Грузовой космический корабль «Тяньчжоу» (аббревиатура TZ) — китайский автоматизированный грузовой космический корабль, разработанный Китайской академией космических технологий в рамках программы китайской пилотируемой космической станции.
Его основные задачи - транспортировка и хранение материалов для космической станции, хранение и спуск отходов от космической станции, контролируемое падение в заданную область; взаимодействие с космической станцией для управления орбитой и ориентацией объединенной конструкции, поддержка космических приложений и технических испытаний, адаптированных к возможностям грузовых космических кораблей.
В обзорной статье, недавно опубликованной в журнале «Космос: наука и технологии», Цзяньюй Лэй из Китайской академии космических технологий представил подробное описание конструкции грузового космического корабля Тяньчжоу, включая структуру, функции и ключевые технологии подсистем. Также были продемонстрированы отработка и полетные задания. Проведено сравнение TZ с другими грузовыми кораблями, что дает нам системное представление о грузовых кораблях TZ.
Во-первых, автор представил детали изготовления и конструкции грузового космического корабля «Тяньчжоу».
Для китайской космической станции TianGong (TG) грузовой корабль TZ используется в качестве корабля снабжения с транспортировкой грузов и топлива. Корабль имеет полностью автоматизированные системы сближения и стыковки.
Отличительной особенностью корабля TZ является возможность перевозки грузов как в герметичном так и в негерметичном объеме, пополнение запасов топлива и разгоном по орбите, обеспечивая выполнение заданных экспериментов.
Корабль состоит из двух модулей: грузовым отсеком для перевозки герметичных грузов, двигательным отсеком с системами управления и двигателями. Длина корабля составляет около 10,6 м (включая маневровые подруливающие устройства на одном конце), а диаметр — 3,35 м. Полная масса грузового корабля составляет 7 т при максимальной общей полезной нагрузке 6,5 т. В герметичном отсеке может перевозится одежда, еда, вода и оборудование для работы тайконавтов.
Топливо для повторного разгона и дозаправки загружается в двигательный отсек. Целевая высота орбиты TZ: 380~420 км, угол наклона орбиты: 41~42 градуса (круговая орбита).
В составе станции грузовик может находится примерно 365 дней. Перед обратным рейсом все доставленное оборудование выгружается, а грузовик TZ полностью загружается различными отходами, весом до 6т, образующимися на космической станции. При сходе с орбиты корабль полностью сгорает.
Базовые подсистемы грузового корабля TZ включают подсистему несущей конструкции и герметизации, подсистему управления ориентацией и орбитой, подсистему передачи информации и управления, подсистему энергоснабжения, подсистему управления обитаемой средой, подсистему теплового управления, подсистему сближения и стыковки, подсистему комбинированного причаливания, подсистему орбитальной дозаправки ракетным топливом, подсистему крепления и транспортировки грузов, которые подробно демонстрируются следующим образом.
Три варианта комплектации грузовика «Тяньчжоу»
Несущая конструкция и уплотнения
Грузовой отсек спроектирован как долговечная конструкция из цельных стеновых панелей. Отсек состоит из трех секций: передней конусной, колонной и задней конусной. Конструкция полок для хранения и перевозки грузов состоит из легких высокопрочных алюминиевых сотовых панелей, слабые звенья которых усилены балками из углеродного волокна. Полки образуют в общей сложности 40 грузовых отсеков. Двигательный отсек представляет собой цилиндрическую негерметичную металлическую конструкцию с внешним диаметром 2,8 м и высотой 3,2 м.
Подсистема перевозки и обеспечения грузов
Все корабли серии «Тяньчжоу» предназначены главным образом для грузоперевозок. Для повышения стандартизации установлены одинаковые требования по температуре при перевозке, стандартные методы крепления на полках, стандартные объемы грузовых полок, упаковку и так далее. Стандартизации подлежит электропитание, теплоизоляция и т.д.
Для перевозки продуктов и оборудования при низкой температуре, на корабле оборудованы два холодильных отсека.
Специальные стойки сделаны для транспортировки грузов большого размера, например, скафандра:
Также корабль оборудован стандартным креплением для малых спутников (размерами от 1U до 24U), которые могут запускаться по программе райдшеринга /1U = 100х100х113мм весом до 1,3кг; 2U = 100х100х226мм весом 2,67кг и так далее - мое примечание/ .
Подсистема орбитальной дозаправки ракетным топливом
Технология орбитальной дозаправки ракетным топливом может продлить срок службы станции и снизить ее стоимость. На корабле «Тяньчжоу» и станции TianGong используется метод рециркуляции газа высокого давления, такой же, как на на грузовых кораблях «Прогресс» и «ISS». По сравнению с газоотводными разъединителями высокого давления компании «Прогресс» разъединители с шаговым двигателем TZ имеют меньший вес, меньше уплотнительных звеньев и силу удара при вводе. Кроме того, для грузовика TZ разработаны восемь металлических мембранных баков емкостью 400 л, которые разделены на два функциональных модуля: двигательный и вспомогательный.
Подсистема сближения и стыковки
Сближение и стыковка грузового космического корабля и космической станции являются ключевыми функциями грузового космического корабля. В работе корабля «Тяньчжоу» используется технология быстрого сближения и стыковки при помощи автономной навигации и наведения, основанную на данных абсолютного позиционирования. Время автоматического быстрого сближения и стыковки составляет 6,5 часов.
Разработаны алгоритмы движения вокруг станции, назад и в радиальном направлении, что позволяет произвести стыковку с любым стыковочным узлом станции, что повышает уровень надежности снабжения.
Механизм космической стыковки грузовика оснащен тремя демпферами с возможностью управления, что позволяет стыковать грузовик со станцией разной конфигурации и с массой от 20 до 180 тонн. После стыковки грузовик «Тяньчжоу» может изменять ориентацию станции, совершать маневры по уклонению от космического мусора и поднимать орбиту станции для преодоления эффектов атмосферного сопротивления.
Подсистема управления ориентацией и орбитой
Для определения ориентации датчики ориентации TZ включают в себя гироскоп, датчик земли и датчик звездного неба. Ориентация оценивается в соответствии с угловой скоростью ориентации, измеренной гироскопом, а затем корректируется в соответствии с измеренными значениями датчика Земли и датчика звезды. Двигательная система состоит из четырех главных двигателей (тяга 490 Н), а также из 32 меньших двигателей (25 Н, 120 Н, 150 Н) для управления ориентацией, шестнадцать из которых расположены рядом с передним конусом и хвостовой частью, чтобы обеспечить необходимая маневренность автомобиля.
Подсистема управления температурой
Для грузовика «Тяньчжоу» характерны неравномерность распределения источников тепла, большие изменения температуры на каждом этапе полета, большой диапазон внешнего теплового потока. Чтобы уменьшить вес и стоимость, грузовик не имеет жидкостного контура для контроля температуры.
Вместо этого для оборудования и зон используются пассивные меры, такие как теплоизоляция, теплопроводность и излучение для достижения «точных» целей управления. Метод терморегулирования, сочетающий принудительную вентиляцию и вторичное излучение, предлагается заменить обычное устройство терморегулирования контура жидкости. На заднем конусном дне расположены три вентилятора для принудительной вентиляции.
Подсистема пилотируемого экологического контроля
Грузовые космические корабли не должны использовать сложные системы экологического контроля и жизнеобеспечения, как пилотируемые корабли, но все же существует необходимость обеспечения экологической безопасности при входе космонавтов в грузовые отсеки. Интегрированный дизайн пилотируемой системы контроля окружающей среды и космической станции упрощает конфигурацию собственной системы TZ, которая включает в себя функции мониторинга окружающей среды, контроля шума и системами обнаружения COVID19.
Подсистема энергоснабжения и распределения электроэнергии
В фотогальванической системе электроснабжения используется блок солнечных панельных литиевых батарей, напряжение на шине стабильно 100 В. Для энергосистемы в качестве аккумуляторов энергии были выбраны три группы литий-ионных аккумуляторов емкостью 60 Ач. Для системы распределения предлагается проектная схема прямого распределения высокого напряжения для космического корабля, которая передает напряжение шины 100 В непосредственно на конец нагрузки. После причаливания энергосистема ТЗ и ТГ образует единую сеть.
Подсистема передачи и управления информацией
Связь телеметрии, слежения и управления (TT & C) в основном зависит от космических систем, таких как спутниковая система ретрансляции данных и навигационная спутниковая система «BeiDou». Некоторые ключевые периоды полетов поддерживаются наземными станциями связи.
Этапы строительства грузового корабля «Тяньчжоу»
Эскизное проектирование корабля было начато в 2010 г. Были спроектированы три конфигурации — полностью закрытую, полузакрытую и полностью открытую, как показано на рисунке, в зависимости от типа перевозимых материалов. Полузакрытый TZ и полностью открытый TZ в основном используются для перевозки крупных негерметичных грузов, таких как солнечные крылья, небольшие спутники, испытательные платформы для космического воздействия. Поскольку на станции сейчас нет больших потребностей в негерметичных грузовых перевозках, полузакрытый TZ завершил первоначальную разработку, а полностью открытый TZ завершил только концептуальный дизайн. В настоящее время все миссии являются полностью закрытыми TZ.
ТЗ-1
Грузовой космический корабль TZ-1 стартовал 20 апреля 2017 года. На TZ-1 была осуществлена первая в Китае доставка ракетного топлива на орбиту, что заложило основу для сборки, строительства и эксплуатации космической станции. Кроме того, он провел три испытания топливной заправки на орбите. 22 сентября корабль совершил управляемое падение в южной части Тихого океана в 17:59 по местному времени.
ТЗ-2
ТЗ-2 был запущен в 20:55:29 29 мая 2021 г. и состыковался с основным причалом станции в 5:01 30 мая 2021 г. Это был первый случай, когда грузовой космический корабль Тяньчжоу отработал полностью автоматический режим быстрого сближения и стыковки.
ТЗ-3
ТЗ-3 был запущен в 15:10:11 20 сентября 2021 г. и состыковался с основным причалом космической станции в 22:07 20 сентября. 17 октября тайконавты, прибывшие на космическую станцию на СЗ-13 открыли грузовой отсек и начали переносить груз на космическую станцию.
Затем автор представил сравнение грузовых кораблей космической станции. В настоящее время космический шаттл США ушел в отставку. Европейский грузовой корабль также выходит из эксплуатации после выполнения пяти грузовых миссий. Текущий грузовой транспорт международной космической станции в основном полагается на грузовые космические корабли «Прогресс», «HTV», «Дракон», «Лебедь». Подробное сравнение ключевых показателей эффективности, включая длину, сухую массу, стартовую массу, массу полезной нагрузки, соотношение полезной нагрузки, объем полезной нагрузки и т. д., было записано в следующей таблице.
Наконец, автор обсудил будущие тенденции грузовых космических кораблей. Поскольку TZ является единственной современной системой грузовых космических перевозок в Китае, основная миссия TZ по-прежнему заключается в обслуживании пилотируемых космических проектов Китая. «Тяньчжоу» может удовлетворить требования текущей задачи. Однако, в соответствии с тенденцией развития грузовых космических кораблей, следующие задачи были поставлены на повестку дня:
1. Использование коммерческой компьютерной информации и систем для снижения снижения энергопотребления и уменьшения размеров солнечных панелей при разработке недорогих грузовых космических аппаратов
2. На основе данных трех вариантов грузового корабля разработать грузовой корабль большей вместимости с многоразовым корпусом.
3. Двигательный отсек становится основой для проектирования сервисных станций с различными функциями, включая модули с высокой точностью управления и модули с открытой полезной нагрузкой (например, большая антенна, спутник, отдельный модуль)
4. Упростить стыковочный механизм, уменьшить тип и количество датчиков сближения и стыковки, увеличить диаметр люка и подготовить переход к общему международному стандарту крепления полезной нагрузки международного стандарта (ISPR).
5. Обеспечить возможность размещения дешевых стандартных платформ для спутников и научного оборудования.
С уважением,
Это краткий перевод статьи. Оригинал статьи здесь
Все права на изображения и текст принадлежат авторам статьи.
