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「太空加油」密封確保不漏油

天舟一號是自主研製的首艘貨運飛船,這位「太空快遞員」的太空之旅,可謂行程安排滿滿,不但要與已在太空等待的「天宮二號」相約「牽手」交會對接,稱為「太空加油」的推進劑補加更是成為「重頭戲」,還搭載了非牛頓引力實驗等10餘項應用載荷。茫茫太空加油一定也不是件輕鬆的事,到底通過什麼方法來實現?航天科技集團五院研究員龐之浩通過國際上的實例給出答案。

那些貨運飛船們

俄羅斯「進步」系列貨運飛船:曾兩次人造月亮

龐之浩介紹說,1993年2月4日,「進步」貨運飛船離開了和平號空間站,它攜帶一把摺疊好的巨大「太陽傘」——人造月亮。12分鐘以後,它在離空間站160米的地方被打開,然後用這把直徑22米的「太陽傘」,在距離地球350千米高的地方進行了人造月亮的照明實驗,向處於黑夜的歐洲地區反射了一道寬約10千米的亮光,其亮度相當於月亮的2至3倍,從南到北掃過地球,依次照亮了里昂、日內瓦、慕尼黑和白俄羅斯。1999年的2月4日,俄羅斯用「進步」系列飛船再次實施了一次人造月亮實驗。

美國太空探索技術公司「龍」飛船:唯一可重返地球

龐之浩說,與由政府投資研製的民用貨運飛船不同,美國有兩家私營公司研製了2種商用貨運飛船,其中一種就是載貨型「龍」飛船,它是所有貨運飛船中唯一可以重返地球並運回物品的「寵兒」。這是因為飛船帶有熱防護罩,可在返回時耐受極高溫安全降落,而其他飛船不具有熱防護罩,只能在再入大氣層時燒毀。「龍」飛船採用降落傘水上濺落的回收方式,使用高性能熱防護罩和側壁熱防護系統。到2017年2月,「龍」飛船已進行了10次商業補給任務發射。

交接

「無人貨船」全靠機械臂

貨運飛船飛到太空后,要和空間站進行交會對接,這樣兩個大傢伙連為一體,彼此相通,航天員才能進去搬貨物。龐之浩說,貨運飛船要採用自控交會對接的方式,不能像載人飛船那樣,如果自動出現問題,可以改用手動。而貨運飛船上沒有人,交會對接的難度就更大。不過,俄羅斯採用過新方法,通過空間站上的航天員控制貨運飛船交會對接。國際上還有一種方法,就是用機械臂的方式交會對接。空間站上的機械臂像一隻手那樣伸出捕獲飛船。這種對接方式可減少飛船上對接系統的質量、成本和複雜性,提高對接的安全性。美國和日本都是採用機械臂方式。

快速模式讓航天員不熬夜

龐之浩介紹說,在航天器交會對接過程中一個是目標飛行器,比如國際空間站;另一個是追蹤飛行器,比如飛船或者太空梭。目標飛行器已經在太空運行,然後發射追蹤飛行器與之對接。採用常規交會對接模式,飛船要追蹤兩天。近幾年,俄羅斯採用了新的快速對接模式,追蹤飛行器只要升空6個小時,就可以和空間站進行交會對接。俄羅斯開始是用貨運飛船試驗,成功後用載人飛船快速對接,最終也成功了。現在,俄羅斯的貨運和載人飛船都是採用快速對接模式。

龐之浩說,快速對接的載人飛船一是可以大大減少航天員在軌時間,讓航天員更舒服,就像從坐火車改坐飛機一樣,不用再熬夜了,同時也可以減少飛船上攜帶的生命保障設備物品。二是進行空間生命科學實驗,實驗物要求短時間內抵達空間站,如果長期在飛船上,有的生命就難以生存了。三是便於應急處理,空間站出現問題,比如空間站缺食品、航天員生病時,需要緊急運送,所需物品6小時就能到達。

目前,只有俄羅斯的「進步號」貨運飛船和「聯盟號」載人飛船實現了快速對接。

快速對接的難點在哪裡?龐之浩說,快速對接主要是要採用全自主技術,不需要地面支持,目前的常規交會對接模式需要地面很多支持,所以飛船單飛時間長,每一步都需要地面發送指令,走走停停,對地面依賴度很高,地面測控中心參與量比較大,雖然穩妥,但是時間長,消耗的人力、物力、財力等資源也比較多。而快速對接所採用的自主飛行技術比較複雜,對發射窗口、途徑等要進行精確的計算,如果半路自主方式出現問題的話,就需要重新改為常規對接模式。「就像人們爬山,要麼直接上山,要麼繞路上山。直接上山很快,但是路途比較陡峭,有風險。繞路上山就慢了,但是更平穩。」

加油

壓差方式實現推進劑補加

太空中的推進劑補加,好比飛機的空中加油,不漏油是關鍵。龐之浩說,國際上通常的情況是,交會對接機構原來只是電路相連接,組成組合體后電源由空間站提供。而進行推進劑補加,就需要增加兩個管路,用來加註液體推進劑使用。之後採用壓差的方法進行加註,也就是說,貨運飛船加壓,空間站燃料箱減壓,從而把液體輸送到空間站。從以前的公開報道中,只有俄羅斯進行過推進劑補加。推進劑一般是放在推進艙里。「太空加油」后,密封性非常關鍵,相關設備要確保燃料不能漏出來。

推手

拉動空間站躲避太空垃圾

作為名副其實的「太空快遞員」,貨運飛船除了運送貨物、太空加油為空間站送去燃料外,還有許多其他用途。例如,由於空間站是在低地球軌道運行,會受到殘存大氣阻力的影響而逐漸降低軌道高度,所以在空間站軌道高度降低到一定情況下要提升它的軌道高度才行,而攜帶較多燃料的貨運飛船在空間站的軌道維持方面能發揮重要作用。

目前,「國際空間站」主要是靠貨運飛船提升空間站的軌道高度,以抵消大氣阻力的影響,並使「國際空間站」與將要與之對接的天地往返運輸器處於最佳對接位置。它有時也用於機動「國際空間站」軌道位置,以便躲避飛來的太空垃圾。

回收

大部分墜落「航天器墳場」

在完成了太空快遞的任務后,貨運飛船的最終命運可以用悲壯來形容,因為它不像載人飛船那樣可以重返地球,而是在最後再入大氣層燒毀。龐之浩介紹說,通常是通過地面控制設定程序,墜毀到被稱為「航天器墳場」的南太平洋某一個地區,那裡人跡罕至,水比較深。

自己悲壯地離開,最後也可以給空間站出把力。俄羅斯的「進步」系列飛船在2001年和平號空間站壽終正寢的墜落中也發揮過重要作用。當時,與和平號對接的「進步」系列飛船通過多次點火,使和平號空間站的飛行速度不斷降低,最終成功地把和平號推離原運行軌道墜入大氣層,落到南太平洋某一區域。

實踐證明,貨運飛船用途很廣,因此,歐洲、日本和美國後來也為「國際空間站」研製了運載量較大的新型貨運飛船——「自動轉移飛行器」、H-2轉移飛行器,以及商用載貨型「龍」飛船和「天鵝座」貨運飛船。後來發展的這些飛船都不是從載人飛船改進而成的,而是新研製的,所以運載力或性價比都較高。

至今,全世界已發射過約180多艘貨運飛船。(記者 韓娜)



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