航天科普:天舟六号的“大肚子”和前几号有何不一样?
发布时间:2023-06-02
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5月30日上午9时,神舟十六号载人飞船在“长征”火箭搭载下顺利升空。

作为我国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段的首次载人飞行任务,神舟十六号与半个多月前成功发射的天舟六号货运飞船一个送人,一个送货,可谓中国航天空间运输的“双璧”。

货运飞船是往返天地间的“太空快递小哥”,主要给空间站输送推进剂、燃料、食物等,并将空间站里的废弃物集中在一起,最终和废弃物一起在大气层中烧毁,坠落到地球上距离人类最远的海洋区域。

目前我国一共发射了六艘货运飞船,分别是天舟一号到六号。

天舟六号是世界上现役货物运输能力最大的货运飞船,也是从天舟六号到天舟十一号组批生产的首发货运飞船。它对同一批次飞船技术的验证及后续飞船的批量化生产具有重要意义。

祝贺天舟六号发射成功(图源见水印)

与前五号不同的是,天舟六号从运输到电源系统到装载力等方面都进行改良和创新。这个不一样的“大肚子”,为国家节约上亿元资金。

天舟六号货运飞船在轨模拟效果图

来源:新华每日电讯,中国航天科技集团八院供图


不一样的运输

天舟六号运往发射场的过程中,舱体采用的是直立状态,而前五号“天舟”用的是平躺状态。

前五号“天舟”建成后,工作人员把舱外设备拆分,通过航运把舱体和舱外设备分别运到发射场,再进行安装、测试。这种比较费时费力的工作,在货运飞船研发起步阶段是比较适合的。

为了提升效率,研发人员决定天舟六号舱体采用直立状态运输,除太阳能电池外其它舱外设备随舱体一起。这样到达目的地后经过简单的安装和测试就可以发射了。

天舟六号运输过程中的直立状态,决定其在包装、路线上都有所不同。研究人员为天舟六号打造了一套新型柔性船衣,它不仅可以阻隔高温湿度、高盐雾环境对飞船的影响,还能防雨、防尘、防雷电、防污染。此外,舱体包装箱用铝合金制成,配有空调及减振、自动排气、检控等系统。图片

天舟六号正运往文昌发射场(图源见水印)

此外,天舟六号包装箱里还配备了四台风扇,目的是让包装箱里的氮气分布均匀,确保箱里的大气压高于外界的气压(因为分布均匀的纯氮气的密度远远大于空气密度),防止大海的盐雾进入包装箱,侵蚀舱体及产品。盐雾是指海上空气里含盐的微小液滴,主要由于风吹、海浪拍岸等产生泡沫,泡沫破裂所形成。盐雾腐蚀是常见的大气腐蚀之一,会破坏金属或合金的防护层,机械强度降低;或让电子元件和电线供电线路中断等。

直立舱体占地约96立方米,意味着运输方式一定要讲究。为此,研发团队采用陆路加海路的方式进行。舱体在北京的工厂生产好后,陆路运到天津码头,再从码头出港,由海路运到海南文昌航天发射场。这与以前的空运比起来虽然多花十多个小时,但对直立状态的舱体来说无疑是更可靠、更保险。


不一样的电源系统


电源系统为天舟六号往返天地间提供能源供给,具有不可替代的作用。

为此,研发人员从2019年就着力于改善天舟六号的电源系统。经过三年多的探索,终于研制出更适合太空在轨运行的太阳电池翼工作模式

当太阳入射角小,太阳光很少时,太阳电池翼进入“半睡眠”状态,系统由中国空间站提供能量。当太阳入射角足够大,太阳光多时,太阳电池翼从“半睡眠”中苏醒过来,从阳光中获得能量,保证货船的运行。

此模式灵活多样,可充分利用地球上空的空间环境获得能量。用它发电,一天的量就足够普通家庭半个多月用,确保天舟六号“带货”和航天员在轨驻留开展工作需要的电能供应。

天舟六号的电源配置及相关数据(图源:上海航空)

值得一提的是,从天舟六号开始,“天舟”电源系统的关键元器件实现100%国产化,较之前“天舟”电源元器件国产化提高了15%。此举不但提高了电源的可靠性,降低了成本,满足了上行遥控及下行图像和载荷数据的需求,还极大地增强了国人的信心。


不一样的装载力


相对运输、舱体状态、包装和电源系统而言,天舟六号的装载能力比前五艘“天舟”有了极大的提升。

和其它五号“天舟”一样,天舟六号也分两个舱,一是负责运输物资的货物舱,也叫密封舱二是执行飞行任务,装载推进剂并为飞船提供动力和能源的推进舱。很显然,要提升飞船的装载能力就得从两个舱入手。

天舟六号的货物舱和推进舱模拟图(图源:上海航空)

一是空间站推进剂需求量减少,推进舱空间变大。之前由于中国空间站正在全面建设,所以推进舱大部分空间装载用于建设的推进剂。自2022年年底中国空间站建成后,燃料需求少了,推进舱空间变大了。之前天舟的推进舱中有8个推进剂贮箱,天舟六号起调整为4个贮箱。

二是转移部分设备到推进舱,货物舱空间变大。天舟六号单次运的东西越多越经济越显能耐。货物舱的空间大小是天舟六号装载能力的主要指标。货物舱容积提升,可以减少发射次数,提升任务能力。

货物舱有了更大的容积,自然可以为航天员提供更久更充足的物资。推进舱原来装燃料的部分,用来装原货物舱的近30套设备仪器。货物舱扩大20%的容积,装载量相当于提高了1.2吨,以前密封舱内货物可以运送5.5吨,现在可以运送6.7吨。这样才最终实现给中国空间站的宇航员“捎”去70公斤新鲜水果(约是天舟五号携带水果的2倍)的“宇宙级带货”。

据统计,随着天舟六号密封舱货物装载空间的加大,整船物资装载能力由6.9吨提高至7.4吨,上行(升空)载货比由0.51提高至0.53。载货比是指所载货物重量之整艘飞船总重量之间的比值。载货比越高,说明飞船运载货物的效率越高。天舟六号上行载货比达0.53,意味着它已是目前现役货运飞船运载能力最强的飞船。

“天舟”飞船的造价成本估算(图源:上海航空)

国际空间站每年需进行约 8 次货运飞船的发射。按“天舟”前五号推算,中国空间站每年要进行2次补给,而按照天舟六号的运载量算,每2年补给3次即可满足需求,即每年节约0.5次。按每艘货运飞船约3.5亿元人民币造价计算,每年可为国家节约1.75亿元人民币。从这方面讲,天舟六号或许是世界上最省钱的“大肚子”!

参考文献:

1.《天舟飞船“升级版” 开启空间站新阶段》,《人民日报》2023.5.22

2.《舟行天地  载梦远航》,作者刘诗瑶、喻思南,《人民日报》2023.5.11

3.《天舟,中国空间摆渡货驳》,作者刘皓池,《航空知识》2021年第6期


作者:魏德勇 广东深圳市作家协会会员



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