Las naves espaciales de carga son naves espaciales robóticas diseñadas para apoyar la operación de estaciones espaciales transportando alimentos, propulsores y otros suministros. La nave espacial de carga Tianzhou (la abreviatura es TZ) es una nave espacial de carga automatizada china desarrollada por la Academia China de Tecnología Espacial, como parte del programa chino de estaciones espaciales tripuladas. La Academia China de Tecnología Espacial comenzó a diseñar TZ en 2010. Sus principales tareas son transportar y almacenar suministros para la estación espacial, almacenar y descender materiales de desecho para la estación espacial, caída controlada a un área predeterminada; cooperar con la estación espacial para controlar la órbita y la actitud del cuerpo combinado; Apoyo al desarrollo de aplicaciones espaciales y pruebas técnicas adaptadas a las capacidades de las naves espaciales de carga. En un artículo de revisión publicado recientemente en Space: Science & Technology, Jianyu Lei, de la Academia China de Tecnología Espacial, presentó una descripción detallada del diseño de la nave espacial de carga Tianzhou, incluida la estructura, la función y la tecnología clave de los subsistemas. También se demostraron el desarrollo y las misiones de vuelo. Se hizo una comparación de TZ con otros vehículos de carga, lo que nos proporciona una comprensión sistemática de la nave espacial de carga TZ.
En primer lugar, el autor presentó los detalles de la fabricación y el diseño de la nave espacial de carga Tianzhou. La estación espacial china TianGong (TG) solo tiene TZ como vehículo de carga. TZ ha superado tecnologías clave como el transporte de carga, el reabastecimiento de propulsores y el acoplamiento rápido y totalmente autónomo. Una característica distintiva de TZ es su capacidad para transportar carga presurizada y carga no presurizada, repostar propulsores, impulsar la órbita de TG, apoyar experimentos espaciales específicos. La nave espacial consta de dos módulos: una cabina de carga para transportar carga presurizada, una cabina de propulsión con electrónica de aviación y función de propulsión. Tiene unos 10,6 m de largo (incluyendo los propulsores de maniobra en un extremo) y 3,35 m de diámetro. La masa total de la nave espacial de carga es de 7 t con una carga útil total máxima de 6,5 t. La carga presurizada cargada en la cabina de carga incluye ropa, alimentos, agua y equipo experimental para los astronautas. El propulsor para la maniobra de reimpulso y el reabastecimiento de combustible se carga en la cabina de propulsión. Altitud orbital objetivo de TZ: 380 ~ 420 km, ángulo de inclinación de la órbita: 41 ~ 42 grados (órbita circular). Puede permanecer en el TG aproximadamente 365 días como máximo. Todos los suministros se descargaron antes del viaje de regreso, y el TZ se cargó completamente con varios desechos generados por la estación espacial. Tanto el TZ como hasta 6 toneladas de residuos se pueden quemar durante la reentrada atmosférica. Los subsistemas básicos de TZ incluyen el subsistema de soporte y sellado estructural, el subsistema de control de actitud y órbita, el subsistema de gestión y transmisión de información, el subsistema de energía, el subsistema de control del entorno tripulado, el subsistema de gestión térmica, el subsistema de encuentro y acoplamiento, el subsistema de acoplamiento al cuerpo combinado, el subsistema de reabastecimiento de propulsores orbitales, el subsistema de transporte de carga, que se demuestran a continuación en detalle.
- Subsistema de soporte y sellado estructural:
La cabina de carga está diseñada como una estructura de panel de pared integral de bajo escape y larga duración. La cabina de carga consta de tres secciones: cono delantero, sección de columna y cono trasero. El cuerpo de la cabina de carga y la estructura del estante de carga están integrados en el diseño, solo un peso relativamente pequeño. La estructura del estante está compuesta por paneles de panal de aluminio de alta resistencia y peso ligero, los enlaces débiles utilizan refuerzos de vigas de fibra de carbono. Los estantes constituyen un total de 40 compartimentos de carga. La cabina de propulsión es una estructura cilíndrica de metal no sellada con un diámetro exterior de 2,8 m y una altura de 3,2 m.
- Subsistema de transporte y soporte de carga
Todos los diseños de TZ se centran en la tarea principal del transporte de carga. Se establece una interfaz electromecánica térmica estándar para las mercancías para mejorar la adaptabilidad. Para la carga ascendente, las naves de carga han diseñado métodos de carga estandarizados como estantes de carga estándar, compartimentos de carga, paquetes de carga estándar, etc., y proporcionan soporte energético, de información y de aislamiento térmico. Para el transporte de carga de baja temperatura, se diseñan dos refrigeradores espaciales para transportar una pequeña cantidad de carga especial con requisitos de almacenamiento de baja temperatura. Para los viajes compartidos de equipos de prueba, TZ proporciona viajes compartidos confiables, asequibles y, lo más importante, compatibles para probar o poner pequeños satélites en órbita, con capacidad potencial para acomodar hasta el equivalente de 1U ~ 24U pequeños satélites.
- Subsistema de reabastecimiento de propulsores orbitales
La tecnología de reabastecimiento de propulsores orbitales podría prolongar la vida útil de la estación y reducir su costo. TZ y TG adoptan el método de reciclaje de gas de alta presión, que es el mismo que el de Progress y ISS. En comparación con los desconectores accionados por gas de alta presión de Progress, los desconectores accionados por motor paso a paso de TZ tienen un peso más ligero, menos enlaces de sellado y una fuerza de impacto de 0 N durante la inserción. Además, se desarrollan ocho tanques de diafragma metálico de 400L para TZ, que se dividen en dos módulos funcionales: propulsión y complemento.
- Subsistema de encuentro y acoplamiento
El encuentro y acoplamiento de la nave espacial de carga y la estación espacial es la base para la realización del reabastecimiento de carga y el reabastecimiento de propulsores, y es una de las funciones clave de la nave espacial de carga. TZ propuso una solución tecnológica de navegación y guiado autónomo de encuentro y acoplamiento rápido basada en datos de posicionamiento absoluto. El período de implementación de un encuentro y acoplamiento rápido totalmente autónomo se redujo a 6,5 horas. Diseñó esquemas de circunnavegación hacia adelante, hacia atrás y radial, que se pueden acoplar a diferentes puertos de acoplamiento de la estación espacial, mejorando la adaptabilidad de las misiones. El mecanismo de acoplamiento espacial de TZ está equipado con tres amortiguadores con capacidad de control activo, que ayudan a TZ a acoplarse a estaciones espaciales con varias configuraciones con una masa en el rango de 20 t ~ 180 t. Después del acoplamiento, el TZ podría realizar el control de actitud de TG, maniobras de evasión de escombros y reiniciar la órbita de la estación para superar los efectos de la resistencia atmosférica.
- Subsistema de control de actitud y órbita
Para la determinación de la actitud, los sensores de actitud de TZ incluyen giróscopo, sensor de tierra y sensor de estrellas. La actitud se estima de acuerdo con la velocidad angular de actitud medida por el giróscopo, y luego se corrige de acuerdo con los valores medidos del sensor de tierra y el sensor de estrellas. Para la configuración y el modo de uso del propulsor, el TZ navegó con cuatro motores principales (empuje de 490 Newton), más 32 motores más pequeños (25N, 120N, 150N) para el control de actitud, dieciséis de los cuales estaban ubicados cerca del cono delantero y el extremo de la cola para garantizar la maniobrabilidad del vehículo necesaria.
- Subsistema de gestión térmica
TZ tiene las características de una distribución desigual de las fuentes de calor, grandes cambios en cada etapa de vuelo y un gran rango de flujo de calor externo. Para reducir el peso y el costo, TZ no tiene un sistema de control de temperatura de bucle fluido. En cambio, se adoptan medidas pasivas como el aislamiento térmico, la conducción de calor y la radiación para equipos y áreas para lograr objetivos de control “precisos”. Se propone un método de control térmico que combina la ventilación forzada y la radiación secundaria para reemplazar el dispositivo de control térmico de bucle fluido convencional. Tres ventiladores están dispuestos en la parte inferior de la bola trasera para la ventilación forzada.
- Subsistema de control ambiental tripulado
Las naves espaciales de carga no tienen que utilizar sistemas complejos de control ambiental y soporte vital como las aeronaves tripuladas, pero todavía existe la necesidad de garantizar la seguridad ambiental durante la entrada de los astronautas en las cabinas de carga. El diseño integrado del control ambiental tripulado y la estación espacial simplifica la configuración del sistema propio de TZ, que incluye las funciones de monitoreo ambiental, control de ruido y detección de COVID19.
- Subsistema de suministro y distribución de energía y potencia
El sistema de suministro de energía fotovoltaica utiliza un paquete de baterías de litio-ala solar, el voltaje del bus es estable a 100 V. Para el sistema de energía, se seleccionaron tres grupos de baterías de iones de litio de 60Ah como baterías de almacenamiento de energía. Para el sistema de distribución, se propone un esquema de diseño de distribución directa de alto voltaje para naves espaciales, que transmite el voltaje de bus de 100 V directamente al extremo de la carga. Para el suministro de energía interconectado, después del atraque, el sistema de energía de TZ y TG forma una red unificada.
- Subsistema de gestión y transmisión de información
La comunicación de telemetría, seguimiento y comando (TT & C) depende principalmente de los sistemas espaciales, como el sistema de satélite de retransmisión de datos y el sistema de satélite de navegación “BeiDou”. Algunos períodos de vuelo clave están respaldados por estaciones de comunicación terrestres.
Después, el autor inició el desarrollo de TZ, que transporta suministros a TG y elimina los residuos de TG, para apoyar la construcción y operación de las estaciones espaciales chinas. El diseño conceptual de TZ se inició en 2010 y el diseño preliminar se inició a finales de 2011. El vuelo nº 1 está programado para lanzarse después de que el laboratorio espacial Tiangong II entre en órbita en 2017. El 29 de mayo de 2021, TZ-2 llevó a cabo la primera misión de vuelo de la etapa de la estación espacial. El 20 de septiembre de 2021, TZ-3 comenzó la tarea rutinaria de transporte de carga. En la etapa de la estación espacial, se lanzarán dos TZ cada año. En la primera etapa del diseño de TZ, formulamos tres configuraciones: TZ totalmente cerrado, TZ semi cerrado y TZ totalmente abierto, como se muestra en la figura. 22 para investigar el reemplazo del módulo en función del tipo de suministros que se transportan. TZ semicerrado y TZ totalmente abierto se utilizan principalmente para transportar carga no presurizada de gran tamaño, como alas solares, pequeños satélites, plataformas de prueba de exposición espacial. Debido a que TG ahora no tiene grandes necesidades de transporte de carga no presurizada, TZ semicerrado completó el desarrollo inicial, TZ totalmente abierto solo completó el diseño conceptual. En la actualidad, todas las misiones son TZ totalmente cerradas. También se presentan las líneas de tiempo detalladas de las misiones de vuelo para TZ-1, TZ-2 y TZ-3.
- TZ-1
Las naves espaciales de carga TZ-1 despegaron el 20 de abril de 2017. TZ-1 implementó el primer suplemento de propulsores en órbita de China, sentando las bases para el montaje, la construcción y la operación de la estación espacial. Además, llevó a cabo tres pruebas de suplemento de propulsores en órbita. El 22 de septiembre, el meteorito controlado cayó en el Pacífico Sur a las 17:59.
- TZ-2
TZ-2 se lanzó a las 20:55:29 del 29 de mayo de 2021 y se acopló a la cabina central de TG a las 5:01 del 30 de mayo de 2021. Esta fue la primera vez que la nave espacial de carga Tianzhou adopta el encuentro y acoplamiento rápido totalmente autónomo.
- TZ-3
TZ-3 se lanzó a las 15:10:11 del 20 de septiembre de 2021 y se acopló a la cabina central de la estación espacial a las 22:07 del 20 de septiembre. El 17 de octubre, los astronautas que llegaron a la estación espacial mediante SZ-13 abrieron la cabina de carga y comenzaron a transportar carga a la estación espacial. Antes de que SZ-13 regrese a la Tierra, TZ-2, TZ-3 y SZ-13 continuarán acoplándose a la cabina central de la estación espacial al mismo tiempo.
Luego, el autor presentó la comparación de los vehículos de carga de la estación espacial. En la actualidad, el transbordador espacial estadounidense se ha retirado. El ATV europeo también abandona el servicio activo después de completar cinco misiones de carga. El transporte de carga actual de la Estación Espacial Internacional se basa principalmente en las naves espaciales de carga ‘Progress’, ‘HTV’, ‘Dragon’, ‘Cygnus’. La comparación detallada entre los índices de rendimiento clave, incluida la longitud, la masa seca, la masa de lanzamiento, la masa de carga útil, la relación de carga útil, el volumen de carga útil, etc., se registró en la siguiente tabla.
Finalmente, el autor discutió las tendencias futuras de las naves espaciales de carga. Como el único sistema actual de transporte de carga espacial de China, la misión principal de TZ sigue siendo servir a los proyectos espaciales tripulados de China. TZ puede satisfacer los requisitos de la tarea actual. Sin embargo, en línea con la tendencia de desarrollo de las naves espaciales de carga, estas mejoras se han incluido en la agenda para desarrollar el espectro y ampliar la función de la tarea.
1) La arquitectura de información informática comercial se utiliza para reducir la demanda de energía y cancelar la expansión del ala solar para desarrollar naves espaciales de carga de bajo costo [57];
2) En base a las tres cabinas de carga actuales, se diseñan una cabina de carga de gran capacidad y una cabina de carga reutilizable.
3) La cabina de propulsión se desarrolla en el módulo de servicio con diferentes funciones como cabina de propulsión corta (reduciendo el número de tanques), cabina de propulsión de alta precisión de control y cabina de propulsión de carga abierta (carga de antena grande, carga de cabina grande, lanzamiento de satélite);
4) Simplifique el mecanismo de acoplamiento, reduzca el tipo y el número de sensores de encuentro y acoplamiento, expanda el diámetro de la escotilla y prepárese para la transferencia general del bastidor de carga estándar internacional (ISPR).
5) Proporcionar el potencial para una plataforma robusta, gratuita y repetitiva para viajes compartidos globales, como viajes compartidos de pequeños satélites y dispositivos de prueba científica.
