出品：科普中國(guó)

作者：太空精釀（青年航天學(xué)者）

(相關(guān)資料圖)

北京時(shí)間2023年5月10日，中國(guó)載人航天事業(yè)迎來(lái)了天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船的發(fā)射：宛若巨龍的長(zhǎng)征七號(hào)火箭在文昌航天發(fā)射場(chǎng)拔地而起，箭船穩(wěn)穩(wěn)分離后，天舟六號(hào)迅速踏上追逐天宮空間站的旅程。

（圖源：新華社）

這也意味著天宮空間站全面建成并進(jìn)入空間應(yīng)用發(fā)展階段后，升級(jí)版的天舟飛船正式投入使用。

天舟的命名延續(xù)了中國(guó)航天給航天器起名的“中國(guó)式浪漫”，它的主要定位是給空間站級(jí)別的大型載人航天器運(yùn)送各類物資，是鏈接天地的“天舟”。換句話說(shuō)，它是中國(guó)載人航天事業(yè)的超級(jí)“快遞小哥”，通過(guò)天舟六號(hào)，咱們不妨聊聊這個(gè)超級(jí)小哥是怎么煉成的？

讀下文前，先問(wèn)下屏幕前的你，最喜歡什么樣的快遞？是不是

“要多！要穩(wěn)！要快！要便宜！”

“小孩子才做選擇，我全都要！”

一、多：這樣的貨，我能拉7噸！

兵馬未動(dòng)，糧草先行。充分的物資補(bǔ)給，是決定無(wú)數(shù)大事業(yè)的核心因素。天宮空間站建成后，各類消耗都需要來(lái)自地球源源不斷的補(bǔ)給。在同等條件下，貨運(yùn)飛船的運(yùn)力當(dāng)然越大越好。

天舟一號(hào)首飛與天宮二號(hào)（天宮一號(hào)的升級(jí)）對(duì)接效果圖。二者形狀接近，簡(jiǎn)單的判斷方法是數(shù)一側(cè)的太陽(yáng)能電池片數(shù)量，左側(cè)的天舟是三片。

（圖源：文獻(xiàn)【1】）

目前，全球僅有四種貨運(yùn)飛船在服役，分別是中國(guó)的天舟、俄羅斯的進(jìn)步號(hào)、美國(guó)的天鵝座和龍。其中，天舟的運(yùn)力達(dá)到了驚人的6.9噸，大幅超過(guò)了另外三款飛船2.2-3.3噸的運(yùn)力范圍【1】。這主要因?yàn)椋熘凼腔谖覈?guó)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的空間站天宮一號(hào)發(fā)展而來(lái)。天宮一號(hào)是個(gè)8.5噸的大家伙，幾乎觸及長(zhǎng)征2F火箭的能力上限。隨著運(yùn)力更強(qiáng)的長(zhǎng)征七號(hào)火箭投入使用，發(fā)展而來(lái)的天舟可以大幅擴(kuò)容，總重約13.5噸。大火箭與大飛船的“搭子”組合，使得天舟的運(yùn)力領(lǐng)先其他貨運(yùn)飛船。

2023年5月7日，長(zhǎng)征七號(hào)火箭和天舟六號(hào)飛船垂直轉(zhuǎn)運(yùn)中

（圖源：我們的太空）

而從天舟六號(hào)起，飛船進(jìn)一步升級(jí)，尤其是大幅增加了密封艙的貨運(yùn)能力（提升約20%），整體運(yùn)力達(dá)到了7.4噸，對(duì)空間站的支持力度更大【2】。

二、穩(wěn)：多面手，絕對(duì)靠譜

對(duì)貨運(yùn)飛船而言，光有運(yùn)力不行，還得是個(gè)能穩(wěn)穩(wěn)滿足多種需求的“多面手”?？臻g站在運(yùn)營(yíng)期間的消耗是方方面面的，而天舟在設(shè)計(jì)伊始就充分考慮到各種細(xì)節(jié)。

由于微弱的空氣阻力等因素，大型空間站的軌道維持會(huì)消耗大量推進(jìn)劑，天舟飛船攜帶了大量推進(jìn)劑可進(jìn)行在軌補(bǔ)加，變身為“太空加油車”。它還能在對(duì)接后啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，幫助整個(gè)空間站抬升軌道，變身為“太空拖車”。

航天員是空間站執(zhí)行科研任務(wù)的靈魂所在，甚至他們本身也是“科研載荷”，孕育了相應(yīng)的航天醫(yī)學(xué)方向。人的存在，就意味著復(fù)雜的衣食住行與生命保障需求，這主要通過(guò)天舟飛船的密封艙完成。天舟六號(hào)就重點(diǎn)加強(qiáng)了密封艙的建設(shè)，強(qiáng)化補(bǔ)給能力。例如，天舟六號(hào)攜帶了70千克新鮮水果，是天舟五號(hào)所攜帶水果量的兩倍，全方位保障航天員“干飯人”的需求。

空間站入軌后，需要定期維護(hù)和更換重要部件，出艙活動(dòng)等也要定期消耗出艙服和輔助設(shè)備，艙內(nèi)艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)也需要實(shí)驗(yàn)材料，它們都需要天舟飛船支持運(yùn)輸。按照器件材料特點(diǎn)，有些必須放在密封艙，有些則可以“外掛”在非密封部分，內(nèi)外搭配，從而最大化提升飛船運(yùn)輸效率。

滿載貨物的天舟飛船，除此之外還有艙外部分和推進(jìn)劑

（圖源：文獻(xiàn)【1】）

此外，天舟飛船延續(xù)了中國(guó)載人航天“0失敗”的輝煌，目前5發(fā)5中，又穩(wěn)又靠譜的多面手。

三、快：快速對(duì)接，太空“小時(shí)達(dá)”

太空飛行，受各種軌道動(dòng)力學(xué)約束，大不同于地球上快遞小哥所面對(duì)的地面交通系統(tǒng)。因而，在太空中交會(huì)對(duì)接是個(gè)難度很大的事情：飛船要利用極小的窗口期發(fā)射，然后會(huì)進(jìn)入橢圓軌道，再自身反復(fù)修正軌道，才能和空間站如期相遇。保守情況下，往往耗時(shí)兩天左右。

隨著天舟飛船的迭代發(fā)展，飛船軌道控制能力提升、定軌和導(dǎo)航精度提高、控制制導(dǎo)策略不斷優(yōu)化，對(duì)接時(shí)間也在不斷縮減。例如，天舟一號(hào)耗時(shí)兩天才對(duì)接，天舟五號(hào)僅需兩小時(shí)就完成了對(duì)接！這是新的世界紀(jì)錄，也是貨運(yùn)飛船在同時(shí)滿足工作要求和確保成功率條件下的最小理論時(shí)間：在入軌一圈后即完成對(duì)接。

天舟對(duì)接并服務(wù)于整個(gè)空間站的效果圖

（圖源：國(guó)家航天局）

因而，執(zhí)行天地運(yùn)輸任務(wù)的天舟飛船，實(shí)現(xiàn)了城市內(nèi)“小時(shí)達(dá)”的運(yùn)輸效率?？梢阅X補(bǔ)下這樣一個(gè)場(chǎng)景：航天員早上九點(diǎn)看到訂單送出，十一點(diǎn)就能收到，還不耽誤中午吃飯。

四、便宜：性價(jià)比超高的運(yùn)輸方案

天舟飛船“多、穩(wěn)、快”的直接好處就是在同等運(yùn)力要求下使用的頻率可大幅降低。例如，國(guó)際空間站每年需進(jìn)行約8次貨運(yùn)飛船補(bǔ)給任務(wù)，而以天舟六號(hào)為代表的新一批貨運(yùn)飛船，每?jī)赡陜H需3次任務(wù)就可滿足天宮空間站的運(yùn)營(yíng)需求。“8比1.5”，天舟在性價(jià)比方面有明顯優(yōu)勢(shì)。

發(fā)射次數(shù)降低，意味著對(duì)發(fā)射場(chǎng)資源的占用減少，貨運(yùn)飛船測(cè)試和維護(hù)團(tuán)隊(duì)的寶貴時(shí)間也被節(jié)約出來(lái)，昂貴的運(yùn)載火箭成本大幅降低，航天員用于交會(huì)對(duì)接和飛船分離等節(jié)點(diǎn)的工作安排也被解放。此外，舟飛船的發(fā)射和交會(huì)對(duì)接過(guò)程，可利用我國(guó)的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)測(cè)控和制導(dǎo)，大幅節(jié)約了相應(yīng)成本。且在關(guān)鍵技術(shù)（如超快速對(duì)接）突破后，飛船可以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，單個(gè)的造價(jià)因而大幅降低。

所以，天舟飛船的強(qiáng)大能力，能為我國(guó)的航天事業(yè)節(jié)約不少經(jīng)費(fèi)，這些經(jīng)費(fèi)可以用于其他關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。更好的技術(shù)，換來(lái)更多的產(chǎn)出、卻是更低的成本，天舟就是個(gè)極好的例子。

在任務(wù)的最后階段，天舟會(huì)竭盡全力為空間站做最后一次軌道維持，盡力提高它的軌道以對(duì)抗空氣阻力的影響。隨后滿載空間站產(chǎn)生的垃圾，離開(kāi)空間站，為后續(xù)的飛船讓出對(duì)接位置。在最后的時(shí)刻，受控沖入地球大氣層，劇烈的沖擊和熱量會(huì)讓它變成耀眼的流星。為預(yù)防可能的燃燒殘余帶來(lái)的影響，它一般會(huì)瞄準(zhǔn)太平洋南部的巨大“航天器墓地”，結(jié)束自己輝煌的一生。

參考文獻(xiàn)：

【1】Lei Jianyu Jia Dongyong Bai Mingsheng Feng Yong Li Xingqian . Research and Development of the Tianzhou Cargo Spacecraft. Space Sci Technol. 2023:3;0006. DOI:10.34133/space.0006.

【2】拉貨更多、貨物上新 天舟六號(hào)貨運(yùn)飛船將于五月上中旬發(fā)射，光明網(wǎng)。

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