天舟六号发射！中国航天的“快递小哥”是怎样炼成的？

北京时间 2023 年 5 月 10 日，中国载人航天事业迎来了天舟六号货运飞船的发射：宛若巨龙的长征七号火箭在文昌航天发射场拔地而起，箭船稳稳分离后，天舟六号迅速踏上追逐天宫空间站的旅程。

图源：央视新闻微博

这也意味着天宫空间站全面建成并进入空间应用发展阶段后，升级版的天舟飞船正式投入使用。

天舟的命名延续了中国航天给航天器起名的“中国式浪漫”。它的主要定位是给空间站级别的大型载人航天器运送各类物资，是链接天地的“天舟”。

换句话说，它是中国载人航天事业的超级“快递小哥”。通过天舟六号，咱们不妨聊聊这个超级小哥是怎么炼成的？

读下文前，先问下屏幕前的你，最喜欢什么样的快递？

是不是“要多！要稳！要快！要便宜！”“小孩子才做选择，我全都要！”

01

多：这样的货，我能拉 7 吨！

兵马未动，粮草先行。

充分的物资补给，是决定无数大事业的核心因素。

天宫空间站建成后，各类消耗都需要来自地球源源不断的补给。在同等条件下，货运飞船的运力当然越大越好。

天舟一号首飞与天宫二号（天宫一号的升级）对接效果图。二者形状接近，简单的判断方法是数一侧的太阳能电池片数量，左侧的天舟是三片。图源：文献 [1]

目前，全球仅有四种货运飞船在服役，分别是中国的天舟、俄罗斯的进步号、美国的天鹅座和龙。

其中，天舟的运力达到了惊人的 6.9 吨，大幅超过了另外三款飞船 2.2~3.3 吨的运力范围 [1]。这主要因为，天舟是基于我国第一个实验性质的空间站天宫一号发展而来。

天宫一号是个 8.5 吨的大家伙，几乎触及长征 2F 火箭的能力上限。

随着运力更强的长征七号火箭投入使用，发展而来的天舟可以大幅扩容，总重约 13.5 吨。

大火箭与大飞船的“搭子”组合，使得天舟的运力领先其他货运飞船。

2023 年 5 月 7 日，长征七号火箭和天舟六号飞船垂直转运中。图源：我们的太空

而从天舟六号起，飞船进一步升级，尤其是大幅增加了密封舱的货运能力（提升约 20%），整体运力达到了 7.4 吨，对空间站的支持力度更大 [2]。

02

稳：多面手，绝对靠谱

对货运飞船而言，光有运力不行，还得是个能稳稳满足多种需求的“多面手”。

空间站在运营期间的消耗是方方面面的，而天舟在设计伊始就充分考虑到各种细节。

由于微弱的空气阻力等因素，大型空间站的轨道维持会消耗大量推进剂，天舟飞船携带了大量推进剂可进行在轨补加，变身为“太空加油车”。

它还能在对接后启动发动机，帮助整个空间站抬升轨道，变身为“太空拖车”。

航天员是空间站执行科研任务的灵魂所在，甚至他们本身也是“科研载荷”，孕育了相应的航天医学方向。

人的存在，就意味着复杂的衣食住行与生命保障需求，这主要通过天舟飞船的密封舱完成。

天舟六号就重点加强了密封舱的建设，强化补给能力。

例如，天舟六号携带了 70 千克新鲜水果，是天舟五号所携带水果量的两倍，全方位保障航天员“干饭”的需求。空间站入轨后，需要定期维护和更换重要部件，出舱活动等也要定期消耗出舱服和辅助设备。舱内舱外实验平台也需要实验材料，它们都需要天舟飞船支持运输。

按照器件材料特点，有些必须放在密封舱，有些则可以“外挂”在非密封部分，内外搭配，从而最大化提升飞船运输效率。

满载货物的天舟飞船，除此之外还有舱外部分和推进剂。图源：文献 [1]

此外，天舟飞船延续了中国载人航天“ 0 失败”的辉煌，目前 5 发 5 中，又稳又靠谱的多面手。

03

快：快速对接，太空“小时达”

太空飞行，受各种轨道动力学约束，大不同于地球上快递小哥所面对的地面交通系统。

因而，在太空中交会对接是个难度很大的事情：飞船要利用极小的窗口期发射，然后会进入椭圆轨道，再自身反复修正轨道，才能和空间站如期相遇。保守情况下，往往耗时两天左右。

随着天舟飞船的迭代发展，飞船轨道控制能力提升、定轨和导航精度提高、控制制导策略不断优化，对接时间也在不断缩减。

例如，天舟一号耗时两天才对接，天舟五号仅需两小时就完成了对接！这是新的世界纪录，也是货运飞船在同时满足工作要求和确保成功率条件下的最小理论时间：在入轨一圈后即完成对接。

天舟对接并服务于整个空间站的效果图。图源：国家航天局

因而，执行天地运输任务的天舟飞船，实现了城市内“小时达”的运输效率。可以脑补下这样一个场景：航天员早上九点看到订单送出，十一点就能收到，还不耽误中午吃饭。

04

便宜：性价比超高的运输方案

天舟飞船“多、稳、快”的直接好处就是在同等运力要求下使用的频率可大幅降低。

例如，国际空间站每年需进行约 8 次货运飞船补给任务。而以天舟六号为代表的新一批货运飞船，每两年仅需 3 次任务就可满足天宫空间站的运营需求。“ 8 比 1.5 ”，天舟在性价比方面有明显优势。

发射次数降低，意味着对发射场资源的占用减少，货运飞船测试和维护团队的宝贵时间也被节约出来。昂贵的运载火箭成本大幅降低，航天员用于交会对接和飞船分离等节点的工作安排也被解放。

此外，神舟飞船的发射和交会对接过程，可利用我国的数据中继卫星系统实现测控和制导，大幅节约了相应成本。且在关键技术（如超快速对接）突破后，飞船可以实现批量生产，单个的造价因而大幅降低。

所以，天舟飞船的强大能力，能为我国的航天事业节约不少经费，这些经费可以用于其他关键技术的攻关。

更好的技术，换来更多的产出、却是更低的成本，天舟就是个极好的例子。

在任务的最后阶段，天舟会竭尽全力为空间站做最后一次轨道维持，尽力提高它的轨道以对抗空气阻力的影响。

随后满载空间站产生的垃圾，离开空间站，为后续的飞船让出对接位置。

在最后的时刻，受控冲入地球大气层，剧烈的冲击和热量会让它变成耀眼的流星。

为预防可能的燃烧残余带来的影响，它一般会瞄准太平洋南部的巨大“航天器墓地”，结束自己辉煌的一生。

参考文献：

[1] Lei Jianyu Jia Dongyong Bai Mingsheng Feng Yong Li Xingqian . Research and Development of the Tianzhou Cargo Spacecraft. Space Sci Technol. 2023:3;0006. DOI:10.34133/space.0006.

[2] 拉货更多、货物上新 天舟六号货运飞船将于五月上中旬发射，光明网。

出品｜科普中国

作者｜太空精酿（青年航天学者）

监制｜中国科普博览