神舟飞船上天，航天员最多可以携带几百公斤的随身行李。2013年，神舟十一号飞行乘组的两名航天员在天宫二号空间实验室驻留一个月后，物资基本消耗殆尽。当中国决定建造并长期运营自己的“天宫”空间站，随之而来的一个问题就是，空间站上的推进剂怎么补加?航天员长期驻留，生活物资不够了怎么办?
货运飞船应运而生。如今，中国的天舟系列货运飞船已有五艘扬帆起航，舟行天地，构筑起载人航天工程的生命补给线。作为天地运输通道上的常客，它从何而来，又向何去?
开创：实现空间推进技术跨越的天舟
基因的差异，造就不同的生命形态。货运飞船从无到有，它的设计和研制工作，必须根据自身特性和满足空间站任务需求来完成，这是一个逐步发现、探索、突破和改进的过程。
2011年，航天科技集团五院就开始着手进行货运飞船的立项论证工作，确立了货物舱和推进舱两舱构型总体技术方案，并将天舟一号作为我国首艘试验性货运飞船，以验证飞船平台设计本身的合理性。
天舟一号货运飞船示意图
天舟系列货运飞船副总师党蓉介绍，由于货运飞船尺寸很大，每次任务的货物装载量不同质心位置会发生变化，且货运飞船在轨废弃物的装载也会对质心的控制造成影响，如果像其他航天器一样将姿态控制推力器安装在质心附近和后端面，将不能很好地适应每一次任务需求，容易造成姿态稳定性差，甚至影响交会对接。
这是研制货运飞船需要首先考虑的问题。为保证货运飞船能够适应不同质心位置和高精度的控制要求，天舟一号将4类36台发动机分别布在飞船的前锥面和后端面上。
“尽可能运送更多货物”是设计师们追求的主要目标。天舟货运飞船系统总体副主任设计师张振华表示，这就要求飞船提高承载能力并减轻自身重量。
在提高承载能力方面，船内的高效承载货架采用基于蜂窝板、碳纤维立梁的梁板结构，形成大量标准装货单元，传力效果好，结构与货物重量比却仅为8%。在减轻自身重量方面，飞船所有关键电子单机采用国产100伏厚膜电源模块，不仅减轻了配电设备和电缆的重量，还奠定了100伏高压传输的基础。
“天舟”要运送的一项重要货物是推进剂，这就要突破推进剂在轨补加技术。在此之前，掌握在轨推进剂补加技术的国家只有俄罗斯和美国，也有国外同行表示可以为中国提供技术合作，但研制团队坚持“太空加油技术一定要掌握在自己手中”，用10年时间攻克了一系列关键技术，最终在2017年完成天舟一号货运飞船在轨对天宫二号空间实验室的推进剂补给，实现了我国空间推进领域的一次技术跨越。
先行：作为飞行验证平台的天舟
天舟一号要把握宝贵的一次飞行机会，在满足自身任务的同时，为空间站建造和载人飞船做大量的先期技术验证。
为提前验证空间站中所用的关键元器件，加速实现自主可控，作为飞行验证平台的天舟一号大刀阔斧地使用了7大类44项国产新研核心元器件。无论是100伏高压全分散配电系统和高压锂电池的应用，还是货运飞船内部以太网高速信息系统，再到针对载荷单独规划出供电、信息流，研制团队建立了一套全新的电子和信息系统。“当时我们跑遍了厂家，做足了各种试验。”党蓉说。
到了天舟二号，研制团队还做了几件大事。
第一，验证自主快速交会对接技术。对于货物运输而言，时效性要求并不高，但考虑到载人飞船的应急救生要求，“天舟”就要承担起先行者的责任——天舟二号在完成8小时自主交会对接的前提下，还在离轨前进行了两小时快速交会对接的在轨试验。
第二，为了提高交会对接可靠性，天舟二号配合航天员完成了手动遥操作试验。党蓉表示，与之前航天员在主动飞行器上看着目标飞行器进行操控不同，航天员是在空间站上遥控货运飞船与空间站对接。货船首先要获取图像，然后将其传递给空间站，航天员再根据收到的图像来操控，这样一来一往就会受时间延迟的影响。为此，研制团队升级了航天器之间双向通信的“空空通信机”，将其传输性能从千字节提升到了兆级。
第三，打通了“天舟”与空间站双向并网供电的能力。空间站工程是一个大系统。这样一个复杂系统在轨道上飞行，过程中不可避免会存在太阳翼帆板阳光被遮挡的问题，这会让航天器的供电能力暂时无法满足特定工作模式的用电需求。空间站能为货运飞船供电，而在空间站电力不足的情况下，“天舟”也能够“反哺母舰”为其提供电力。
第四，检验了利用机械臂操作空间站舱段转位的可行性和有效性，验证了空间站舱段转位技术和机械臂大负载操控技术，为后续空间站在轨组装建造积累了经验。
这一阶段的“天舟”，就是一位技术先行者。
改进：不断增强用户体验的天舟
随着“天舟一号”和“天舟二号”任务的圆满成功，技术状态日趋稳定，从“天舟三号”开始，货运飞船正式进入组批研制模式。
设计一艘人性化、更符合人机功效学设计，并能逐步增强用户体验的货运飞船，这是当时航天人最想要秉承的一种设计理念。
从货包来看，天舟二号携带的160多个货包，都呈现为米黄色。神舟十二号载人飞船的3位航天员反馈，因为颜色一样，无法快速识别物资类型。因为货包所用特种材料的颜色很难改变，研制团队开始给货包“打蝴蝶结”，不同颜色的束缚带代表不同种类的货物。
到了天舟四号，货包直接用上了彩色“身份证”。浅蓝、深蓝、绿色、紫色、浅棕、深棕6种颜色，其中绿色代表航天员系统食品，浅棕色代表摄影设备包，紫色代表医学实验领域物资。研制人员建立了地面到云端的全任务周期物资数字化管理系统，可以实现货物自动信息录入和物资取放动态的信息管理等。“这个系统还采用了VR技术，为航天员提供可视化的作业指导书，这样他们找货就更方便了。”天舟系列货运飞船总指挥冯永说。
这样的设计理念体现在方方面面：航天员可以触摸到的所有地方都是钝角、尽量选择柔和的光线和色调、地面砖做成毛面避免反光刺眼、用不同颜色营造“天地”视觉感受、用不同频率和不同声音区分空间站报警类型、对货包内的缓冲泡沫进行分块小型化设计方便航天员带上更多的下行物资……凡是跟人的触觉、嗅觉、味觉、视觉、听觉五种感官相关的，研制人员都要统统考虑到。
天舟三号任务期间，研制人员将一只穿花衣服的小牛玩偶挂在了货包上。“航天员在天上可能会出现视觉疲劳，希望这能给他们带来不一样的感受。”冯永说。
后来这只“小花牛”被航天员汤洪波挂在了自己的“家”门口。
升级：将“改变”写在基因里的天舟
随着空间站更多科学实验任务的开展，对货运飞船又提出了新的要求。从目前的反馈情况来看，“天舟”每一次带给空间站的推进剂都够用，甚至还有剩余，未来需要携带更多的货物，这意味着天舟六号货运飞船面临一次结构上的调整。
张振华介绍，货运飞船的货物舱分为前锥、柱段和后锥三段，其中后锥段是非密封结构，内置飞船自身的平台电子设备。改进后的飞船将原有的8个推进剂储箱减少4个，腾出来的空间放置平台电子设备，释放后锥段空间，增加载货量。
“天舟”发展至今，唯一不变的就是“变化”。冯永认为，“天舟”的设计阶段已经过去了，现在的货运飞船均为组批投产，状态相对稳定，最大程度保证载人航天工程的速度与质量，但这不代表它不再做出改变。
“我们永远都在使用新产品、新技术、新工艺和新材料。”冯永表示，往往一些单点的创新，在某一天会带来突变。在这之前，我们要做好充分的技术验证，确保可靠性，严格把控每一个细节，做到既不“过度设计”也不“欠缺设计”，同时还要考虑成本问题。因为商业货运飞船、返回式货运飞船，亦或是其他新型货运飞船，在中国皆有可能出现。
天舟五号货运飞船和整流罩组合体矗立在厂房 记者 宿东 摄
2022年11月12日，天舟五号货运飞船起飞，这是中国空间站形成“T”字基本构型后迎来的首艘货运飞船。未来的“天舟”还将实现更快的运输速度，更大的载重能力，更高的运输效能，更多的先期技术验证。
来源：科普中国、中国航天报
