用于发射天舟一号的长征七号运载火箭
随着3艘远望号船近日驶离中国卫星海上测控部码头，赶赴预定海域，执行海上测控任务，中国今年最重头的航天计划之一，即天舟一号货运飞船任务进入最后准备阶段。
作为中国空间实验室任务的收官之战，即将实施的天舟一号货运飞船任务将对承担未来中国载人空间站货运任务的系统进行全面测试和考验。其中，飞船为载人空间实验室天宫二号进行在轨加注推进剂技术，是测试和考验的重中之重。该项技术的突破将是中国航天继掌握空间交会对接技术之后，具有标志意义的新的里程碑。它将使建设长期驻留、有人照料的空间站具备基本前提，为2020年后建成“太空家园”，催生中国空间站时代奠定基础。
交会对接再上一层楼
在轨加注是指在空间轨道上利用服务航天器对目标航天器进行推进剂补给的在轨操作，其作用类似于“空中加油”，因而也被形象地称为“太空加油”。这项技术对空间站来说之所以重要，是因为太空并非绝对真空，空间站依然会受到微薄空气阻力影响，其轨道高度会随着时间推移而缓慢下降。要维持其轨道高度，就必须消耗燃料来获得上升的推力，而空间站核心舱在发射时携带的推进剂有限，这就需要货运飞船对其进行在轨推进剂加注，持续补充燃料。
据天舟一号货运飞船总设计师白明生介绍，天舟一号携带约2吨推进剂对天宫二号空间实验室实施在轨加注，不仅量足够，而且还有备份。这些推进剂是液体燃料，将通过管路注入到天宫二号，而管路连接需要通过空间交会对接来实现。早在2011年，我国就成功实现了首次空间交会对接，掌握了这项堪称万里高空“穿针引线”的太空绝技。
然而，在轨补加对交会对接精度提出了更高要求，需要“穿针引线”太空绝技再上一层楼。对此，航天科技集团八院对接机构主任设计师苑会领介绍说，由于要进行液体补加，不能出现任何泄露，这就要求大幅提升对接精度，必须在安装后通过导向板、机构、导向销套3个措施进行校正，以此保证精确插合。
为此，设计师采用大量力学、热控等仿真和地面试验验证，确保对接机构产品质量过关。对接机构完全过关、经得起考验意味着不仅对接要天衣无缝，为“太空加油”创造良好条件，同时也能够实现分离。对此，航天科技集团八院对接机构副主任师丁立超介绍说，为确保成功分离，设置了对接机构分离推杆，如出现意外情况，该分离杆便开始工作，克服故障，实现分离。
打造一把太空“加油枪”
空间交会对接为“空中加油”提供了前提条件，接下来，天宫二号利用压气机将自身贮箱中的气体抽走，贮箱气压随之下降。天舟一号货运飞船上高压气瓶的气体将推进剂从自身贮箱中推出，通过连接管路进入天宫二号贮箱中。上述利用气压差实现推进剂加注的原理其实并不复杂，但是，要顺利完成推进剂从天舟一号到天宫二号的加注还必须研制形成气压差的压气机和打造出一把经得起考验的“加油枪”。
天宫二号推进分系统主任设计师江铭伟指出，一般的压气机研制其实并不难，但是天宫二号空间实验室上需要的是小型化、高度轻便的压气机。中国航天科技集团公司第六研究院经过艰苦努力，进行了一系列技术创新，最终使压气机重量被控制在几十公斤，很好地满足了这一要求。“加油枪”只是一个形象的说法，它指的是一个叫做浮动断接器的设备，也是由中国航天科技集团公司第六研究院研制的。该院副院长刘志让介绍说，该设备的特点正如其名，是“可浮动”的，可以最大限度消除天舟一号与天宫二号交会对接偏差对加注可能产生的影响，提高补加的精准性，避免泄漏。
江铭伟指出，这些关键设备的研制成功为在轨补加技术的实现打下了坚实基础。此外，还要想方设法优化在轨补加的流程设计，使其一方面更为稳妥，另一方面又不能过于复杂。在轨补加可能出现一些地面没有完全预料的情况，因而必须设置应急情况在轨处置程序，需要进行提前谋划和充分的冗余设计，确保万无一失。
卫星加注试验为加油演练
“太空加油”是中国航天孜孜以求的技术突破。中国航天在成功掌握空间交会对接技术之后，投入更多精兵强将进行相关技术研发和装备制造，并在天舟一号升空之前已经进行了一次对卫星进行在轨加注试验，并获得圆满成功。
2016年6月25日晚，天源一号在轨加注飞行试验系统搭载长征七号运载火箭，在海南文昌航天发射场发射升空，准确进入预定轨道。随后几天，天源一号根据预定计划进行了卫星在轨加注核心关键技术试验与验证，获取了3种贮箱加注全过程的完整视频和相关试验数据。北京航天飞行控制中心对其进行遥测表明，推进剂加注过程稳定，测量与控制精度高，实测结果满足设计指标要求，我国首次卫星在轨加注试验取得圆满成功。这不仅为我国掌握卫星在轨加注技术奠定了坚实基础，而且为天宫二号空间实验室推进剂在轨加注积累了宝贵经验。
可以预见，天舟一号即将到来的飞行任务将使中国在轨加注技术进一步得到验证、提升，走向成熟阶段，使我国航天事业跃升到一个新高度，为即将进行的载人空间站建设铺平道路，完成中国航天肩负的国家目标，全面提升中国航天产业国际竞争力。根据加拿大麦克唐纳·德特威勒公司的估算，2012-2020年，可能有100多颗地球同步轨道通信卫星因燃料提前耗尽而失效，替换这些卫星的成本高达300亿-360亿美元。如果能够通过在轨加注系统为这些在轨航天器补充燃料，延长其使用寿命，可以有效降低发射成本。同时，在轨加注将提升我国太空探测实力。在深空探测任务中，火箭因为大范围机动变轨而消耗掉大量推进剂。在轨加注技术可以为空间燃料仓库补加燃料，为深空探测航天器“太空加油”以及为空间轨道转移飞行器的燃料转移提供技术支撑。
4月24日，中国航天事业发展将迎来61周年纪念日。经过逾一个甲子的努力奋斗，几代中国航天人把中国太空探测技术推向了世界最前沿。随着天舟一号即将上演的“太空加油”大戏，天宫二号乃至中国航天事业将获得新的推动力。（张保淑）
