货运飞船将开创人类太空长期驻留时代。
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刚刚，中国首艘货运飞船天舟一号在海南文昌航天发射场发射升空。
空间站是人类探索太空的最佳平台，为了这个人类的太空梦，中国已经做了大量的准备：长征五号首飞成功，保证了强大的运载能力；天宫二号与神州十一号交互对接成功，实现了航天员长达33天的太空驻留；而今天发射成功的天舟一号，作为我国首个货运飞船，将进行货物运输和空间科学实验的任务。
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“快递小哥”天舟一号
天舟一号，身长10.6米，体宽3.35米，体量和天宫一号、天宫二号相当，但肚大能容，运载能力十分强大，起飞质量约13吨，物资运输能力约6吨，是目前我国体积最大、重量最重的航天器。
考验货运飞船的运载能力，有一个重要指标叫“载货比”，即运载货物的质量，与货运飞船船体本身的质量之比。天舟一号的载货比高达0.48，比日本、欧洲的现役货运飞船都要高。
天舟系列货运飞船是面向我国空间站建造和运营物资运输补给任务而全新研制的航天器产品。因为它“只运货、不送人”，还被一些媒体形象地称为“快递小哥”。
这位“快递小哥”上天后，任务很重大。它将在太空展开近半年的飞行任务，并与天宫二号进行3次交会对接和3次在轨补加，为航天员送吃的、用的，给航天器送推进剂，而这些任务都是为了进一步验证中国空间站的技术需求。未来，我国要建造长期有人照料的空间站，这就需要给航天员运送所需的生活、工作物资、空间站轨道控制正常运转所需的推进剂。
天舟一号将对天宫二号进行“太空加油”
给航天器送推进剂也被称为“太空加油”，一个航天器的寿命长短与推进剂紧密相关，许多情况下，航天器都是因为推进剂消耗殆尽才结束使命，而并非是设备本身的损耗。本次任务中，天舟一号将与天宫二号实施我国首次推进剂在轨补加，并计划开展多次推进剂补加试验，突破和掌握推进剂补加技术，为我国空间站组装建造和长期运营解决能源供给问题。
在3次交会对接中，尤为引人关注的是天舟一号将开展自主快速交会对接试验，即把交会对接的时间控制在几个小时内。快速交会对接的实现，有利于提高飞行器在轨飞行的可靠性，减少交会对接过程中包括轨道控制等在内的产生的资源消耗。同时，“快速”也可以在更大程度上地保障飞行器，方便未来空间站突发事件的应急处理。
国际宇航联空间运输委员会秘书长、中国航天科工集团公司二院二部研究员杨宇光说：“货运飞船将开创人类太空长期驻留时代。”
这也正是天舟一号的使命。
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神助力的长征七号
本次天舟一号货运飞船发射任务，是长征七号运载火箭继2016年6月首次试验性飞行后的第一次“实战”，而且首次挑战“零窗口”发射。
航天人口中所说的“零窗口”，意为发射窗口不是一个时间范围，而是一个确定的时间点，这是由于天舟一号飞船要和天宫二号空间实验室实现交会对接，对发射精度要求很高。
天舟一号的神助手——长征七号火箭，体重在600吨左右，其中90%都是液体燃料的重量。火箭飞行的过程，是逐渐消耗自身燃料的过程，也是不断“瘦身”的过程。长征七号是一型两级火箭，“装备”齐全，箭体周围捆绑着四个助推器、头顶的位置就是包裹航天器的火箭整流罩。在飞行过程中，一级火箭、二级火箭以及四个助推器就像是六个巨型的燃料箱，装满燃料为火箭提供强大的动力。
火箭的飞行过程也是它不断抛弃“装备”的过程，当四枚助推器全力运转到燃料用尽后，它们会像天女散花一样首先分离。接下来，火箭的飞行推力将只由火箭主体来提供。在经历了全新的一二级箭体分离过程后，长征七号继续奔向太空，就到了大气层之外。这时，位于火箭头顶部位的整流罩，也结束了它的使命。
至此，火箭飞行的所有任务，都集中在了最后的火箭的二级，它帮助天舟一号货运飞船进入高度约380公里的运行轨道，之后天舟一号将与在轨运行的天宫二号空间实验室进行自动交会对接。
火箭的部段进入太空后，它携带的剩余燃料和气体如果不好好处理，就可能爆炸，形成威胁航天安全的太空垃圾，所以长征七号特别设计的一套程序，不仅把燃料和气体卸除，而且要让残骸脱离轨道。这充分显示了，长征七号是一个有力量，有智慧，有责任感的火箭。
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空间实验
天舟一号虽然是货运飞船，但宝贵的空间实验机会不容浪费。
探讨太空生育——迈出了太空移居一小步
人类进行太空探索和研究的最终目的是为了能够移居太空，而人类走向太空生活的重要条件之一，便是人类能够在太空中生活并繁衍后代。但太空的特殊时空环境，完全不适于人类生存。已有研究证明，在失重的外太空环境中，生命体的生殖系统发生了一系列变化：植物开花不结果，生殖期延长；微生物中，酵母、芽孢杆菌等形态结构、细胞分化都发生了变化。
研究微重力对人类生殖功能的影响，特别是对干细胞的分化和生殖细胞成熟机制的影响显得尤为重要。太空医学或航天医学面临着庄严和神圣的任务和严峻的挑战。本次天舟一号上搭载的实验之一，清华大学纪家葵团队负责的“太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞”实验，意义正在于此。
首先，在微重力环境下，男女生殖系统有哪些变化？
要知道，选拔宇航员的条件之一，就是已经生育。多项研究表明，失重环境可使男性睾丸的生理结构产生明显的变化，以致造成明显的病理性损伤，这严重影响了男性生殖功能。失重状态下，精子数量大量减少，活动率降低，影响正常生育功能。
其次，太空微重力下，人类生殖健康研究尚处于初级阶段。
有关空间微重力对人体生殖能力影响的研究尚处于初级阶段，研究结果尚不多，现有的结果主要是通过短期检测航天员生殖激素水平和生殖器官变化，从宏观上间接分析太空微重力对人类生殖健康的影响。
此次发射的天舟一号上所进行的实验是太空微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞为生殖细胞。因为天舟一号不再返回地面，所以实验主要是根据所传输回地面的实时显微成像结果，观察各诱导体系内报告基因表达情况和细胞形态，与地面对照组比较，分析各类生殖细胞诱导效率和形态特征。
这项研究将建立体外分化体系研究人生殖细胞发育,克服太空生殖研究中人体生殖细胞取样困难的局限，对理解太空生活对人类生殖的影响、改善太空生育能力、实现空间移民和太空生育后代具备重大意义。
到目前为止，此次实验尚属首例，国际上还未报道在微重力下将人干细胞分化为生殖细胞。这是微重力环境下定向分化人类胚胎干细胞研究的一大步，也是人类太空移民的一小步。
空间的冷凝与蒸发
空间蒸发与冷凝科学实验，负责人是中国科学院力学研究所刘秋生研究员。参与研究的除了中国科学院力学所，还有中山大学、中国科学院空间应用中心和东南大学。这是我国首次空间冷凝与蒸发相变传热科学与热控技术实验研究，也是我国首次在一个空间实验装置中开展2种以上科学与技术实验的多目标流体物理空间实验。
实验有两个目的，在科学上，可望能够探究空间蒸发与冷凝相变传热特殊规律；在技术上，可望验证本次实验中采用的空间两相回路热控与实验流体管理等关键实验技术。
目前，欧洲科学家已经表示希望与我们在该项目上开展科学合作。
空间引力实验的关键载荷—自主研发的星载静电悬浮加速度计
华中科技大学引力中心承担了“非牛顿引力实验检验的关键技术验证”项目，“非牛顿引力实验检验”拟利用微重力环境检验微米作用距离下物体之间的引力是否仍然满足牛顿万有引力定律，这是一个纯基础物理实验。需要注意的是，实验的技术基础是静电悬浮加速度计，相对于传统弹簧连接式加速度计而言，技术难度大，目前也仅有法国等几个极少数国家掌握了其全部技术，对我们国家仍是严密封锁的，这对于我国是极大的挑战。
非牛顿引力实验检验装置探头盒和电控盒
本次飞行实验将进一步为空间站开展“非牛顿引力实验检验”、“空间等效原理实验检验”以及“空间引力波探测”等实验检验奠定基础。
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黑科技
在生活中，我们手里拿着一杯满满的水，走动时水就会洒；我们手里拿着相机，如果发生抖动，照片就会模糊。而航天器上，虽然处于微重力环境，但是由于星上、船上的姿轨控、风机、飞轮、帆板的动作，仍然会带来很多扰动。
科学实验如果不能克服这些微扰动，就达不到理想的微重力效果，失去了上天实验的意义。所以，一定要隔离振动，才能给实验创造更好的条件。为此，中国科学院空间应用工程与技术中心组建了平均年龄在35岁以下的团队，负责研发主动隔振技术。该项目经过了从科学论证到技术攻关、从实验室技术到高可靠产品的历程，可以说是“十年磨一剑”。
项目团队成员合影
前排：董文博、周妍林、白晨红、
王婷、桑晓茹、康博齐、刘桂芝、元媛、高玉娥
后排：任国荣、于梦溪、刘伟、吕世猛、张永康、杨鹏、王安平、李宗峰
这项技术属于国内首次实施，将使我国成为继美国和加拿大后第3个在轨采用主动隔振控制技术服务于空间微重力实验研究的国家。同时，也将极大支持和推动空间站高微重力实验平台的研制建设，取得的技术成果可以直接服务于未来我国空间站阶段的空间科学实验载荷。
主动隔振装置电控箱和主体
天舟一号的搭载只是主动隔振技术运用的“小目标”，长期目标是做强空间磁悬浮主动隔振的技术，为更多空间应用载荷服务，例如空间光学相机、激光通信等，助力我国达到更高的指标水平，实现更高的科学和技术成果。
可以预见，2024年，国际空间站退役，中国空间站将延续人类在近地空间常态化驻留的进程。到时，我们将看到天舟货运飞船忙碌的身影，为我们走向星辰大海提供后援。
出品：科普中国
制作：中国科学院空间应用工程与技术中心
清华大学纪家葵团队 中国科普博览
监制：中国科学院计算机网络信息中心
学术合作联系人：聂智洋（微信号：i87062760），添加时请注明：姓名+职称+单位
