作为载人航天家族的新进一员，天舟一号的加入，意味着向着中国载人空间站的建成更进一步，这也是中国人实现“太空筑家”梦想的关键一步
天舟一号货运飞船今天(4月20日)发射飞往太空，与天宫二号空间实验室进行交会对接，开展推进剂在轨补加、空间科学和技术等试验验证。
来源：央视新闻
“天舟一号飞行任务作为空间实验室任务的收官之战，载人空间站工程的关键一战，是我国载人航天工程稳中求进的重要一步。”在天舟一号抓总研制单位——中国航天科技集团公司第五研究院(下文简称“航天五院”)看来，这次任务承载了重要的使命和意义。
如何在地球之外的太空中建起一座“自由家园”，是探索浩瀚宇宙的重要一环。筑家太空，
将为中国人逐梦深空建立起一座补给站、前哨站、试验室，航天器可以停泊在此，并进行维修、补给;
“中国哈勃”太空望远镜——巡天号光学舱可以扎根在此，探寻生命起源、宇宙奥秘;
中国航天员可以长期工作、生活在此，依托完善的试验平台、利用独特的宇宙环境资源，开展空间科学、基础科学、应用技术的研究和试验，拥抱“太空经济时代”的到来。
“从1992年启动载人航天工程以来，我们锁定建造中国人自己的空间站为终极目标，按照‘三步走’的策略稳扎稳打，形成了以神舟飞船、目标飞行器、空间实验室、货运飞船为支撑的多类航天器，为正式启动空间站建设打下了坚实基础。”航天五院院长张洪太说。
载人航天“三步走”
第二步收官在即
天舟一号是我国第一艘货运飞船，也是我国目前为止体积最大、重量最重的航天器，由航天五院负责抓总研制。目前，神舟飞船只能携带数百公斤物资，而采用了高性能减重设计、轻量化货架设计的货运飞船，一次能装载6吨多物资，载重能力超过了俄罗斯现役货运飞船。
作为天宫二号空间实验室运行期间最后一个访客，天舟一号将要执行的任务，与未来中国空间站建设紧密相关。
在太空中自主建起一个大型空间站，开展科学研究和太空实验，促进中国科学研究进入世界先进行列，为人类文明发展进步作出贡献，这是中国开展载人航天工程的目标。上世纪90年代初，中国载人航天工程正式启动。这是一个庞大的工程，国家采取了分步实施的战略。
第一步，是载人飞船阶段。在此期间完成了载人飞船的研制，实现了航天员天地往返等目标。这一阶段的重点任务包括神舟一号到六号飞船飞行任务。
神舟飞船是航天员专属的“太空巴士”。为了打造好这艘太空生命方舟，航天五院采取了从无人到有人、从一人到多人“小步快走”的验证方式。
神舟一号至神舟四号，进行了无人飞行试验，全面验证了飞船发射、舱段分离、从太空返回等各项关键技术。
神舟五号圆满完成了我国首次载人飞行，也树立起中国“太空巴士”建造标杆。
神舟六号实现了多人多天飞行。
第二步，是空间实验室阶段。
来源：央视新闻
到目前为止，我国已掌握了航天员出舱和交会对接技术，成功对航天员中期驻留太空进行了验证。这一阶段的重点任务是神舟七号航天员出舱，天宫一号目标飞行器与神舟八号、九号、十号飞船对接、组合飞行任务，天宫二号空间实验室与神舟十一号飞船载人飞行任务。
现在，第二步还剩下最后一项任务，即：天舟一号货运飞船对接天宫二号，验证推进剂在轨补加技术，完成运送货物补给任务。
第三步，是空间站建设阶段。
来源：央视新闻
在第三步中，我国将建造长期有人照料的空间站，这其中“人”和“空间站”是两项最基本也是最重要的因素。空间站要运行，人(航天员)要工作、生活，空间站运转所需的燃料(推进剂)以及人员相应的工作、生活物资必不可少。这就需要有一个专门的运输工具，负责运输货物补给并为空间站“加油”——这个重要使命就由货运飞船担当。
从我国载人航天工程起步到现在，经过一次次试验任务，积累了多项能力和经验，我们有了人员往返天地的工具——载人飞船;能够实现航天器间的交会对接;能够保证航天员在太空工作一段时间(一个月左右);甚至可以完成人员出舱活动……所有这些都是第三步建设空间站的基础。
也就是说，第一步、第二步是准备，目前准备工作即将完成。待天舟一号完成任务，便意味着我国具备了向在轨运行航天器补给物资、补加推进剂的能力，这一能力是确保未来我国空间站在轨长期载人飞行的前提。未来，神舟飞船、货运飞船将联合作战，有效支撑起空间站建设、运营的天地生命线。
天舟一号进行热试验吊装(来源：中国航天科技集团公司第五研究院)
天舟一号多项任务奠定未来空间站基础
“天舟一号此次任务包含了建造空间站需要突破和掌握的关键技术，更是未来空间站运行的基础。”航天五院天舟一号总设计师白明生列举了三项极具亮点的任务。
第一，检验“太空加油”技术。天舟一号发射进入轨道后，将与天宫二号进行首次对接，两个航天器组成的组合体将进行两个月的在轨飞行。在此期间完成推进剂在轨补加试验，按计划将开展多次试验。
货运飞船的在轨推进剂补加技术，即“太空加油”，将是“太空之家”能够连续工作十年的重要保障。突破和掌握推进剂补加技术，解决空间站能源供给问题，将为我国顺利进入载人空间站建设运营阶段奠定基础。
有了货运飞船超强运输、补给能力的支撑，未来，三名航天员能在“太空之家”连续工作180天，各类试验物资也可以源源不断地运抵空间站，把空间站建设成为我国在太空的新技术试验田。
第二，三次交会对接任务。天舟一号与天宫二号将进行三次交会对接。第一次交会对接后将测试货运飞船对组合体的控制能力，第二次交会对接是从不同接口方向进行对接。
未来空间站包括核心舱和两个实验舱，与货运飞船形成组合体后由货运飞船提供主动力，其目的主要在于尽量减少空间站动力、能源等消耗，延长空间站寿命;核心舱前后方向与垂直下方分别设有对接口，未来去往空间站执行任务的载人飞船或货运飞船很可能从不同方向进行交会对接。所以，第一次、第二次交会对接检验的都是未来空间站运营所必须的能力。
更具看点的是，在最后一次交会对接中，天舟一号将采用自主快速交会对接技术。在天舟一号之前，我国掌握的交会对接技术需要耗时两天左右时间，快速交会对接将时间控制在6个小时左右。掌握该项技术，有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性，提高航天员舒适性，进一步减轻地面跟踪、测控工作的强度和难度。另外，对于未来空间站来说，一旦遇到突发事件可以快速处理，提高了应急能力，为未来空间站提供了安全保障。
第三，以天基测控体制为主进行飞行控制。以往，我们对航天器的跟踪、测控以及在轨异常的及时监测处置，主要依赖陆基测控站和海基测量船。这需要耗费大量人力物力建造、维护地面测控站和海上测量船，研制人员奔波在各个站点之间开展相关试验，并且受到跨国、跨境等地域限制。
天舟一号货运飞船首次采用了以天基测控体制为主的设计原则。简单来说，就是将原本在地面或海上的测量系统“搬”到了天上，打破了在地面或海上的地域限制，实现了对航天器在轨飞行的关键事件的全程跟踪，以确保对在轨异常的及时监测处置。这项测控应用有效降低了人力、物力、财力等成本，为未来与空间站通讯联络铺平了道路。
中国载人空间站组建即将启动
我国载人航天工程“三步走”在稳扎稳打中循序渐进，每一次任务都部署周密，任务之间衔接紧凑、环环相扣。如今，空间站阶段的任务也已处于研制阶段。
来源：新华社
航天五院党委书记兼副院长赵小津介绍，我国载人空间站组建即将正式启动。作为空间站构成的本体舱段，核心舱、实验舱I、实验舱II正在紧锣密鼓研制当中，将与货运飞船、神舟飞船一同在太空建起我国第一个“太空之家”。
其中，核心舱、实验舱I、实验舱II三个舱段，每个规模为20多吨，基本构型为T字形，核心舱居中，实验舱分别连接两侧。预计2022年前后建成，可运营10年以上。空间站长期驻留3人，运营期间最多将连接一艘货运飞船和两艘载人飞船，整个系统重量可达90余吨。在此规模基础上，还将根据科学研究需要，增加新的舱段，扩展规模和应用能力。
航天五院的研究人员介绍，受制于火箭运载能力等因素，不能一次性地把近百吨的空间站发射上空。空间站在太空的构建采取的是“搭积木”方式，需要先单独发射各舱段、再拼接组合，实现“1+1+1=1”整体性能最优的效果。
此外，空间站的构型不是固定不变的。随着神舟飞船、货运飞船及特殊功能载荷舱的加入，空间站整体构型会如同垒积木一样，越来越大。支撑空间站“百变如一”的关键是交会对接技术、组合体控制与管理技术。
交会对接，要实现两个航天器在高速运行中毫厘不差地对接成功，难度堪比“万里穿针”。目前，中国是继美国、俄罗斯之后第三个独立掌握近地轨道交会对接技术的国家。此次，天舟一号货运飞船与天宫二号开展快速交会对接试验，将推动我国的交会对接技术从“练好”到“练精”的跃升。
交会对接完成后，如何实现原本独立航天器间的资源统筹，使其成为一个统一整体，将直接决定空间站长期运行的稳定性和可靠性。对此，航天五院在神舟八号、九号、十号与天宫一号交会对接，神舟十一号与天宫二号交会对接等多次任务中，反复试验了组合体控制与管理技术。在神舟、天宫组成“天神”组合后，由“块头较大”的天宫接管过整体控制权，对电力、动力、飞行状态等进行统一调度。
天舟一号货运与天宫二号交会对接任务中，还将进一步验证“以小控大”、“以大控小”模式，运用块头较小的天宫二号控制整个组合体，并检验货运飞船短时控制组合体的能力。这一技术成果将在今后的空间站建设中应用广泛。
如在天舟一号停靠、接驳空间站期间，将担当与空间站组合运行期间的“充电宝”功能，为空间站提供稳定的能源输出，减少空间站本体的能源消耗;在空间站姿态出现异常时，货运飞船可以接过组合体控制权，为航天员撤离和营救争取宝贵时间。
此外，出舱技术、在轨维修技术也将保证“太空之家”稳定运行。
长期驻守太空的生存环境十分恶劣，需要经历太空环境极端温度的考验，高能粒子、太空碎片撞击等重重挑战。要保证“太空之家”在10年任务期保持良好状态，在轨维修的硬本领必不可少。
当故障发生在“太空之家”外部时，必须由航天员出舱进行维修。对此，五院在神舟七号飞船任务中，已成功试验验证了此类技术。当故障发生在“太空之家”内部时，维修就简单多了。航天五院技术人员对“太空之家”的供配电、热控、数据管理等系统实现了高度集成化模块设计，打造出了可快速更换的模块单元，只需进行“插拔式”，就能快速完成在轨维修。这在神舟十一号与天宫二号任务交会对接中也已得到验证，航天员和自动化机械臂都可胜任。
进入空间站建设阶段，发射任务密集，对各类航天器需求加大，研制单位重任在肩。其中，航天五院负责抓总空间站系统建设，并承担了载人飞船、货运飞船、核心舱、实验舱I等不同类型航天器的研制。
“为适应空间站阶段高密度发射的需求，我们将展开货运飞船平台建设，天舟系列货运飞船、载人飞船都将进入组批投产。同时，积极开展空间站工程航天技术应用领域项目的研究与论证，促进载人航天应用领域的发展。”从航天五院研制人员的描述中可以看出，未来空间站建设正在周密稳步地进行，建成后的载人空间站将成为中国空间科学和新技术研究与应用的重要基地。
相关专家介绍，大型空间站建成后，我国载人航天事业会更加开放，有望产出一大批重大科学成果，突破一大批核心关键技术，获得无法估量的经济和社会效益。
空间科学研究的应用前景亦十分广阔。利用空间站开展空间生物学研究，可以为培育优良物种、探索疾病机理、研发生物药物、改进人类健康服务;开展微重力流体与燃烧研究，可以促进新型清洁能源开发、改善地球环境，等等。科技进步归根到底要服务社会、造福人类，这正是中国建设空间站的目标和动力。
第二篇丨天舟一号的三次交会对接
文丨伍轩
天舟一号将与天宫二号进行三次交会对接试验。这是中国载人空间站正式建设前的最后一次实战机会。
为了在深空建起一座性能强大、稳定可靠、经久耐用的“太空之家”——中国载人空间站，需要把多个单独发射的航天器在太空组合起来，实现1+1>2的效果，交会对接技术是其中的关键。
“中国是继美国、俄罗斯之后第三个独立掌握近地轨道交会对接技术的国家”。神舟飞船、空间实验室、天舟一号的缔造者——中国航天科技集团公司第五研究院的专家介绍，从2011年到2013年，神舟八号、神舟九号、神舟十号分别与天宫一号完成了交会对接任务，系统验证了自动交会对接、人控/手动交会对接等关键支撑技术。2016年，神舟十一号与天宫二号完成交会对接任务，完成了航天员中长期在轨驻留，更标志着我国交会对接技术走向成熟应用阶段。
天舟一号将与天宫二号进行三次交会对接试验。这是中国载人空间站正式建设前的最后一次实战机会，将向着练就交会对接独门绝活的更高标准发起冲击，筑牢未来空间站建设的底气。
第一次交会对接：耀眼阳光下的太空之吻
天舟一号的交会对接能力，与神舟系列飞船相比，已经有了质的飞跃，具备了360度相位差的交会对接能力。不同于以往神舟飞船和天宫目标飞行器在对接前要先找平，本次天舟一号、天宫二号在飞行轨道的任意相位差条件下均可实现完美对接。另外，天舟一号新增加了星敏感器，将确保货船交会对接过程中姿态更加精准。
航天五院天舟一号GNC主任设计师刘宗玉博士介绍，由于货运飞船发动机的配置数量、推力大小和神舟飞船都不一样，所以本次交会对接，实际上是对现有技术实现的又一次验证。
同时，在这次交会对接中，新研制的光学成像敏感器将首次在阳照区开展工作。这要求敏感器等设备，在非常明亮刺眼的环境下，找到标识目标。这就好比人们对着阳光看天上的景物，带来的考验比之前更难。这次试验将有力检验我国交会对接“全天时”作战能力。
第二次交会对接：全自动绕飞后的前向对接
完成第一次交会对接不久，天舟一号和天宫二号将进行“眼花缭乱”的太空芭蕾。天宫二号转体一百八十度，天舟一号从天宫二号下方绕飞，同时转体一百八十度，加速赶到天宫二号前方，最终从“前”向与天宫二号进行第二次交会对接。
绕飞，是一种高难度的太空动作，需要飞行器进行多次变轨和姿态机动来完成。绕飞主要应用于空间站多个舱段组装、或是载人飞船(货运飞船)已经在某个对接口，需要腾空对接口时。本次绕飞后的前向对接，就是为了确保未来航天器能从多个方向与空间站对接而进行的演练。今后我国的空间站建设，不仅规划了前后向对接，还有垂直对接。
来源：央视新闻
与之前神舟十号的绕飞不同，此次货运飞船绕飞是一次全自动绕飞。即当绕飞指令发出，飞船上制导导航与控制系统的计算机便开始自主规划出最优绕飞轨迹，自主进行变轨控制，自动进行姿态机动，不需要地面人员干预。
“如果把神舟十号的绕飞比作是技术人员‘领着’航天器走路，那么此次货运飞船的绕飞则是技术人员‘看着’航天器独立走路”。航天五院天舟一号副总设计师张强说。
第三次交会对接：我国首次快速交会对接
在任务末期，天舟一号还将进行一次“以快制胜”的交会对接试验。同以往神舟飞船交会对接需要大约2天时间相比，天舟一号将进行快速交会对接试验，将验证从入轨到交会对接成功，仅需要6个小时左右的系列支撑技术。
来源：央视新闻
这一技术一旦验证成功，将大大缩短航天员在飞船上狭小空间中滞留的时间，减少航天员不必要的体力与精力付出;可以保障科研用品，特别是生物制剂等无法经历长期运输的货品尽快送达空间站。尤其在未来载人空间站等航天器突遇紧急情况时，快速交会对接可以快速地对故障实施抢修与紧急救援等工作，极大地保证航天员生命安全。
为了练就“快、准、好”的交会对接秘籍，航天五院科研人员突破了航天器自主导航测轨、定轨、自主快速制导等技术，将复杂的测定轨算法和远距离导引技术工程化，把原来远距离导引段需要地面干预的工作交由航天器的星上计算机自主进行。在飞船入轨后，所有的测定轨、制导律计算、控制实施策略等均由飞船自主计算，无需地面干预，几个小时就可以完成交会对接任务。
交会对接技术，不局限于载人空间站建设，在中国进行遥远深空探测任务中也将发挥巨大作用。
航天五院航天器设计专家邵立民说，“交会对接技术是一种通用技术。今年除了服务载人航天工程外，还将支撑即将开展的嫦娥五号月球采样返回任务。未来，交会对接技术成果还将广泛应用于诸如探月工程等的多飞行器组合等方面，前景非常广阔。”
第三篇丨天舟一号“新技术”看点
文丨伍轩
这一系列重大的任务完成，离不开方方面面的技术创新
作为我国第一艘货运飞船，也是我国目前为止体积最大、重量最重的航天器，天舟一号货运飞船成功入轨后，将与在轨运行的天宫二号先后进行3次交会对接、3次推进剂在轨补加以及空间应用和航天技术等多领域的实验项目。
天舟一号发射成功，意味着中国已经具备向空间一次性运输大量物资以及太空加油的能力，预示着中国在发展载人空间站的道路上又迈出了坚实的一步。这一系列重大的任务完成，离不开方方面面的技术创新。
特别的“货架”与“货包”
天舟一号是货运飞船，能装相当于自身重量的6吨多货物，上行载货比优于国际现役货运飞船。既要装得多，还要装得好，天舟一号的抓总研制单位——中国航天科技集团第五研究院着实费了一翻功夫。
在天舟一号上，装载着航天五院的科研人员设计的高效承载货架。从表面上看，货架与普通的书架类似，但其细节和构型却大为不同。该货架采用一种基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板预埋结构，形成大量的标准装货单元，结构与货物重量比达到8%，此比例在业内已属领先。
蜂窝板有大量的留空面积用于装货，碳纤维立梁材质超轻且抗变形能力好，这都使货架既能适应传统刚性结构安装，又能适应柔性束缚带的连接承载。经过测试，三个这种结构就可承载一台豪华轿车。
另外，大承载货架结构与密封舱主结构的连接环节也是结构设计的一大亮点。因为密封舱充电后会变形，连接环节采用碳纤维结合铝合金的设计，避免了货架直接与密封壳体相连，相当于有一个桥梁释放了变形产生的力，保障了在轨环境下结构不被破坏。
由于天舟一号要运送的物资中有许多精密仪器设备和宇航员用品，发射段受力大，很怕磕碰。因此，科研人员为货物设计了特殊的包装模式，采用了绑扎方式和内部泡沫的设计。这种“软包装”与传统的硬连接不同，它将货物包裹在泡沫或气囊袋里面，再一起固定在货架上，而不是直接让货物与运载工具的内部货架相连接。“软包装”能够很好的为货物减振，保证货物安全到达太空。
天基测控搭建“太空天路”
此次天舟一号执行任务，我国将首次以天基测控体制为主实施飞行控制。也就是说，将原本在地面或海上设置的对航天器的测量系统“搬”到了天上。这主要依靠航天五院研制的中继终端和宽波束中继测控系统。前者为窄波束，传输效率高，信息量大;后者覆盖范围广。二者互为补充，搭建了从天舟一号到中继卫星再到地面的“太空天路”。
当天舟一号发射成功，中继终端在第一时间开机，与中继卫星实现“太空握手”，建立星间链路。由于终继终端通信通道相对狭窄，飞船在调整姿态进行对接、分离等“技术动作”时，与中继卫星极有可能出现信号中断。这时，宽波束中继测控系统开始发挥作用。
据了解，该系统在接收天线的设计上，采用两组天线“背靠背”的架设在飞船舱外表面上，在飞船调整姿态时，一组天线会因旋转而与中继卫星失联时，另一组天线会主动跟进，与中继卫星取得联系，确保无论天舟一号怎样动，都不会与中继卫星失去联系。
对组合体实现精准控姿
与天宫二号与神舟十一号的组合体相比，此次天舟一号与天宫二号的组合体转动惯量将增加接近50%，将是国内在轨最大、最重的航天器。
按照计划，天宫二号和天舟一号组合体将在轨完成推进剂补加任务。推进剂补加，是开展空间站工程的一项关键任务，是空间站长期运行的前提。而推进剂补加需要稳定的平台，组合体的稳定控制是推进剂补加的前提。
但是，由于质心、惯量变化范围大，推进剂补加的过程，必然将会组合体的飞行产生较大的姿态干扰，这都对航天五院GNC(制导、导航与控制)系统提出了更高的要求。只有控制系统足够智能、稳定，才能适应补加过程中可能出现的各种故障工况。
为了保证组合体在太空的姿态稳定，航天五院研制了200Nms(牛米每秒)控制力矩陀螺(CMG)，构建了具备完善的自主故障诊断和重构能力的CMG系统，该系统在实现对组合体稳定控制的同时，可以保证当某一CMG出现异常或故障时，系统可以无缝切换并保证对姿态干扰的程度最小。
即使飞船分离时对接结构解锁分离产生巨大姿态干扰，研制人员仍可以保证对天宫二号的有效控制，并在一分钟之内回归到正常稳定对地飞行状态。同时还可实现飞船在分离和撤离过程中可以一直“盯着”天宫，以防发生碰撞，最大限度地保证了飞船分离和撤离过程中的平稳和安全。
对组合体的控制，将再次验证我国大型变结构航天器控制技术的可靠性，对后续飞行器设计有重要参考意义。
同时，组合体上各设备的运行都需要电力供应，这些能源都依靠太阳的光辉。所以，在绕地运行过程中，为确保组合体上太阳能帆板尽可能多地接受阳光照射，组合体需要持续调整姿态。
五院的设计师优化了帆板实时调速控制算法，减小了帆板跟踪误差，进一步提高了太阳帆板跟踪精度。为了应对组合体长期在轨运行可能面临的太阳方位不好的情况，组合体将在轨实施连续偏航机动，以确保太阳帆板高效跟踪太阳，持续接收来自太阳的能量，保证更长时间的稳定飞行。这为后续空间站建设、组合体更长期的飞行，奠定坚实的技术基础。
天舟一号转运中(来源：中国航天科技集团公司第五研究院)
三维之路提高研制效率
天舟一号是一艘“三维”货运飞船。从设计、到生产检测、再到总装虚拟仿真，首次实现了总体和各分系统、制造厂、总装厂间的全三维协同设计。
全三维协同设计研制模式的核心是设计真实的“数字样机”。“数字样机”好比以往二维设计模式中的一套套图纸，是设计、制造、装配的全部依据，集成了一个产品的所有要素。
三维设计的重点是对数字样机的建设和维护。这个建设和维护过程所对应的是设计师协同设计的环境和流程，从而彻底改变了以往设计师个体设计的工作模式。
以构型布局设计为例，传统模式中，设计人员在二维图纸中进行设备布局、调整、送审。采用全三维数字化设计后，工作效率提高了约50%。货船的管路系统、电缆网、直属件和总装设计采取三维设计后，工作效率提高了约50%;整船的总装详细设计研制周期缩短约45%。
科学管理搭建空中试验平台
空间试验是天舟一号的重要任务之一。被称为“载荷大管家”的空间技术试验分系统，管理着来自五个载荷方、十三个试验项目的四十余台载荷设备。
此次，天舟一号的空间技术试验分系统，分为载荷公用平台和实验项目两部分。其中，载荷公用平台负责向实验项目提供供电、控制、状态采集、信息传输等各类电气接口资源，保障载荷试验在轨顺利开展。
实验项目由在轨试验所需的各类试验设备组成。设计师们规范设计，对试验载荷实施有别于平台产品的差异化管理，兼顾了试验载荷周期短、接口可靠和运行安全的需求，保障各类空间技术试验顺利进行。在无人的情况下，科研人员通过载荷运控方案设计，编制了相应的飞行程序。在实际飞行任务中，用“最强大脑”载荷公用平台控制包括空间应用实验、特殊技术试验、航天技术试验等各类试验项目的开展。
