舟系列货运飞船是为载人航天工程全新研制的航天器。天舟一号的研制者们没有一味追求飞船总重量或货物重量单方面的高数值,而是根据未来空间站实际规模和任务需求,打造了一个“规模适度”的货运飞船。

虽然是首飞型号,设计人员对货运飞船技术指标的自我要求却极为苛刻。货运飞船的载货比达到0.48,这是一个世界现役货运飞船均未企及的数值。

可是,为什么要建造这样一艘“很能装货但载不了人”的飞船呢?

“未来,我国要建造长期有人照料的空间站,航天员在太空需要生活、工作物资,空间站运转需要推进剂补给,废弃物也需要被带回大气层烧毁。”天舟一号货运飞船总设计师白明生解释。

取决于这样的需求,货运飞船的主要任务被我国载人航天工程的建设者们严谨地明确为:“为空间站(空间实验室)上行运输和在轨存储、补给物资;为空间站(空间实验室)存储和下行废弃物资并受控陨落于预定区域;配合空间站(空间实验室)进行组合体轨道和姿态控制;支持开展适应货运飞船能力的空间应用和技术试验。”

“通俗点来说,货运飞船的任务就是运货、加油和开展相应试验。”五院载人航天总体部研究室主任黄震言简意赅地概括道。

区别于我国后续正式投入运营的货运飞船,作为“先行者”,此次天舟一号的主要任务目标聚焦于4大方面的“验证”。“没有试飞的余地,首飞就要完成任务。”研制人员坦言压力不小。

最大的难点来自于两个航天器的协同工作。天舟一号要在空间实验室的配合下,除了验证推进剂在轨补加技术,还要开展货运飞船控制组合体、绕飞至前向交会对接、快速交会对接等一系列试验。

此外,货运飞船的功能和性能也将通过天舟一号得到全面考核。而为最大限度发挥应用平台效能,天舟一号还支持开展空间应用及技术试(实)验,能够实现“一次飞行、多方受益”的目标。

开启载人航天器型谱化设计

在我国航天界,“型谱化”的概念最早使用于运载火箭。公众也许不会忘记,大约半年前,这一概念曾作为大型运载火箭长征五号首飞的一大亮点被反复提及。正是长征五号的研制发射,为我国新一代运载火箭型谱化、系列化的发展奠定了基础。

然而在我国载人航天器设计领域,尽管神舟系列飞船取得了11战11捷的优异成绩,是高度安全、可靠、稳定的载人飞船,但其设计理念并不能被称为“型谱化”。

“并不是将已有不同规格的同类产品简单罗列、组合,或者不断改进现有产品特性、功能,就叫‘型谱化’。”航天专家朱毅麟曾专门厘清这一概念的定义,“真正的‘型谱化’,是指一个产品系列能满足较长时期及一定范围内的全部使用要求。”

天舟系列货运飞船就是符合上述标准的型谱化产品,由货物舱和推进舱两舱结构组成。其中,货物舱装载货物和设备,推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。

五院载人航天总体部研制团队采用模块化思路,为货运飞船设计了4种模块。除公用的一体化设计的推进舱模块外,针对运输货物的不同类型和需求,货运飞船可选用全密封货物舱模块、半开放货物舱模块或全开放货物舱模块。

“模块化设计提高了货运飞船的任务适应能力和任务拓展度,降低了研制周期和成本,可以通过有限的飞行试验快速提高平台可靠性。”黄震认为。

通过3种不同货物舱模块与推进舱模块的“搭积木”组合,天舟系列货运飞船全密封、半开放和全开放的3种型谱就此形成。作为首发货运飞船,天舟一号被设计为全密封型谱状态。

“这样的设计使以后运输不同物资的货运飞船之间的接口更加统一化和规范化,顺应了载人航天器通用化、批量化、系列化发展的要求。”白明生说。

未来,3种型谱的货运飞船分工明确。全密封货运飞船主要用于运输航天员消耗品、密封舱内设备和试验载荷,半开放货运飞船可以满足太阳电池翼等舱外物资的运输需求,而全开放货运飞船则主要负责运载大型舱外货物。

载人飞船型谱化应用的成功典范要数俄罗斯的联盟号系列飞船。作为世界上最早且至今仍有效运营的载人飞船,联盟号自上世纪60年代以来,经历数次升级换代,衍生出多种适应不同任务需求的货运飞船型谱。

“我国载人航天工程起步虽晚,但起点高,具有高可靠性和安全性的设计。如今,我们从天舟一号开始,迈出了载人航天器型谱化设计的第一步,这也是我们空间站建设国际化的重要基础。”天舟一号货运飞船总指挥金勇说。

打造自主可控的数字空间站

空间站建设是庞大且复杂的系统工程,其设计者目光放得长远。这一点在天舟一号货运飞船的诸多细节方面得以窥见。

作为货运飞船飞行验证平台的天舟一号,首次大刀阔斧地使用了7大类、上百种的国产新研核心元器件,提前验证空间站中所用的关键元器件。

例如,此前载人飞船采用的是低压供电,而未来我国空间站面临更大载荷和功率,必须采用100伏的高压供电。为提高传输效率,天舟一号采用了全新自主研制的国产100伏高压器件。

首次在国内航天器上采用的100伏厚膜电源模块被应用到了整船所有的关键电子单机上,带来的改变不仅是整船几十公斤配电设备重量的优化和各电子单机尺寸的缩小,更重要的是突破国外的技术封锁,加速了航天器核心元器件设计的国产化进程。

看似不大的元器件,背后牵扯的系统工作却千头万绪。每当说起具体细节,设计师们爱用“一言难尽”来轻描淡写攻关的难。他们说,一想到未来空间站建设的关键命脉牢牢握在自己手中,“心里就不慌了”。

全三维数字化设计也被淋漓尽致地应用到了货运飞船上。货运飞船立项之时,时值集团公司开始进行型号数字化研制的尝试。“天舟一号的数字化研制触碰到了一个很好的契机。”五院货运飞船数字化研制团队成员们感慨。

五院借此成立“全三维数字化协同设计实验室”,将正在孕育的天舟一号推上数字化之路。而放眼中国航天领域,全三维数字化设计在新一代运载火箭上也普遍采用着。

对于数字化的优越性,设计师郭军辉感触最深。天舟一号整个货物舱的电缆设计全部出自他之手。“以构型布局设计为例,按照传统的二维图纸模式,货船单舱段的设备布局需要单人用30天完成,而采用全三维数字化设计后,只需要15天。”郭军辉说。

天舟一号从方案设计阶段开始始终坚持数字化手段,打通了产品设计、工艺、生产、装配、检验、交付全过程的信息流。设计团队通过探索基于三维模型的协同设计模式,显著提高了航天器设计效率和质量。

 
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