成果多多不辱使命“天舟五号”光荣离轨

文/航星

2023 年9 月12 日9 时13 分，天舟五号货运飞船受控再入大气层。货运飞船绝大部分器部件在再入大气层过程中烧蚀销毁，少量残骸落入南太平洋预定安全海域。至此，“天舟五号”不辱使命，圆满完成各项任务。

自2022 年11 月12 日发射升空以来，天舟五号货运飞船在10 个月内承担了一系列重要使命，为航天员在轨驻留、空间站组装建造和空间应用领域提供物资保障，还充分利用了货运飞船上行运力资源，搭载多项试验载荷，支持开展空间科学与技术试验，执行空间站姿态轨道控制等任务。

▲ 天舟五号货运飞船翱翔太空效果图

“最快送货员”创世界纪录

2022 年11 月初，随着梦天号实验舱成功转位，中国空间站“T”字成型。而天舟五号货运飞船正是中国空间站在这个关键节点之后的首位“访客”，与天和核心舱成功实施后向对接。

值得一提的是，天舟五号货运飞船创造了世界纪录——实施空间站阶段最快的在轨交会对接。航天员在轨目睹飞船发射约2 个小时后，就迎来了新鲜货品“到站”，并在次日完成环境检测等准备工作后，进入货运飞船，让全世界感受到了太空里的“中国速度”。

与天舟货运飞船以往的6.5 个小时快速交会对接相比，“天舟五号”主要从两方面进行了方案优化，使任务耗时进一步缩短：一是优化交会对接的控制制导策略，飞船制导导航与控制立下大功，远距离导引飞行由多圈次压缩为不到一圈，多次轨道机动也被压缩为两次综合轨道机动，该部分用时由4 个多小时减少到约1 个小时；二是在近距离自主控制段，设计减少了多个用来确认飞船状态的停泊点，类似地面动车组减少了经停车站数量一样，提升了飞船接近空间站的速度，该部分用时由2 个多小时缩短为约40 分钟。

毫无疑问，这种超快速交会对接技术对于空间站长期在轨运营有着非常重要的意义，有望极大提高我国的太空紧急救援能力，显著缩短飞船前往空间站的时间，使运输特殊的鲜活试验品成为可能。更进一步，如果将该技术应用于载人飞船，将明显减少航天员赴空间站的飞行时间，使任务更安全，有利于航天员的身心健康。

▲ 天舟五号货运飞船后向对接于天和核心舱示意图

其实，严格来说，2 个小时交会对接并不是天舟五号货运飞船增加的新功能，之前的天舟飞船也有该功能，只是因为该模式对飞船的飞行状态要求较高，在轨验证需谨慎。也就是说，2 个小时完成交会对接只是飞船交会对接制导导航与控制系统的选项之一。该系统可以根据火箭入轨情况，自主为飞船选择不同时长的交会对接模式，除了2 个小时方案，还包括3 个小时、5 个小时、6.5 个小时方案等。

显然，天舟五号货运飞船超快速交会对接成功实施，意味着我国航天器自主定轨技术取得了新突破，姿态轨道控制精度更高，综合制导技术水平提升，飞控流程更加优化。由此，我国空间交会对接模式更加多样化，功能更加丰富，适应能力更强，技术更趋成熟。

屡次分合“解锁”新技能

众所周知，天舟系列货运飞船作为空间站的地面后勤补给航天器，采用了型谱化方案，设计出满足不同货物运输需求的全密封、半密封、全开放共3 个货物舱模块，与通用推进舱模块组合，形成了全密封货运飞船、半密封货运飞船和全开放货运飞船共3 种型谱。

天舟五号货运飞船属于全密封货运飞船，在发射时是世界上货物运输能力最强、在轨支持能力最全面的货运飞船（现在这个“桂冠”已让给“天舟六号”），装载了航天员系统、空间站系统、空间应用领域的货物，共计约5 吨，携带补加推进剂约1.4 吨。

除了送货上天外，天舟五号货运飞船还成功“解锁”了中国空间交会对接技术的新技能，具体来讲，呈现四大特点。

第一，首次尝试验证中国在轨航天器2个小时自主快速交会对接能力，勇创世界纪录。

第二，飞船首次与空间站“T”字构型组合体对接，且对接目标达到80吨量级（包括空间站3 个主要舱段、神舟十四号载人飞船等），验证了货运飞船对接机构满足设计要求，尤其是具备对大吨位目标的适应性。

▲ 天舟五号货运飞船飞行任务徽章

第三，中国空间站首次在有人驻留的情况下实施货运飞船交会对接，成功检验了故障情景下的备份能力——人员手控遥操作，完成交会对接任务。这可以提高近距离交会对接的可靠性。

第四，天舟五号货运飞船的运力资源被充分利用，选择搭载多项试验载荷，提高飞行任务的综合效益，支持开展更多空间科学与技术试验。

2023 年5 月5 日15 时26 分，天舟五号货运飞船顺利撤离空间站组合体，转入独立飞行阶段。在神舟十五号载人飞船撤离空间站组合体后，已独立在轨飞行33 天的天舟五号货运飞船完成绕飞，6 月6 日成功对接于空间站节点舱前向端口，为“神舟十六号”乘组提供了更多可用空间。直到9 月11 日，这艘货运飞船完成了全部既定任务，再次撤离空间站组合体。

▲ 天舟五号货运飞船地面测试

“副业”花样多成果丰富

值得一提的是，天舟五号货运飞船搭载了“澳门学生科普卫星一号”上天，并在2022 年12 月18 日成功释放，为12 月20 日澳门回归祖国纪念日献上贺礼。

“澳门学生科普卫星一号”是8U立方星，重12 千克，采用展开式太阳电池阵，主要任务是为澳门青少年学生提供卫星科普实践平台，支持对地成像、无线电通联体验等航天科普活动。随后，该立方星在轨运行稳定，为粤港澳大湾区、海峡两岸及全球各地业余无线电爱好者提供了良好的航天科学实践平台，有力推动了内地和澳门在航天科普教育方面的深度合作和交流互动。

为什么要用飞船运卫星上天再发射呢？原来，这样可以充分利用飞船的运载能力，而且卫星在运输过程中被保存在缓冲效果良好的容器中，能够减少振动造成的潜在损害。航天员在太空中能及时检查卫星状态，选择最佳的释放时机，由空间站上的特殊设备释放卫星，甚至必要时可以由航天员手抛释放微小卫星。

事实上，中国载人航天工程一直注重将工程成果应用和服务于国家经济社会发展。自天和核心舱发射以来，天舟货运飞船资源实现了充分利用，面向政府机构、科研院所、教育机构、企业、行业组织等单位，多次公开征集基于货运飞船平台搭载科学技术试（实）验和应用项目。

▲ 天舟五号货运飞船前向对接于天和核心舱

▲ 飞船释放卫星效果图

除释放“澳门学生科普卫星一号”外，天舟五号货运飞船还搭载了宇航用氢氧燃料电池、空间宽能谱高能粒子探测载荷等试验项目。在此之前，天舟四号货运飞船搭载了智星三号A星、应急数据采集装置及空间热泵验证系统载荷，推动了航天科普教育示范区建设，有效支撑了空间环境感知技术创新研究及空间热管理关键技术的验证；天舟三号货运飞船搭载了空间碎片探测载荷，在轨突破并验证了多项关键技术，搭建了天地一体化数据应用系统，实现空间碎片天基短弧定轨及关联，全链路验证了天基空间碎片探测、识别、定轨、关联及应用。

据公开资料显示，随天舟五号货运飞船搭载上行的多项空间应用项目进展顺利，取得了可喜成果，为空间站应用与发展阶段的运营管理积累了重要经验。

▲ 天舟五号货运飞船告别空间站

其中，空间氢氧燃料电池在轨实验取得成功，初步验证了燃料电池能源系统在轨舱外真空、低温及微重力条件下发电特性、变功率响应规律以及电化学反应的界面特性，为空间燃料电池能源系统研制和关键技术攻关提供了重要数据和理论支撑，未来将推动宇航燃料电池应用发展，为推进我国载人探月任务提供有力支持。

空间高能粒子探测载荷完成首次舱外探测任务。该探测载荷是国际首次在空间探测领域突破了新型无机激发体探测关键技术，实现了高效中子测量和高精度中子/伽马射线甄别，未来将持续开展空间轨道各类带电粒子、中子及粒子辐射效应探测，为开展相关空间科学试验和工程应用等提供了关键参考参数，具有重大科学研究和应用价值。

展望未来，天舟系列货运飞船将持续为航天员和空间站提供补给支持，搭载更多科学技术试（实）验和应用项目，进一步发挥载人航天工程综合效益。