天舟二号货运飞船是中国空间站关键技术验证及建造阶段的首艘货船，是空间站天和核心舱的第一艘来访航天器。它还是目前停靠核心舱时间最长的航天器——总计301天！
2021年5月29日20时55分，天舟二号乘长征七号遥三运载火箭在文昌航天发射场点火发射，5月30日5时1分与核心舱完成自主快速交会对接。2022年3月27日15时59分，天舟二号在完成空间站组合体阶段全部既定任务后，撤离空间站核心舱组合体。
▲天舟二号撤离前的核心舱组合体（图片来源：爱太空）
▲天舟二号撤离后的核心舱组合体（图片来源：爱太空）
与神舟载人飞船相比，天舟是体积更大、运载能力更强的“大个子”。来看看天舟二号这艘全封闭货船的参数：总长10.6米，最大直径3.35米，最大起飞重量13.5吨，物资上行能力达6.9吨，载货比0.51，在轨寿命不小于1年，供电能力不小于2700瓦。
天舟二号与前辈天舟一号看上去长得差不多，不过，未来的天舟飞船可不止一个模样。我国“天舟”系列货运飞船由货物舱和推进舱两舱组成，全密封货物舱、半密封半开放货物舱、全开放货物舱和推进舱4个模块可以组合构成全密封、半密封半开放和全开放货运飞船3种型谱，以满足空间站不同货物种类运输需求[1]。
停靠空间站核心舱的301天里，天舟二号完成了哪些工作？
货物运输——作为货运飞船，天舟二号的首要任务是为空间站运送“粮草”，也就是包括航天员生活物资、舱外航天服及空间站平台设备、应用载荷和推进剂等在内共计6.8吨的物资补给。
太空加油——天舟二号向空间站成功实施推进剂补加，这是天舟一号首先在轨验证的中国航天新技术。天舟二号更是支持与核心舱前向及后向的双向补加功能，以备在遇到故障时有一端可以正常工作，确保空间站任务正常运行。
全相位自主交会对接——天舟二号的第一次对接采用8小时快速自主交会对接，对接于核心舱尾部的后向口。2021年9月18日，天舟二号与核心舱后端分离，绕飞至前端成功实施“太空掉头”后，与核心舱节点舱前向口完成自动交会对接。
协助空间站调姿调轨——天舟二号与空间站形成组合体后，天舟二号可以在空间站的统一控制下，即接收来自空间站的控制指令，开启发动机，实现对整个空间站组合体的姿态和轨道控制，以防止空间站轨道衰减。
科学实验室——中国空间站将建成国家级太空实验室，科学家们可以利用其独特的空间环境开展科学实验。同理，货运飞船是空间科学技术实（试）验的平台。2021年12月，中国载人航天工程办公室发布《关于征集通过天舟系列货运飞船搭载科学技术试（实）验和应用项目的机会公告》，面向社会公开征集搭载项目[2]。
这些，都是天舟的基本职责。围绕中国空间站在轨建设阶段的特殊需求，它还承担了更多工作：
调整空间站质心——中国空间站的构型是有讲究的：三舱布于同一平面，形成T字；两个尺寸、质量特性大体一致的实验舱对向布置，形成T字的一横；实验舱的两对大型太阳翼成为T字一横远端的两个“大风车”[3]。然而，在各舱陆续发射上天的建设阶段，空间站这种整体平衡结构还未完全成形。此时，天舟飞船能够通过不同的停靠位置调整空间站组合体的质心，以确保安全。比如，在神舟十三号与核心舱组合体径向对接前，为了减小对接撞击过程中给核心舱组合体带来的偏心干扰力，天舟二号对接到核心舱组合体的前向口，使核心舱组合体的质心前移，大大减小了这种干扰的不利影响。
机械臂转位技术验证——2022年1月6日6时59分，空间站机械臂转位货运飞船试验取得圆满成功，这是我国首次利用空间站机械臂操作大型在轨飞行器，进行转位试验，检验了利用机械臂操作空间站舱段转位的可行性和有效性，验证了空间站舱段转位技术和机械臂大负载操控技术，为后续空间站在轨组装建造积累了经验[4]。
天舟二号顶端对接口附近安装有适配器，用于与核心舱天和机械臂末端执行器对接。试验开始前，机械臂爬行到节点舱附近位置，与天舟二号适配器对接，执行捕获操作。尔后，机械臂推动天舟二号与前向对接口解锁，天舟在机械臂拖动下以核心舱节点舱球心为圆心进行平面转位，转动一定角度后再回到原位。天舟二号再次与节点舱前向口对接，转位对接试验完成。
▲天舟二号的适配器（图片来源：中国载人航天工程官网）
▲机械臂转位货运飞船试验示意图（图片来源：中国载人航天工程官网）
完成使命的天舟二号离开中国空间站，后续将在地面控制下择机再入大气层。像天舟一号一样，它终将于燃烧中点亮天空，走完自己绚丽的一生。它的后任——天舟三号仍然停靠在核心舱后端，继续执行在轨技术验证任务。
多艘飞船在同一时期停靠空间站的场景并不鲜见，多型货运飞船“同框”也时常发生。目前为国际空间站运货的飞船包括俄罗斯的进步号、日本的HTV、美国的龙飞船和天鹅座飞船。我国未来是否也会出现不同的“太空货车”呢？答案是肯定的。
2021年1月，中国载人航天工程办公室发布《关于征集“面向空间站运营的低成本货物运输”方案设想的公告》，向全社会征集创新方案，以探索发展低成本货物运输手段，形成对基本物资运输系统的必要和有益补充，构建起灵活高效、形式多样、成本低廉的货物运输体系，丰富空间站运营与应用阶段的货物运输途径[5]。
中国空间站在轨建设即将完成。它不仅要实现中国人在近地轨道的常驻，也将催生我国航天器的百花齐放。
参考文献：
[1] 白明生,金勇,雷剑宇,王 松. 天舟一号货运飞船研制. 载人航天, Vol25, No2.
[2] 关于征集通过天舟系列货运飞船搭载科学技术试（实）验和应用项目的机会公告 （第一轮）.
[3] 王翔，中国空间站为啥长成这样？系统总指挥五千字长文为你详解，新华网思客.
[4]空间站机械臂转位货运飞船试验取得圆满成功.
[5]关于征集“面向空间站运营的低成本货物运输”方案设想的公告.
科学审核：于磊 中国空间技术研究院总体部研究员
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