科学家回顾天舟货运飞船研发历程

货运航天器是一种机器人航天器，旨在通过运输食物、推进剂和其他物资来支持空间站的运行。天舟货运飞船(简称TZ)是空间技术研究院研制的自动化货运飞船，是载人空间站计划的一部分。空间技术研究院于2010年开始设计TZ，其主要任务是为空间站运输和储存物资，为空间站储存和降落废料，控制坠落到预定区域;配合空间站控制组合体的轨道和姿态;支持适应货运航天器能力的空间应用和技术测试的发展。在最近发表于Space: Science & Technology，来自空间技术研究院的雷建宇详细介绍了天舟货运飞船的设计，包括子系统的结构、功能和关键技术。还展示了开发和飞行任务。将TZ与其他货运飞船进行了对比，让我们对TZ货运飞船有了一个系统的认识。

首先，作者介绍了天舟货运飞船的制造和设计细节。的天宫(TG)空间站只有TZ作为运载工具。TZ突破了货物运输、推进剂补给、全自主快速交会对接等关键技术。TZ 的一个显着特点是它能够运输加压货物和非加压货物、加油推进剂、助推 TG 轨道、支持特定空间实验。航天器由两个模块组成：一个用于运输加压货物的货舱，一个具有航空电子和推进功能的推进舱。它长约 10.6 米(包括一端的机动推进器)，直径约 3.35 米。货运飞船的总质量为 7 吨，最大总有效载荷为 6.5 吨。货舱内装载的加压货物包括宇航员的衣物、食物、水和实验设备。用于再助推机动和加油的推进剂装载在推进舱中。TZ的目标轨道高度：380～420公里，轨道倾角：41～42度(圆形轨道)。它最多可以在 TG 中停留约 365 天。回程前补给都卸完了，TZ满载着空间站产生的各种废弃物。在重返大气层期间，TZ 和多达 6 吨的废物都可以被烧毁。TZ基础子系统包括结构承载与密封子系统、姿态与轨道控制子系统、信息传输与管理子系统、动力子系统、载人环境控制子系统、热管理子系统、

结构承重和密封子系统：

货舱设计为长寿命、低渗漏的整体墙板结构。货舱由三部分组成：前锥体、立柱部分和后锥体。货舱体和货架结构一体化设计，重量仅相对较小。货架结构由轻质高强度铝蜂窝板组成，薄弱环节采用碳纤维梁加固。货架共构成40个货舱。推进舱为圆柱形、非密封金属结构，外径2.8米，高3.2米。

货物运输和支持子系统

TZ的所有设计都围绕货物运输这一主要任务展开。建立标准的商品机电热接口，提高适应性。对于货物上装，货船设计了标准货架、货舱、标准货包等标准化装载方式，并提供动力、信息、保温等支持。针对低温货物运输，设计了两台太空冰箱，用于运输少量有低温储存要求的特殊货物。对于测试设备拼车，TZ 提供可靠、价格合理且最重要的是兼容的拼车，以测试或将小型卫星送入轨道，可能容纳相当于 1U~24U 的小型卫星。

轨道推进剂加油子系统

轨道推进剂加油技术可延长空间站寿命并降低其成本。TZ和TG采用高压气体回收方式，与Progress和ISS相同。与Progress的高压气动隔离开关相比，TZ的步进电机驱动隔离开关重量更轻，密封环节更少，插入时的冲击力为0 N。此外，TZ新开发了8个400L金属隔膜罐，分为推进和补给两大功能模块。

交会对接子系统

货运飞船与空间站交会对接是实现货物补给和推进剂补给的基础，是货运飞船的关键功能之一。TZ提出了一种基于绝对定位数据的快速交会对接自主导航制导技术方案。实现全自主快速交会对接时间缩短至6.5小时。设计了前向、后向、径向环绕航行方案，可与空间站不同对接端口对接，提高任务适应性。TZ的空间对接机构配备三个具有主动控制能力的阻尼器，有助于TZ与质量在20 t~180 t范围内的各种配置的空间站对接。对接后，

姿态轨道控制子系统

对于姿态测定，TZ的姿态传感器包括陀螺仪、地球传感器和星敏感器。根据陀螺仪测得的姿态角速度进行姿态估计，再根据地敏感和星敏感器的测量值进行修正。对于推进器配置和使用模式，TZ 导航有四个主发动机(490 牛顿推力)，加上 32 个较小的发动机(25N、120N、150N)用于姿态控制，其中 16 个位于前锥体和尾端附近，以确保所需的车辆机动性。

热管理子系统

TZ具有热源分布不均、各飞行阶段变化大、外热流范围大等特点。为了减轻重量和成本，TZ 没有流体回路温度控制系统。而是对设备和区域采取隔热、导热、辐射等被动措施，以达到“精准”的控制目标。提出了一种强制通风与二次辐射相结合的热控方法来替代传统的流体环路热控装置。后球底设置三台风扇强制通风。

载人环控子系统

货运飞船不必像有人驾驶飞机那样使用复杂的环境控制和生命维持系统，但在宇航员进入货舱过程中仍需要确保环境安全。载人环控与空间站一体化设计，简化了天子自身的系统配置，包括环境监测、噪声控制、COVID19检测等功能。

能源和电力供配电子系统

光伏供电系统采用太阳能翼型锂电池组，母线电压稳定100V。动力系统选用三组60Ah锂离子电池作为储能电池。针对配电系统，提出了航天器高压直配电设计方案，将100V母线电压直接输送至负载端。对于并网供电，靠泊后TZ和TG电力系统形成统一网络。

信息传输与管理子系统

遥测、跟踪和指挥(TT&C)通信主要依靠天基系统，如数据中继卫星系统和“北斗”导航卫星系统。一些关键的飞行时段由陆基通信站提供支持。

随后，作者发起了TZ的开发，向TG输送物资，处理TG的废弃物，以支持空间站的建设和运行。2010年开始天子的概念设计，2011年底开始初步设计，一号飞行计划2017年天宫二号空间实验室入轨后发射。2021年5月29日，天子二号进行了首次飞行空间站阶段的飞行任务。2021年9月20日，天直三号开始执行日常货运任务。在空间站阶段，每年会发射两颗TZ。在 TZ 设计的第一阶段，我们制定了三种配置——全封闭 TZ、半封闭 TZ 和全开放 TZ，如图 1 所示。22 根据运输的物资类型调查模块更换。半封闭TZ和全开放TZ主要用于运输大型非承压货物，如太阳能翼、小型卫星、空间暴露试验平台等。由于TG现在没有大型非承压货物运输需求，Semi-Enclosed TZ完成了初步开发，Fully-Enclosed TZ仅完成了概念设计。目前，所有任务都是全封闭TZ。还介绍了 TZ-1、TZ-2 和 TZ-3 飞行任务的详细时间表。

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