航天科普:天舟六號的“大肚子”和前幾號有何不一樣?
發(fā)布時間:2023-06-02
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5月30日上午9時,神舟十六號載人飛船在“長征”火箭搭載下順利升空。

作為我國載人航天工程進(jìn)入空間站應(yīng)用與發(fā)展階段的首次載人飛行任務(wù),神舟十六號與半個多月前成功發(fā)射的天舟六號貨運飛船一個送人,一個送貨,可謂中國航天空間運輸?shù)摹半p璧”。

貨運飛船是往返天地間的“太空快遞小哥”,主要給空間站輸送推進(jìn)劑、燃料、食物等,并將空間站里的廢棄物集中在一起,最終和廢棄物一起在大氣層中燒毀,墜落到地球上距離人類最遠(yuǎn)的海洋區(qū)域。

目前我國一共發(fā)射了六艘貨運飛船,分別是天舟一號到六號。

天舟六號是世界上現(xiàn)役貨物運輸能力最大的貨運飛船,也是從天舟六號到天舟十一號組批生產(chǎn)的首發(fā)貨運飛船。它對同一批次飛船技術(shù)的驗證及后續(xù)飛船的批量化生產(chǎn)具有重要意義。

祝賀天舟六號發(fā)射成功(圖源見水?。?/p>

與前五號不同的是,天舟六號從運輸?shù)诫娫聪到y(tǒng)到裝載力等方面都進(jìn)行改良和創(chuàng)新。這個不一樣的“大肚子”,為國家節(jié)約上億元資金。

天舟六號貨運飛船在軌模擬效果圖

來源:新華每日電訊,中國航天科技集團(tuán)八院供圖


不一樣的運輸

天舟六號運往發(fā)射場的過程中,艙體采用的是直立狀態(tài),而前五號“天舟”用的是平躺狀態(tài)。

前五號“天舟”建成后,工作人員把艙外設(shè)備拆分,通過航運把艙體和艙外設(shè)備分別運到發(fā)射場,再進(jìn)行安裝、測試。這種比較費時費力的工作,在貨運飛船研發(fā)起步階段是比較適合的。

為了提升效率,研發(fā)人員決定天舟六號艙體采用直立狀態(tài)運輸,除太陽能電池外其它艙外設(shè)備隨艙體一起。這樣到達(dá)目的地后經(jīng)過簡單的安裝和測試就可以發(fā)射了。

天舟六號運輸過程中的直立狀態(tài),決定其在包裝、路線上都有所不同。研究人員為天舟六號打造了一套新型柔性船衣,它不僅可以阻隔高溫濕度、高鹽霧環(huán)境對飛船的影響,還能防雨、防塵、防雷電、防污染。此外,艙體包裝箱用鋁合金制成,配有空調(diào)及減振、自動排氣、檢控等系統(tǒng)。圖片

天舟六號正運往文昌發(fā)射場(圖源見水?。?/p>

此外,天舟六號包裝箱里還配備了四臺風(fēng)扇,目的是讓包裝箱里的氮氣分布均勻,確保箱里的大氣壓高于外界的氣壓(因為分布均勻的純氮氣的密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空氣密度),防止大海的鹽霧進(jìn)入包裝箱,侵蝕艙體及產(chǎn)品。鹽霧是指海上空氣里含鹽的微小液滴,主要由于風(fēng)吹、海浪拍岸等產(chǎn)生泡沫,泡沫破裂所形成。鹽霧腐蝕是常見的大氣腐蝕之一,會破壞金屬或合金的防護(hù)層,機械強度降低;或讓電子元件和電線供電線路中斷等。

直立艙體占地約96立方米,意味著運輸方式一定要講究。為此,研發(fā)團(tuán)隊采用陸路加海路的方式進(jìn)行。艙體在北京的工廠生產(chǎn)好后,陸路運到天津碼頭,再從碼頭出港,由海路運到海南文昌航天發(fā)射場。這與以前的空運比起來雖然多花十多個小時,但對直立狀態(tài)的艙體來說無疑是更可靠、更保險。


不一樣的電源系統(tǒng)


電源系統(tǒng)為天舟六號往返天地間提供能源供給,具有不可替代的作用。

為此,研發(fā)人員從2019年就著力于改善天舟六號的電源系統(tǒng)。經(jīng)過三年多的探索,終于研制出更適合太空在軌運行的太陽電池翼工作模式

當(dāng)太陽入射角小,太陽光很少時,太陽電池翼進(jìn)入“半睡眠”狀態(tài),系統(tǒng)由中國空間站提供能量。當(dāng)太陽入射角足夠大,太陽光多時,太陽電池翼從“半睡眠”中蘇醒過來,從陽光中獲得能量,保證貨船的運行。

此模式靈活多樣,可充分利用地球上空的空間環(huán)境獲得能量。用它發(fā)電,一天的量就足夠普通家庭半個多月用,確保天舟六號“帶貨”和航天員在軌駐留開展工作需要的電能供應(yīng)。

天舟六號的電源配置及相關(guān)數(shù)據(jù)(圖源:上海航空)

值得一提的是,從天舟六號開始,“天舟”電源系統(tǒng)的關(guān)鍵元器件實現(xiàn)100%國產(chǎn)化,較之前“天舟”電源元器件國產(chǎn)化提高了15%。此舉不但提高了電源的可靠性,降低了成本,滿足了上行遙控及下行圖像和載荷數(shù)據(jù)的需求,還極大地增強了國人的信心。


不一樣的裝載力


相對運輸、艙體狀態(tài)、包裝和電源系統(tǒng)而言,天舟六號的裝載能力比前五艘“天舟”有了極大的提升。

和其它五號“天舟”一樣,天舟六號也分兩個艙,一是負(fù)責(zé)運輸物資的貨物艙,也叫密封艙;二是執(zhí)行飛行任務(wù),裝載推進(jìn)劑并為飛船提供動力和能源的推進(jìn)艙。很顯然,要提升飛船的裝載能力就得從兩個艙入手。

天舟六號的貨物艙和推進(jìn)艙模擬圖(圖源:上海航空)

一是空間站推進(jìn)劑需求量減少,推進(jìn)艙空間變大。之前由于中國空間站正在全面建設(shè),所以推進(jìn)艙大部分空間裝載用于建設(shè)的推進(jìn)劑。自2022年年底中國空間站建成后,燃料需求少了,推進(jìn)艙空間變大了。之前天舟的推進(jìn)艙中有8個推進(jìn)劑貯箱,天舟六號起調(diào)整為4個貯箱。

二是轉(zhuǎn)移部分設(shè)備到推進(jìn)艙,貨物艙空間變大。天舟六號單次運的東西越多越經(jīng)濟(jì)越顯能耐。貨物艙的空間大小是天舟六號裝載能力的主要指標(biāo)。貨物艙容積提升,可以減少發(fā)射次數(shù),提升任務(wù)能力。

貨物艙有了更大的容積,自然可以為航天員提供更久更充足的物資。推進(jìn)艙原來裝燃料的部分,用來裝原貨物艙的近30套設(shè)備儀器。貨物艙擴大20%的容積,裝載量相當(dāng)于提高了1.2噸,以前密封艙內(nèi)貨物可以運送5.5噸,現(xiàn)在可以運送6.7噸。這樣才最終實現(xiàn)給中國空間站的宇航員“捎”去70公斤新鮮水果(約是天舟五號攜帶水果的2倍)的“宇宙級帶貨”。

據(jù)統(tǒng)計,隨著天舟六號密封艙貨物裝載空間的加大,整船物資裝載能力由6.9噸提高至7.4噸,上行(升空)載貨比由0.51提高至0.53。載貨比是指所載貨物重量之整艘飛船總重量之間的比值。載貨比越高,說明飛船運載貨物的效率越高。天舟六號上行載貨比達(dá)0.53,意味著它已是目前現(xiàn)役貨運飛船運載能力最強的飛船。

“天舟”飛船的造價成本估算(圖源:上海航空)

國際空間站每年需進(jìn)行約 8 次貨運飛船的發(fā)射。按“天舟”前五號推算,中國空間站每年要進(jìn)行2次補給,而按照天舟六號的運載量算,每2年補給3次即可滿足需求,即每年節(jié)約0.5次。按每艘貨運飛船約3.5億元人民幣造價計算,每年可為國家節(jié)約1.75億元人民幣。從這方面講,天舟六號或許是世界上最省錢的“大肚子”!

參考文獻(xiàn):

1.《天舟飛船“升級版” 開啟空間站新階段》,《人民日報》2023.5.22

2.《舟行天地 ?載夢遠(yuǎn)航》,作者劉詩瑤、喻思南,《人民日報》2023.5.11

3.《天舟,中國空間擺渡貨駁》,作者劉皓池,《航空知識》2021年第6期


作者:魏德勇 廣東深圳市作家協(xié)會會員



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