天舟三号货运飞船发射,天舟二号变身大号垃圾桶?没那么简单

2021-09-20 12:05:23 老粥科普

神舟十二号航天员乘组圆满完成任务,顺利返回东风主着陆场。与天和核心舱对接的天舟二号货运飞船也完成使命,照理说应该脱离空间站,受控离轨并且在大气层中烧毁。因为满载6吨多物资的天舟三号货运飞船已经在海南文昌发射场整装待发,它将从后向对接到天舟二号现有的位置。

长征7号火箭发射天舟三号货运飞船

然而神舟十二号飞船返回后,天舟二号并没有跟着离开空间站,而是绕着核心舱飞了半个圈,重新对接在了神舟十二号原来的位置上。这到底是怎么回事?

有人说,之所以还把天舟二号留在轨道上,是因为要给接下来的神舟十三号宇航员装垃圾,等垃圾装满之后,就可以让它脱离、带着一船废物坠落了。果真是这样吗?

天舟二号将坠入大气层

航天员在太空生活,他们每天都需要消耗一定数量的物资,吃穿用也会产生大量废弃物和排泄物。太空里没有下水道,你没办法将废物一冲了之,只能用特制的容器密封起来,定期存放在货运飞船里。航天员在太空中穿脏的衣服也不能拿洗衣机洗涤晾干再穿,空间站里水资源有限,用来洗衣服成本太高,所以内衣穿几天之后就打包扔进货运飞船。太空科学实验所使用的一次性工具、设备以及它们的包装,因为没必要保留,通常也都会随着货运飞船一起在大气层中烧掉。

空间站会有大量垃圾产生

那为什么天舟二号已经完成了任务,科学家依然不肯放弃它?因为本着物尽其用的原则,天舟二号货运飞船除了拿来运货,它同时也肩负着其它功能,以及重要的科学使命。

天宫空间站是中国第一个空间科学技术和太空研究基地,尽管有之前天宫一号、天宫二号打基础,新的空间站无论从体量还是先进性方面都上了不止一个台阶。在空间站建设初期,我们还有许多技术需要验证,有许多功能需要反复实验,以确保万无一失。

目前是空间站技术验证阶段

天宫空间站在2022年将迎来两个重量级部分:20吨级的“问天号”与“梦天号”实验舱,这两个舱长约14.4米、最大直径达4.2米,但它们没有机动能力。空间站与实验舱的对接需要“以我为主”——由长征五号运载火箭把实验舱精确地送到空间站轨道前方,再由空间站慢慢加速靠近,对接到核心舱的前方端口上。实验舱对接上之后,航天员操控机械臂“抓住”实验舱,再将它转体90°,对接到节点舱侧向的端口,从此固定在那里。

实验舱需要靠机械臂转位对接

但是中国建设空间站是“大姑娘坐轿”—— 头一回,实验舱能不能顺利转位对接,谁也没试过,机械臂好不好用?中间可能会遇到什么问题?只有实际做过才能知道。在实验舱发射上天之前,天舟二号正好可以充当这个实验品。

天舟二号转到前向对接

天舟二号在完成物资补给任务之后,地面控制人员发出指令,它会自动转移到核心舱前方,模拟未来的实验舱进行自动交会对接,然后停靠在节点舱前向端口,同时完成电路、液路对接、测试前向燃料补加。接下来神舟十三号飞船将对接到节点舱下方的径向端口,航天员进入空间站后,手动操纵机械臂抓住13吨的天舟二号模拟实验舱转位对接工作。

利用机械臂抓取天舟二号转位对接

在这些实验完成之后,天舟二号才算最终完成使命,可以用来装垃圾、择机离开空间站返回大气层了。

天舟二号还有一个重要功能被许多人忽略:它还是空间站上的一个平衡器。

我们知道当空间站以7.68公里/秒的速度绕地球飞行时,它产生的“离心力”与地球引力相互抵消,于是空间站会呈现“失重”状态,就像是漂浮在太空一样。这时候你哪怕是对它施加一个很小的力,都能让它的姿态发生变化。天舟三号对接在核心舱的后端,这两个组合体的质心(重心)位于核心舱后部,而节点舱位于最前端。当神舟十三号从侧向对接时,只要两个对接口一接触,核心舱就会发生扭转,这很容易造成对接失败。

天舟二号可以调整空间站重心位置

现在我们把天舟二号接在核心舱前边,形成“天舟二号-天和-天舟三号”的“一”字形三舱结构,就可以把组合体的质心大幅度前移到中间位置,神舟十三号对接过程中碰撞的偏转力矩缩小,对接成功的概率大幅度提升。并且天舟二号推进舱的发动机也能作为空间站推进控制系统的备份,帮助对接后更快地稳定空间站姿态。

在实验舱完全安装到位之前,货运飞船始终要充当一个平衡重心的作用,以后天舟三号在退役前也会转到空间站前边,等神舟十四号对接完了再退出轨道。

天舟三号将对接在空间站后方

与其它的货运飞船不同,天舟二号飞船除了运货,它还承担了非常复杂的科学实验任务:需要验证未来实验舱的自动对接、机械臂转抓取转位;验证备份推进技术、姿态控制技术、前向燃料补加与供电;改变空间站重心、为载人飞船径向对接提供保护。由此可见,我们的天舟二号其实是一个多面手,它也将是服役时间最长的一艘货运飞船。当然啦,货运飞船在脱离前总会尽量带走所有垃圾,这本来就是它分内之事。

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