4月20日晚，中國航天人在天地間搭建起運輸“走廊”。

按照我國載人航天工程“三步走”戰略，由中國航天科技集團公司抓總研製的貨運飛船是載人空間站工程的重要組成部分。伴隨我國首艘貨運飛船天舟一號的發射入軌，空間站建設和長期在軌運營成為可能。

首艘貨運飛船聚焦4方面驗證

天舟系列貨運飛船是為載人航天工程全新研製的航天器。天舟一號的研製者們沒有一味追求飛船總重量或貨物重量單方面的高數值，而是根據未來空間站實際規模和任務需求，打造了一個“規模適度”的貨運飛船。

雖然是首飛型號，設計人員對貨運飛船技術指標的自我要求卻極為苛刻。貨運飛船的載貨比達到0.48，這是一個世界現役貨運飛船均未企及的數值。

可是，為什麼要建造這樣一艘“很能裝貨但載不了人”的飛船呢？

“未來，我國要建造長期有人照料的空間站，航天員在太空需要生活、工作物資，空間站運轉需要推進劑補給，廢棄物也需要被帶回大氣層燒毀。”天舟一號貨運飛船總設計師白明生解釋。

取決於這樣的需求，貨運飛船的主要任務被我國載人航天工程的建設者們嚴謹地明確為：“為空間站（空間實驗室）上行運輸和在軌存儲、補給物資；為空間站（空間實驗室）存儲和下行廢棄物資並受控隕落於預定區域；配合空間站（空間實驗室）進行組合體軌道和姿態控制；支持開展適應貨運飛船能力的空間應用和技術試驗。”

“通俗點來說，貨運飛船的任務就是運貨、加油和開展相應試驗。”五院載人航天總體部研究室主任黃震言簡意賅地概括道。

區別於我國後續正式投入運營的貨運飛船，作為“先行者”，此次天舟一號的主要任務目標聚焦於4大方面的“驗證”。“沒有試飛的餘地，首飛就要完成任務。”研製人員坦言壓力不小。

最大的難點來自於兩個航天器的協同工作。天舟一號要在空間實驗室的配合下，除了驗證推進劑在軌補加技術，還要開展貨運飛船控制組合體、繞飛至前向交會對接、快速交會對接等一系列試驗。

此外，貨運飛船的功能和性能也將通過天舟一號得到全面考核。而為最大限度發揮應用平台效能，天舟一號還支持開展空間應用及技術試（實）驗，能夠實現“一次飛行、多方受益”的目標。

開啟載人航天器型譜化設計

在我國航天界，“型譜化”的概念最早使用於運載火箭。公眾也許不會忘記，大約半年前，這一概念曾作為大型運載火箭長征五號首飛的一大亮點被反覆提及。正是長征五號的研製發射，為我國新一代運載火箭型譜化、系列化的發展奠定了基礎。

然而在我國載人航天器設計領域，儘管神舟系列飛船取得了11戰11捷的優異成績，是高度安全、可靠、穩定的載人飛船，但其設計理念並不能被稱為“型譜化”。

“並不是將已有不同規格的同類產品簡單羅列、組合，或者不斷改進現有產品特性、功能，就叫‘型譜化’。”航天專家朱毅麟曾專門釐清這一概念的定義，“真正的‘型譜化’，是指一個產品系列能滿足較長時期及一定範圍內的全部使用要求。”

天舟系列貨運飛船就是符合上述標準的型譜化產品，由貨物艙和推進艙兩艙結構組成。其中，貨物艙裝載貨物和設備，推進艙為貨運飛船提供電力能源、推進控制動力並裝載推進劑。

五院載人航天總體部研製團隊採用模塊化思路，為貨運飛船設計了4種模塊。除公用的一體化設計的推進艙模塊外，針對運輸貨物的不同類型和需求，貨運飛船可選用全密封貨物艙模塊、半開放貨物艙模塊或全開放貨物艙模塊。

“模塊化設計提高了貨運飛船的任務適應能力和任務拓展度，降低了研製周期和成本，可以通過有限的飛行試驗快速提高平台可靠性。”黃震認為。

通過3種不同貨物艙模塊與推進艙模塊的“搭積木”組合，天舟系列貨運飛船全密封、半開放和全開放的3種型譜就此形成。作為首發貨運飛船，天舟一號被設計為全密封型譜狀態。

“這樣的設計使以後運輸不同物資的貨運飛船之間的接口更加統一化和規範化，順應了載人航天器通用化、批量化、系列化發展的要求。”白明生說。

未來，3種型譜的貨運飛船分工明確。全密封貨運飛船主要用於運輸航天員消耗品、密封艙內設備和試驗載荷，半開放貨運飛船可以滿足太陽電池翼等艙外物資的運輸需求，而全開放貨運飛船則主要負責運載大型艙外貨物。

載人飛船型譜化應用的成功典範要數俄羅斯的聯盟號系列飛船。作為世界上最早且至今仍有效運營的載人飛船，聯盟號自上世紀60年代以來，經歷數次升級換代，衍生出多種適應不同任務需求的貨運飛船型譜。

“我國載人航天工程起步雖晚，但起點高，具有高可靠性和安全性的設計。如今，我們從天舟一號開始，邁出了載人航天器型譜化設計的第一步，這也是我們空間站建設國際化的重要基礎。”天舟一號貨運飛船總指揮金勇說。

打造自主可控的數字空間站

空間站建設是龐大且複雜的系統工程，其設計者目光放得長遠。這一點在天舟一號貨運飛船的諸多細節方面得以窺見。

作為貨運飛船飛行驗證平台的天舟一號，首次大刀闊斧地使用了7大類、上百種的國產新研核心元器件，提前驗證空間站中所用的關鍵元器件。

例如，此前載人飛船採用的是低壓供電，而未來我國空間站面臨更大載荷和功率，必須採用100伏的高壓供電。為提高傳輸效率，天舟一號採用了全新自主研製的國產100伏高壓器件。

首次在國內航天器上採用的100伏厚膜電源模塊被應用到了整船所有的關鍵電子單機上，帶來的改變不僅是整船幾十公斤配電設備重量的優化和各電子單機尺寸的縮小，更重要的是突破國外的技術封鎖，加速了航天器核心元器件設計的國產化進程。

看似不大的元器件，背後牽扯的系統工作卻千頭萬緒。每當說起具體細節，設計師們愛用“一言難盡”來輕描淡寫攻關的難。他們說，一想到未來空間站建設的關鍵命脈牢牢握在自己手中，“心裡就不慌了”。

全三維數字化設計也被淋漓盡致地應用到了貨運飛船上。貨運飛船立項之時，時值集團公司開始進行型號數字化研製的嘗試。“天舟一號的數字化研製觸碰到了一個很好的契機。”五院貨運飛船數字化研製團隊成員們感慨。

五院藉此成立“全三維數字化協同設計實驗室”，將正在孕育的天舟一號推上數字化之路。而放眼中國航天領域，全三維數字化設計在新一代運載火箭上也普遍採用着。

對於數字化的優越性，設計師郭軍輝感觸最深。天舟一號整個貨物艙的電纜設計全部出自他之手。“以構型布局設計為例，按照傳統的二維圖紙模式，貨船單艙段的設備布局需要單人用30天完成，而採用全三維數字化設計後，只需要15天。”郭軍輝說。

天舟一號從方案設計階段開始始終堅持數字化手段，打通了產品設計、工藝、生產、裝配、檢驗、交付全過程的信息流。設計團隊通過探索基於三維模型的協同設計模式，顯著提高了航天器設計效率和質量。