“太空加油”密封确保不漏油

航天 · 2017-4-18 11:08:48

天舟一号将实施推进剂在轨补加国际货运飞船大多烧毁坠入南太平洋

天舟一号是我国自主研制的首艘货运飞船，这位“太空快递员”的太空之旅，可谓行程安排满满，不但要与已在太空等待的“天宫二号”相约“牵手”交会对接，称为“太空加油”的推进剂补加更是成为“重头戏”，还搭载了非牛顿引力实验等10余项应用载荷。茫茫太空加油一定也不是件轻松的事，到底通过什么方法来实现？中国航天科技集团五院研究员庞之浩通过国际上的实例给出答案。　　那些货运飞船们　　俄罗斯“进步”系列货运飞船：曾两次人造月亮　　庞之浩介绍说，1993年2月4日，“进步”货运飞船离开了和平号空间站，它携带一把折叠好的巨大“太阳伞”——人造月亮。12分钟以后，它在离空间站160米的地方被打开，然后用这把直径22米的“太阳伞”，在距离地球350千米高的地方进行了人造月亮的照明实验，向处于黑夜的欧洲地区反射了一道宽约10千米的亮光，其亮度相当于月亮的2至3倍，从南到北扫过地球，依次照亮了里昂、日内瓦、慕尼黑和白俄罗斯。1999年的2月4日，俄罗斯用“进步”系列飞船再次实施了一次人造月亮实验。　　美国太空探索技术公司“龙”飞船：唯一可重返地球　　庞之浩说，与由政府投资研制的民用货运飞船不同，美国有两家私营公司研制了2种商用货运飞船，其中一种就是载货型“龙”飞船，它是所有货运飞船中唯一可以重返地球并运回物品的“宠儿”。这是因为飞船带有热防护罩，可在返回时耐受极高温安全降落，而其他飞船不具有热防护罩，只能在再入大气层时烧毁。“龙”飞船采用降落伞水上溅落的回收方式，使用高性能热防护罩和侧壁热防护系统。到2017年2月，“龙”飞船已进行了10次商业补给任务发射。　　交接　　“无人货船”全靠机械臂　　货运飞船飞到太空后，要和空间站进行交会对接，这样两个大家伙连为一体，彼此相通，航天员才能进去搬货物。庞之浩说，货运飞船要采用自控交会对接的方式，不能像载人飞船那样，如果自动出现问题，可以改用手动。而货运飞船上没有人，交会对接的难度就更大。不过，俄罗斯采用过新方法，通过空间站上的航天员控制货运飞船交会对接。国际上还有一种方法，就是用机械臂的方式交会对接。空间站上的机械臂像一只手那样伸出捕获飞船。这种对接方式可减少飞船上对接系统的质量、成本和复杂性，提高对接的安全性。美国和日本都是采用机械臂方式。　　快速模式让航天员不熬夜　　庞之浩介绍说，在航天器交会对接过程中一个是目标飞行器，比如国际空间站；另一个是追踪飞行器，比如飞船或者航天飞机。目标飞行器已经在太空运行，然后发射追踪飞行器与之对接。采用常规交会对接模式，飞船要追踪两天。近几年，俄罗斯采用了新的快速对接模式，追踪飞行器只要升空6个小时，就可以和空间站进行交会对接。俄罗斯开始是用货运飞船试验，成功后用载人飞船快速对接，最终也成功了。现在，俄罗斯的货运和载人飞船都是采用快速对接模式。　　庞之浩说，快速对接的载人飞船一是可以大大减少航天员在轨时间，让航天员更舒服，就像从坐火车改坐飞机一样，不用再熬夜了，同时也可以减少飞船上携带的生命保障设备物品。二是进行空间生命科学实验，实验物要求短时间内抵达空间站，如果长期在飞船上，有的生命就难以生存了。三是便于应急处理，空间站出现问题，比如空间站缺食品、航天员生病时，需要紧急运送，所需物品6小时就能到达。　　目前，只有俄罗斯的“进步号”货运飞船和“联盟号”载人飞船实现了快速对接。　　快速对接的难点在哪里？庞之浩说，快速对接主要是要采用全自主技术，不需要地面支持，目前的常规交会对接模式需要地面很多支持，所以飞船单飞时间长，每一步都需要地面发送指令，走走停停，对地面依赖度很高，地面测控中心参与量比较大，虽然稳妥，但是时间长，消耗的人力、物力、财力等资源也比较多。而快速对接所采用的自主飞行技术比较复杂，对发射窗口、途径等要进行精确的计算，如果半路自主方式出现问题的话，就需要重新改为常规对接模式。“就像人们爬山，要么直接上山，要么绕路上山。直接上山很快，但是路途比较陡峭，有风险。绕路上山就慢了，但是更平稳。”　　加油　　压差方式实现推进剂补加　　太空中的推进剂补加，好比飞机的空中加油，不漏油是关键。庞之浩说，国际上通常的情况是，交会对接机构原来只是电路相连接，组成组合体后电源由空间站提供。而进行推进剂补加，就需要增加两个管路，用来加注液体推进剂使用。之后采用压差的方法进行加注，也就是说，货运飞船加压，空间站燃料箱减压，从而把液体输送到空间站。从以前的公开报道中，只有俄罗斯进行过推进剂补加。推进剂一般是放在推进舱里。“太空加油”后，密封性非常关键，相关设备要确保燃料不能漏出来。　　推手　　拉动空间站躲避太空垃圾　　作为名副其实的“太空快递员”，货运飞船除了运送货物、太空加油为空间站送去燃料外，还有许多其他用途。例如，由于空间站是在低地球轨道运行，会受到残存大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度，所以在空间站轨道高度降低到一定情况下要提升它的轨道高度才行，而携带较多燃料的货运飞船在空间站的轨道维持方面能发挥重要作用。　　目前，“国际空间站”主要是靠货运飞船提升空间站的轨道高度，以抵消大气阻力的影响，并使“国际空间站”与将要与之对接的天地往返运输器处于最佳对接位置。它有时也用于机动“国际空间站”轨道位置，以便躲避飞来的太空垃圾。　　回收　　大部分坠落“航天器坟场”　　在完成了太空快递的任务后，货运飞船的最终命运可以用悲壮来形容，因为它不像载人飞船那样可以重返地球，而是在最后再入大气层烧毁。庞之浩介绍说，通常是通过地面控制设定程序，坠毁到被称为“航天器坟场”的南太平洋某一个地区，那里人迹罕至，水比较深。　　自己悲壮地离开，最后也可以给空间站出把力。俄罗斯的“进步”系列飞船在2001年和平号空间站寿终正寝的坠落中也发挥过重要作用。当时，与和平号对接的“进步”系列飞船通过多次点火，使和平号空间站的飞行速度不断降低，最终成功地把和平号推离原运行轨道坠入大气层，落到南太平洋某一区域。　　实践证明，货运飞船用途很广，因此，欧洲、日本和美国后来也为“国际空间站”研制了运载量较大的新型货运飞船——“自动转移飞行器”、H-2转移飞行器，以及商用载货型“龙”飞船和“天鹅座”货运飞船。后来发展的这些飞船都不是从载人飞船改进而成的，而是新研制的，所以运载力或性价比都较高。 　　至今，全世界已发射过约180多艘货运飞船。

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