建设空间站，需要不断为在轨的航天员输送生活、工作物资和空间站转运所需的推进剂。由此，载人航天工程的又一个大系统——货运飞船系统诞生了。按照工程总体要求，货运飞船要进行“型谱化”设计。所谓“型谱化”，并不是将已有的不同规格的同类产品简单罗列组合，或是改进现有产品的特性、功能，而是以最少数目的不同规格产品为标志的、能满足较长时间及一定范围内全部使用要求的产品系列。
神舟十一号飞船安全着陆
神舟十一号航天员景海鹏（左）、陈冬（右）归来
20世纪中后期，部分发达国家就开始了航天通用产品型谱化的研制和应用。“联盟号”系列飞船自1966年首次设计以来，经过数次升级换代，衍生出货运飞船等多种适应不同任务需求的型谱，是型谱化应用的典范。
尽管从神舟一号到神舟十一号，设计师们用连战连捷的成绩打造了安全、可靠、稳定的载人飞船，但“神舟”系列飞船的设计理念还不能称为“型谱化”。真正迈出载人航天器型谱化设计第一步的是货运飞船。针对运输货物的不同类型和需求，为取“天地之舟”之意，被命名为“天舟”的系列飞船设计了“全密封”、“半开放”和“全开放”三种型谱。
中国空间技术研究院的卫星专家白明生被任命为货运飞船的总设计师。从拿到研制任务书的那一刻开始，他和各个部门像一部机器里的零部件似的，相互配合着开始了高效而有序的运转，从系统方案、飞行方案到技术状态、大型试验、技术流程，再到可靠性安全性、货物装载方案，并行完成了全密封、半开放两种构型货船的详细设计方案。在完成初样力学、热学、电磁兼容性、大系统联式等大型试验后，他们开始了紧张的双线作战，一部分人员奔赴文昌进行全密封构型船的合练，另一部分人留在北京开展半密封构型船的研制试验。
2011年1月27日，货运飞船的立项论证工作结束，货运飞船被命名为“天舟”。经过比较，我国的首艘货运飞船采用的是全密封的型谱状态，由结构与机构、制导、导航与控制、测控与通信、数管、电源、仪表与照明、推进、对接机构、热控、环控、货运保障、空间技术试验和总体电路13个分系统组成。进入正样研制后，白明生和研制团队再次兵分两路，一方面将初样船改造成综合验证平台，进行飞船和载荷可靠性增长测试验证，一方面投入正样船的研制……
在天舟一号任务中，在轨推进剂补加是关键，从技术要求到实施方案，从通信协议到系统级验证，从试验的策划到覆盖性的检查，白明生倾注了大量心血，他提出的推进与补加融合/隔离功能方案，实现了飞行器间燃料的共用和分配；组合体补加自主故障诊断与处置功能方案，最大限度地保证了飞船的安全；组合体补加程序涵盖了正常和故障的各种情况，让飞船在轨可能出现的全部情况都在预案的掌握之中。由于货运飞船装载的货物多，带来了舱内货物状态变化，针对交会对接要适应质心位置大范围变化这一特点，白明生从布局控制和姿态控制能力联合攻关，通过优化设计平台飞行模式，使得货运飞船发射窗口的适应能力更加宽泛，两个发射周期的间隔进一步缩短，做到了发射周期内每天都有窗口时间，极大地提升了货运飞船对发射和货物运输任务需求的适应性。同时，白明生还为飞船设计了一条更节省燃料、对接适应能力更强的轨道。这条轨道不同于以往的载人飞船，可以根据“天宫”的飞行轨道灵活调整飞船自身的轨道控制策略，适应各种条件下的交会对接。
天舟一号货运飞船组合体垂直转运
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