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作者| 田丰，专注航天领域研究，系航天报、太空探索杂志特约撰稿人、航天爱好者网站负责人
“天舟一号”是中国自主研制的首艘货运飞船，为即将开始建设的载人空间站补货送燃料。如果说中国未来空间站是一座地外“旅馆”，那么神舟飞船就是运送房客的“出租车”，而天舟飞船就是运送旅馆日常用品的“小货车”，二者缺一不可。
天舟一号
虽然关注度不如载人飞船，但货运飞船其实这才是空间站能够不间断运行的支柱所在——空间站可不是发射上天就完事，要维持在轨运转，就必须要为空间站定期补加推进剂。这事只能是货运飞船干。
神舟飞船已经充分验证能为空间站送去宇航员，但天舟飞船还犹抱琵琶半遮面。2017年4月，“天舟一号”货运飞船将首飞，这将是空间站实验任务的最后一次发射。实验任务完成后，中国将开造正式的空间站。
十三五科技成果展上的我国空间站模型
“天舟一号”肚量大 运载能力跻身世界前列
美国主导的国际空间站货运船队堪称“八国联军”，由美、俄、欧、日4个参与方，5种专职货运飞船组成。相较之下，天舟可谓“独挑大梁”，作为一款货运飞船，不光要“多拉快跑”，还必须一专多能。
国际空间站的轨道高度，骤升的部分都是轨道抬升操作，需要消耗推进剂
欧洲自动转移飞行器（ATV）尽管是运力“大哥”，但是已经退役下岗。排名第二的“天舟”接棒荣登榜首。
ATV的巨大运力是因为该飞船所乘坐的“阿丽亚娜-5”型火箭具有仅次于长征五号的强大能力，因此具有充足的运力可供“挥霍”。但是这个组合中火箭和飞船高昂的价格掣肘了其发射次数，直至退役为止仅仅发射了5次，而且基本每次任务都装不满，整体性价比相当糟糕。
ATV飞船采用了从俄罗斯引进的锥-杆式对接系统，可以自主对接，而推进舱则在飞船退役后改行成为了“猎户座”载人飞船的推进舱
天舟还具备自主对接、推进剂补加、快速对接等所有先进特性。“天舟”之所以如此全能，其实是中国独立自主搭建空间站的客观需求，这种设计可以降低发射次数，节约空间站运维成本。
“天舟一号”结构
“天舟一号”采用两舱构型，由货物舱和推进舱两部分组成，总长10.6米，舱体最大直径3.35米，太阳帆板展开后最大宽度达14.9米，起飞重量约13吨，物资上行能力约6.5吨，推进剂补加能力约为2吨，具备独立飞行3个月的能力，并具有与天宫二号空间实验室交会对接、实施推进剂在轨补加、开展空间科学实验和技术试验等功能。
“天舟一号”的“座驾”，长征七号运载火箭
“天舟一号”在设计上部分继承了天宫一号目标飞行器和天宫二号空间实验室的成熟经验，三围尺寸与天宫一、二号近似。这种方式不仅压缩了科研经费和研发周期，运用已有成熟设计也间接提高了可靠性。外形虽然相似，但“天舟一号”起飞重量却从8吨跃升至13吨，有效载荷也随之增加。此次，“天舟一号”将采用“长征七号”运载火箭这一全新“座驾”进入太空，而“长征七号”是中国新一代中型两级液体捆绑式运载火箭，于去年6月首飞成功，可以把13.5吨的有效载荷送入近地轨道。
自制运力对比图
俄罗斯老而弥坚的“进步”货运飞船，进步飞船衍生自联盟系列载人飞船，因此也采用三舱构型，自诞生起已经执行了157次货运任务（并非都为国际空间站）。虽然发射次数高居榜首，但说起货运能力却是无奈垫底，不过这是由于其“乘坐”的联盟系列运载火箭运力不足（与ATV飞船正好相反）和自身设计思路所导致。虽然货运量不足，但进步飞船具备推进剂补加功能；还可以为国际空间站提升轨道；更具备自主对接功能，无需“加拿大”机械臂介入，堪称是国际空间站维持轨道和货物运输的中坚力量。
日本的“鹳”货运飞船（简称HTV）运力与天舟相仿，特色在于飞船中部可设置有非加压货舱，此外对接方式与前两种飞船不同，HTV对接需要机械臂抓取进行捕获对接。此外受限于日本航天的特殊定位，发射频率不高。
日本的HTV飞船，图为第6次任务，清晰可见中间敞开的非加压货舱
而美国自2011年航天飞机黯然退役后，另辟蹊径转而求助民营航天公司开发货运飞船，因此“天鹅座”和“龙”两款货运飞船脱颖而出，成为了美国货运任务的两大支柱。轨道ATK公司的“天鹅座”货运飞船外观独特，经常被网友戏称为“太空易拉罐”，同样采用捕获对接模式，飞船全部为加压舱，而且火箭和飞船通过全球采购“拼装”而成，降低了任务成本。
加长后的“天鹅座”货运飞船，上部形同易拉罐的部分就是加压货舱
最后是太空探索技术公司的“龙”飞船，在飞船尾部设置有非加压货舱，同样采用捕获对接方式。由于最初目的并非专职货运，因此其设计上颇具特色，即可以像载人飞船一样在加压舱内携带多达2.5吨的货物返回地球。
“龙”飞船被加拿大机械臂捕获后，正在对接国际空间站，清晰可见其圆角正方形对接口
三次“太空加油”难度大
近地轨道空间站通常工作在距地面400千米的高空中，虽然已高于100千米的卡门线（以钱学森的老师西奥多·冯·卡门命名，这条线一般认为是太空和大气层的界限），但仍处于极其稀薄的大气和随之而来的空气阻力中。阻力会使空间站的轨道缓慢下降，最终坠入大气解体。为防止这种情况的发生，或躲避部分可能相撞的空间碎片，空间站必须不断消耗推进剂来维持或变更其运行轨道。不同于运载火箭所常用的液氢、液氧等低温推进剂，空间站的推进剂需要长期在轨贮存，所以一般都采用常温肼基燃料。这种燃料组合具有较强的腐蚀性和毒性，因此不能通过航天员手动加注的方式进行转移，只能由专门设计的补加机构来完成。因此“天舟一号”实施的推进剂补加任务，跟神舟飞船有很大区别。
“天舟一号”氧化剂特写
为此，“天舟一号”设计了两个独立的推进剂储箱，不仅为天宫二号单独携带了一箱推进剂，用于自身控制的推进剂也可以“转让”。在两个月的前期对接完成后，就可以适时开展推进剂的补加试验，这是一个“慢工出细活”的过程，需要5天左右时间。推进剂和氧化剂分别设置了主、备两套共四个加注口，通过液路浮动断接器进行控制。“天舟一号”将为“天宫二号”空间实验室进行两至三次在轨加注。
天舟一号的对接机构及液路浮动断接器
在轨加注相当于“太空加油”，要在没有重力的环境中和无人操作的前提下，完成精准对接，所以工作难度要比地面“加油”高得多。加注时需要利用空间压气机实现一边抽压，一边加压，在气压的作用下让液体转移。这个过程中，既要对得上，还要抓得紧，密封要严实，加注要流畅，分离要果断，泄漏更要尽可能的少，难度之高可想而知。
自主快速交会对接6小时完成
未来中国空间站是组合式空间站，将具有前向和后向两个对接口，所以货运飞船必须要具备从后向和前向两个方向对接的能力。因此在此次任务中一共安排了三次交会对接，其中前两次就是为了验证双向对接而安排的，需要“天舟一号”从后向退出来再绕飞到前向，并对对接能力进行实践验证。最终需要做到无论是前向还是后向对接，对接后的飞船的货舱都将可以与空间站形成刚性连接，并相互联通，航天员可以自由进入，并通过对接口搬运货物。完成以上试验后，“天舟一号”就与天宫二号再次分离，两个飞行器将独立飞行三个月。
而在这三个月的末期，“天舟一号”还要与天宫二号进行最后一次对接，验证自主快速交会对接技术。此前神舟飞船与天宫的对接过程要2天左右，而货运飞船因为是无人设计，时间可以放宽到3到5天完成，这样可以用更多圈次来节省调姿所需的燃料。燃料省得越多，可用于补加的就越多。但是此次任务中将开展的一项快速对接试验，要求两个航天器在短短6个小时内就实现对接。目前俄罗斯已率先在“进步”货运飞船上实现了这种快速对接，整个过程仅用4到6圈就能完成。所以中国也将开展相关试验，技术成熟后不仅可以用于后续的“天舟”飞船任务，更可用于载人飞船对接，这样一来航天员就不需要长时间挤在狭小的返回舱中，舒适性会有很大提升。
有了快速对接，航天员就无需长时间挤在狭小的返回舱中了
多种试验同期展开 “天舟一号”很忙
除了“天舟一号”这位主要乘客外，“丝路一号”科学试验卫星也将一同升空，而这种次级载荷搭载模式也是国际主流。而除了上述对接试验外，天舟一号独立在轨期间也是“重任在肩”。
“天舟一号”在轨计算机动画“天舟一号”结构
例如“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”将在轨测试高精度静电悬浮加速度计的工作性能，获得的试验结果将为中国 “卫星重力测量”，“空间引力波探测”等空间计划提供重要支撑；“主动隔振关键技术验证”能够为空间站高微重力实验平台研制奠定技术基础；“微重力对细胞增殖和分化影响研究”项目研究微重力等环境对干细胞增殖分化、生殖细胞分化及骨组织细胞结构功能的影响；“两相系统实验平台关键技术研究”由中国科学家首次提出，开展微重力条件下流体的蒸发和冷凝实验，此项研究将在欧空局相关项目之前实施，有望使中国在此领域占得先机。最终完成全部既定任务后，天舟一号将受控离轨，再入大气层解体烧毁，剩余残骸将陨落至预定安全海域，而天宫二号留轨继续开展拓展试验和应用。
对接补加过程
综上，“天舟”货运飞船是中国载人航天第二步第二阶段任务及未来空间站工程任务实现的关键飞行器，其主要任务是提供上行物资运输、补给；存储下行废弃物资以及推进燃料补加。在“天舟一号”任务圆满完成后，中国未来空间站的核心舱将在明后年择机发射，“天舟二号”货运飞船和“神舟十二号”载人飞船也将相继升空，正式开始建造中国的组合式空间站。
天舟一号
中国将不再满足于亦步亦趋的跟随，而是开展各种自主创新，比如神舟系列载人飞船，比俄罗斯的联盟号要大一些，飞船的测控技术、电子技术等都更加先进。搭载的新一代载人飞船的缩比返回舱，更管窥了下一代载人飞船的雏形，其先进程度已使我们在下一代载人天地往返工具的研发中和美俄站在了同一起跑线上。还有正在轨工作的天宫二号空间实验室，以及本文的主角——即将发射的天舟货运飞船，都是中国在载人航天上不断创新的标志。
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