近日，中國首艘貨運(yùn)飛船天舟一號(hào)實(shí)現(xiàn)了與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室的快速交會(huì)對(duì)接，把對(duì)接時(shí)間縮短至6.5小時(shí)。對(duì)接完成后，天舟一號(hào)對(duì)天宮二號(hào)成功完成了第三次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)，并與后者分離。9月22日18時(shí)左右，天舟一號(hào)在完成空間實(shí)驗(yàn)室階段任務(wù)及后續(xù)拓展試驗(yàn)后受控離軌，再入大氣層。在測(cè)控通信系統(tǒng)的精確控制和密切監(jiān)視下，天舟一號(hào)經(jīng)兩次制動(dòng)，軌道高度不斷下降，最后進(jìn)入大氣層燒毀。
3次“加油”萬無一失
我國載人航天工程實(shí)施“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，第一步為載人飛船階段，第二步為空間實(shí)驗(yàn)室階段，第三步為空間站階段。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船任務(wù)是實(shí)現(xiàn)第二步戰(zhàn)略的收官之戰(zhàn)，驗(yàn)證空間補(bǔ)給技術(shù)，即推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，俗稱“太空加油”，為后續(xù)空間站階段奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
2017年4月23日07時(shí)26分，也就是天舟一號(hào)發(fā)射升空約3天之后，中國載人航天工程迎來歷史性時(shí)刻：推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)。此前，天舟一號(hào)關(guān)閉交會(huì)對(duì)接設(shè)備，進(jìn)行對(duì)接通道復(fù)壓和檢漏，以及設(shè)置組合體運(yùn)行狀態(tài)，并由天宮二號(hào)控制組合體轉(zhuǎn)入天宮二號(hào)在后、天舟一號(hào)在前的飛行姿態(tài)，做好推進(jìn)劑補(bǔ)加試驗(yàn)相關(guān)準(zhǔn)備工作。在軌補(bǔ)加試驗(yàn)開始后，北京航天飛行控制中心指揮大廳的屏幕上顯示和記錄著相關(guān)進(jìn)程，天舟一號(hào)和天宮二號(hào)實(shí)施推進(jìn)劑補(bǔ)加的一條條管路、一個(gè)個(gè)閥門、一個(gè)個(gè)參數(shù)以及用不同顏色標(biāo)識(shí)的貯箱等圖形元素都在上面清晰呈現(xiàn)出來。經(jīng)過近5天努力，4月27日19時(shí)許，首次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)完成。中國載人航天工程總指揮向外界宣布：天舟一號(hào)飛行任務(wù)取得圓滿成功。這標(biāo)志著中國突破和掌握推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加技術(shù)，填補(bǔ)了在航天領(lǐng)域的空白，為后續(xù)空間站建設(shè)和長期運(yùn)營掃清了能源供給上的障礙。
6月15日18時(shí)28分，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船與天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室順利完成第二次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了這一關(guān)鍵技術(shù)的可靠性。本次補(bǔ)加試驗(yàn)，旨在鞏固首次補(bǔ)加試驗(yàn)取得的技術(shù)成果，主要完成了浮動(dòng)斷接器插合、管路檢漏、燃料貯箱補(bǔ)加、氧化劑貯箱補(bǔ)加、浮動(dòng)斷接器分離和狀態(tài)恢復(fù)等工作，整個(gè)過程歷時(shí)約2天。先后進(jìn)行了補(bǔ)加管路檢漏、天宮二號(hào)貯箱氣體回收、推進(jìn)劑輸送、推進(jìn)劑吹除等關(guān)鍵步驟。在地面操作人員精確控制下，整個(gè)在軌補(bǔ)加過程由天舟一號(hào)與天宮二號(hào)共同配合完成，其中，天舟一號(hào)負(fù)責(zé)貯箱增壓、補(bǔ)加管路檢漏，并向天宮二號(hào)輸送推進(jìn)劑;天宮二號(hào)負(fù)責(zé)貯箱氣體回收，并接收貨運(yùn)飛船輸送推進(jìn)劑。9月16日20時(shí)17分，天舟一號(hào)與天宮二號(hào)順利完成第三次推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加試驗(yàn)，進(jìn)一步鞏固相關(guān)技術(shù)成果。本次補(bǔ)加試驗(yàn)中，天舟一號(hào)根據(jù)推進(jìn)劑使用量動(dòng)態(tài)評(píng)估結(jié)果與天宮二號(hào)后續(xù)任務(wù)需求，采取只為一組貯箱補(bǔ)加的策略，補(bǔ)加推進(jìn)劑共約250公斤，再次重復(fù)和驗(yàn)證了浮動(dòng)斷接器插合、管路檢漏等關(guān)鍵工作步驟，整個(gè)補(bǔ)加流程歷時(shí)約3天。
交會(huì)對(duì)接進(jìn)入新境界
除了實(shí)現(xiàn)太空加油，突破在軌補(bǔ)加技術(shù)之外，繼續(xù)驗(yàn)證空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)并實(shí)現(xiàn)快速交會(huì)對(duì)接技術(shù)的突破是天舟一號(hào)另一項(xiàng)重要使命。實(shí)際上，天舟一號(hào)作為貨運(yùn)飛船，要完成給天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室在軌補(bǔ)加推進(jìn)劑，必須首先實(shí)現(xiàn)與后者的空間交會(huì)對(duì)接。
對(duì)于中國載人航天來說，空間交會(huì)對(duì)接已經(jīng)不是一個(gè)新鮮事物。早在2011年，神舟八號(hào)與天宮一號(hào)就成功實(shí)現(xiàn)了被稱作“太空穿針引線”的超高難度動(dòng)作，一舉實(shí)現(xiàn)了在此領(lǐng)域的突破，使中國成為世界上第三個(gè)掌握空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)的國家。之后，神舟九號(hào)、十號(hào)與天宮一號(hào)，神舟十一號(hào)與天宮二號(hào)接連進(jìn)行了多次空間交會(huì)對(duì)接，包括自動(dòng)和手動(dòng)兩種不同方式。然而，需要指出的是，這些空間交會(huì)對(duì)接是目前國際上傳統(tǒng)主流的方式，其特點(diǎn)是速度相對(duì)較慢，一般耗時(shí)2-3天。近年來，快速空間交會(huì)對(duì)接開始被采用。從2012年起，俄羅斯用這種方式，在約6個(gè)小時(shí)實(shí)現(xiàn)飛船與國際空間站的交會(huì)對(duì)接。
追求交會(huì)對(duì)接的高速、高效具有重要價(jià)值。天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船副總設(shè)計(jì)師張強(qiáng)說，速度快就意味著用時(shí)短，就可以大幅縮短航天員在飛船狹小空間中滯留的時(shí)間，減少其不必要的體力與精力付出。同時(shí)，快速交會(huì)對(duì)接還可保障科研用品，特別是生物制劑等無法經(jīng)歷長期運(yùn)輸?shù)呢浧繁M快送達(dá)，更好滿足時(shí)效性要求。快速交會(huì)對(duì)接在緊急情況下為救援搶修贏得寶貴的時(shí)間。空間站等航天器在太空運(yùn)行中，如果遭遇突如其來的風(fēng)險(xiǎn)或者故障，必須進(jìn)行緊急處置，而快速交會(huì)對(duì)接就可以助力其高效開展故障排除與緊急救援等工作。
在交會(huì)對(duì)接方面，天舟一號(hào)被賦予了重任，一方面，繼續(xù)印證傳統(tǒng)交會(huì)對(duì)接技術(shù)，另一方面開展快速交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)新突破。天舟一號(hào)不辱使命，表現(xiàn)優(yōu)異。4月22日12時(shí)16分，天舟一號(hào)與天宮二號(hào)對(duì)接環(huán)接觸，順利完成一系列技術(shù)動(dòng)作后，對(duì)接機(jī)構(gòu)鎖緊，兩個(gè)飛行器建立剛性連接，形成組合體，首次對(duì)接圓滿結(jié)束。6月19日4時(shí)55分，天舟一號(hào)在完成繞飛試驗(yàn)后，與天宮二號(hào)再次交會(huì)對(duì)接成功，鞏固了航天器多方位空間交會(huì)技術(shù)。9月12日17時(shí)24分，天舟一號(hào)根據(jù)地面指令，轉(zhuǎn)入自主快速交會(huì)對(duì)接模式，經(jīng)歷“遠(yuǎn)距離自主導(dǎo)引”和“近距離自主控制”兩個(gè)階段實(shí)施，在相關(guān)導(dǎo)航設(shè)備的精準(zhǔn)控制下，完成與天宮二號(hào)交會(huì)，整個(gè)過程歷時(shí)約6.5小時(shí)，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。中國空間交會(huì)對(duì)接進(jìn)入“6.5小時(shí)”新境界。
星際鏈路支撐天基測(cè)控
無論是實(shí)現(xiàn)“太空加油”，還是快速空間交會(huì)對(duì)接技術(shù)突破，天舟一號(hào)令人驚艷的表現(xiàn)背后是精準(zhǔn)測(cè)控技術(shù)。值得注意的是，與以往載人航天任務(wù)實(shí)施不同，天舟一號(hào)測(cè)控實(shí)現(xiàn)了歷史性飛躍，是第一次以天基測(cè)控體制為主進(jìn)行的飛行控制。
航天測(cè)控系統(tǒng)是指對(duì)運(yùn)行中的航天器進(jìn)行跟蹤、測(cè)量和控制的大型電子系統(tǒng)，其對(duì)于航天任務(wù)實(shí)施的重要性不言而喻。就此，天舟一號(hào)貨運(yùn)飛船測(cè)控與通信分系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師朱珂打了個(gè)比方。他說，如果把航天器比作飛在太空的風(fēng)箏，那么測(cè)控系統(tǒng)就像是掌控著這根連接風(fēng)箏和地面的線。以往，中國的航天測(cè)控主要依賴陸基測(cè)控站和海基測(cè)量船進(jìn)行，這不僅需要耗費(fèi)大量人力物力建造、維護(hù)地面測(cè)控站和海上測(cè)量船，而且相關(guān)人員還要奔波在各個(gè)站點(diǎn)之間開展相關(guān)試驗(yàn)，效率較低。同時(shí)，還要受到跨國、跨境等地域限制，測(cè)控覆蓋范圍相對(duì)較小。
天舟一號(hào)首次采用了以“天基測(cè)控”體制為主的測(cè)控方式，也就是說，其測(cè)控不再主要依賴傳統(tǒng)的陸基和海基方式，而是天基測(cè)控為主體，再輔之以傳統(tǒng)方式。而所謂“天基測(cè)控”，朱珂介紹說，就是通過中繼衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)與地面的測(cè)控通信。
然而，實(shí)現(xiàn)測(cè)控方式的飛躍并不容易，不僅天舟一號(hào)自身要裝備相關(guān)終端設(shè)備，而且要借助中繼衛(wèi)星建立星間鏈路。實(shí)際上，中繼衛(wèi)星是天基測(cè)控的基石。從2008年開始，中國致力于打造屬于自己的中繼衛(wèi)星。當(dāng)年4月，中繼衛(wèi)星天鏈一號(hào)首顆星發(fā)射入軌，中國航天器開始擁有天上數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。在此后約8年間，中國接連又發(fā)射了3顆“天鏈一號(hào)”星，這樣由天鏈一號(hào)4顆星實(shí)現(xiàn)全球組網(wǎng)運(yùn)行。天舟一號(hào)發(fā)射成功后，其中繼終端在第一時(shí)間開機(jī)，與中繼衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)“太空握手”，建立星間鏈路。借助天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星，天基為主的測(cè)控通信體系構(gòu)筑完成，實(shí)現(xiàn)天舟一號(hào)與天宮二號(hào)交會(huì)對(duì)接、推進(jìn)劑補(bǔ)加等關(guān)鍵事件的全程跟蹤測(cè)控，既方便了對(duì)在軌設(shè)備狀態(tài)的及時(shí)監(jiān)測(cè)，又減少了對(duì)陸地測(cè)控站和海洋測(cè)量船的依賴，這為中國后續(xù)空間站的長期運(yùn)行開創(chuàng)了經(jīng)濟(jì)高效的道路。
在朱珂看來，星際鏈路不僅提高了航天測(cè)控的覆蓋率，提高了效率，而且還大大提高了航天器通信速度。他通過數(shù)據(jù)對(duì)比，認(rèn)為可以把遙測(cè)速度提高至原來的5倍。這樣，更有利于對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，更全面地掌握航天器的工作狀態(tài)。通信速度提高最直觀的表現(xiàn)就是太空寬帶的應(yīng)用。人們還記得，2016年的天宮二號(hào)與神舟十一號(hào)飛行任務(wù)中，航天員在太空生活里即時(shí)觀看《新聞聯(lián)播》，收發(fā)郵件，與家人視頻通話，這些就得益于天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)。
天舟一號(hào)為中國空間站研制建設(shè)和運(yùn)營管理積累了重要經(jīng)驗(yàn)。如今，它已圓滿完成“快遞”任務(wù)，光榮謝幕。
