國(guó)外貨運(yùn)飛船概 覽

Overview of Foreign Cargo Spacecraft

王霄 張蕊 郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

貨運(yùn)飛船是執(zhí)行向地球大氣層以外的宇宙空間運(yùn)送貨物等任務(wù)的航天器。貨運(yùn)飛船擁有較大的貨艙體積，可比載人飛船攜帶更多的貨物，主要用途是向地外空間定期補(bǔ)給食品、燃料、儀器設(shè)備等物資，協(xié)助提升空間站軌道等。貨運(yùn)飛船主要有一次性使用貨運(yùn)飛船和可重復(fù)使用貨運(yùn)飛船2種類(lèi)型。

蘇聯(lián)/俄羅斯在“聯(lián)盟”（Soyuz）載人飛船的基礎(chǔ)上發(fā)展出了“進(jìn)步”（Progress）系列貨運(yùn)飛船；美國(guó)的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）和軌道-ATK公司分別研發(fā)了“龍”（Dragon）和“天鵝座”（Cygnus）貨運(yùn)飛船；歐洲研發(fā)了5艘“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）；日本研發(fā)了“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV）。

目前，國(guó)際上現(xiàn)役的貨運(yùn)飛船包括俄羅斯的進(jìn)步 MS、日本的“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”、美國(guó)的“龍”和“天鵝座”。

截至2017年3月31日，全球共成功發(fā)射并入軌的貨運(yùn)航天器181個(gè)，分別為俄羅斯“進(jìn)步”系列飛船、歐洲的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”、日本的“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”、美國(guó)的“龍”和“天鵝座”飛船，它們完成了對(duì)禮炮號(hào)（Salyut）空間站、和平號(hào)（Mir）空間站和“國(guó)際空間站”（lSS）的貨物、人員補(bǔ)給以及軌道提升。

1 俄羅斯“進(jìn)步”飛船—貨運(yùn)飛船領(lǐng)域的“長(zhǎng)子”

概況

20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)和美國(guó)開(kāi)始發(fā)展體積大、壽命長(zhǎng)的空間站，起初兩國(guó)都是使用人貨混裝的載人飛船為空間站提供少量補(bǔ)給。隨著蘇聯(lián)空間站的不斷發(fā)展，蘇聯(lián)航天專(zhuān)家將“聯(lián)盟”載人飛船改裝，去掉了載人飛船上的座椅、環(huán)控生保系統(tǒng)與應(yīng)急救援等與載人有關(guān)的系統(tǒng)，成為“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船。

“進(jìn)步”飛船是俄羅斯不可重復(fù)使用的貨運(yùn)航天器。首艘“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船于1978年1月20日由“聯(lián)盟”火箭發(fā)射升空。此后，禮炮號(hào)空間站的研制方實(shí)驗(yàn)機(jī)械制造中央設(shè)計(jì)局（現(xiàn)俄羅斯科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)）又研制并發(fā)射了進(jìn)步 M和進(jìn)步M1等型號(hào)的“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船。

“進(jìn)步”飛船貨物艙構(gòu)造與“聯(lián)盟”軌道艙相似，負(fù)責(zé)運(yùn)送貨物和裝回垃圾，再入大氣層時(shí)隨飛船一起燒毀。補(bǔ)給艙裝有多個(gè)推進(jìn)劑貯箱，其中一部分貯箱裝有燃燒劑，另外一部分貯箱裝有氧化劑，有的還裝有1個(gè)水箱，燃燒劑和氧化劑通過(guò)對(duì)接環(huán)上的液體連接器轉(zhuǎn)移到空間站自身的推進(jìn)系統(tǒng)中。服務(wù)艙用于貨運(yùn)飛船與空間站的變軌對(duì)接、提高空間站的軌道高度。

從禮炮-6空間站時(shí)期開(kāi)始，“進(jìn)步”飛船就為蘇聯(lián)空間站運(yùn)送燃料和其他補(bǔ)給品，現(xiàn)在用于補(bǔ)給“國(guó)際空間站”，每年約有3～4艘“進(jìn)步”飛船飛往“國(guó)際空間站”。每艘飛船與“國(guó)際空間站”保持對(duì)接直到下一艘“進(jìn)步”或“聯(lián)盟”到來(lái)的前幾天，期間飛船被填滿廢物，之后解除對(duì)接、分離、離軌，再入大氣層中燒毀。2015年12月升級(jí)為進(jìn)步 MS型號(hào)繼續(xù)執(zhí)行“國(guó)際空間站”貨運(yùn)任務(wù)。“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船運(yùn)送貨物的成本為22000～25000美元/千克。

截至2017年3月31日，“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船共發(fā)射157艘，其中，進(jìn)步 M-12M、進(jìn)步 MS-04發(fā)射失敗，進(jìn)步 M-27M任務(wù)失敗。對(duì)接故障發(fā)生過(guò)10次，其中1次對(duì)接失?。ㄟM(jìn)步 M-33飛船與和平號(hào)空間站），其余9次故障中，有2次對(duì)接故障造成“進(jìn)步”飛船與和平號(hào)空間站碰撞。

主要性能指標(biāo)

“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船基于“聯(lián)盟”載人飛船設(shè)計(jì)，采用三艙設(shè)計(jì)，包括貨物艙、補(bǔ)給艙和服務(wù)艙。總質(zhì)量大約7t，有效載荷質(zhì)量2.3t以上。能夠獨(dú)立飛行30天，每年發(fā)射3～4次。

進(jìn)步 M是“進(jìn)步”原型飛船的改進(jìn)型，設(shè)計(jì)特點(diǎn)為：采用新的服務(wù)艙，改進(jìn)了飛行控制系統(tǒng)，并增大了運(yùn)輸能力。進(jìn)步 M有1幅太陽(yáng)電池翼，飛船可獨(dú)立飛行30天。飛船采用新型對(duì)接系統(tǒng)，即“遙控操作交會(huì)單元”，該系統(tǒng)可由空間站內(nèi)的航天員操作，控制飛向空間站的進(jìn)步 M飛船。

進(jìn)步 M1在進(jìn)步 M的基礎(chǔ)上特別為“國(guó)際空間站”進(jìn)行了改進(jìn)，增大了推進(jìn)劑攜帶量，將水箱移入貨物艙，將12個(gè)裝有氮和氧的貯箱放置在飛船外部。其他改進(jìn)方面包括采用數(shù)字飛控系統(tǒng)，用航向-MM（Kurs-MM）交會(huì)雷達(dá)系統(tǒng)取代之前的“航向”系統(tǒng)。除了向“國(guó)際空間站”運(yùn)送貨物和燃料，進(jìn)步 M1還作為空間拖船，將退役的和平號(hào)空間站拖入地球大氣層。

進(jìn)步 M-M在進(jìn)步 M1基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：①為新型載人飛船聯(lián)盟TMA-M更新系統(tǒng)進(jìn)行飛行試驗(yàn)；②進(jìn)一步改進(jìn)“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船的性能，提高運(yùn)輸能力。進(jìn)步 M-M裝有現(xiàn)代化的TsVM-101數(shù)字飛行控制系統(tǒng)，并應(yīng)用新的小型無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)。這些更新不僅使飛行控制系統(tǒng)更快、更有效地運(yùn)作，而且船上電子器件的總質(zhì)量減少了75kg。

與進(jìn)步 M-M飛船相比，現(xiàn)役的進(jìn)步 MS飛船的升級(jí)細(xì)節(jié)包括：將烏克蘭制造的帶有饋線天線的量子-V無(wú)線電通信系統(tǒng)更換為新的“統(tǒng)一指揮遙測(cè)系統(tǒng)”（EKTS），結(jié)束了俄羅斯依賴(lài)烏克蘭為其生產(chǎn)制造天線、饋線和通信電子產(chǎn)品的歷史。另一個(gè)通信升級(jí)是在交會(huì)期間與空間站建立了一個(gè)接近通信鏈路，以使相對(duì)導(dǎo)航作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)的額外來(lái)源。新飛船配備有GPS和GLONASS接收器，以確定準(zhǔn)確時(shí)間，進(jìn)行狀態(tài)向量的計(jì)算和定軌，使得機(jī)動(dòng)目標(biāo)更精確，甚至飛船本身都不用再依賴(lài)?yán)走_(dá)跟蹤，雷達(dá)跟蹤職能在通過(guò)地面站時(shí)進(jìn)行。飛船控制系統(tǒng)、機(jī)載軟件和通信系統(tǒng)上所做出的改進(jìn)使得從模擬到數(shù)字視頻傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)，從而在近旁操作過(guò)程中改進(jìn)視頻質(zhì)量。此外，現(xiàn)有的航向-A交會(huì)對(duì)接設(shè)備將升級(jí)為使用俄羅斯國(guó)產(chǎn)現(xiàn)代化電子元器件的航向-NA系統(tǒng)。

2 美國(guó)“龍”飛船—開(kāi)啟載人航天商業(yè)化新紀(jì)元

概況

與其他政府投資研制的民用貨運(yùn)飛船不同，美國(guó)的“龍”飛船是由太空探索技術(shù)公司研制并運(yùn)營(yíng)的商業(yè)軌道飛行器，有載貨型和載人型兩種構(gòu)型。載貨型“龍”飛船任務(wù)飛行方案多變并可作為重復(fù)使用航天器，裝有防熱罩和降落傘，任務(wù)結(jié)束后在洋面上濺落回收。

“龍”貨運(yùn)飛船是目前所有貨運(yùn)飛船中唯一可以運(yùn)回物品的，這是因?yàn)樵擄w船帶有熱防護(hù)罩，可在返回時(shí)耐受極高溫安全降落，而其他飛船只能在再入大氣時(shí)燒毀。

“龍”飛船參數(shù)

“龍”貨運(yùn)飛船任務(wù)執(zhí)行情況

2006年1月，美國(guó)航空航天局（NASA）啟動(dòng)“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）計(jì)劃，其直接目標(biāo)是在航天飛機(jī)退役后為“國(guó)際空間站”尋求備選貨物運(yùn)輸方案。同年，軌道-ATK公司和太空探索技術(shù)公司共同獲得“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”合同，分別在3次發(fā)射機(jī)會(huì)之內(nèi)演示驗(yàn)證“安塔瑞斯”（Antares）火箭/“天鵝座”飛船和獵鷹-9（Falcon-9）火箭/“龍”飛船進(jìn)入太空、執(zhí)行任務(wù)的能力。2008年12月，軌道-ATK公司和太空探索技術(shù)公司共同獲得NASA“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同。這兩家公司要在2012-2016年為“國(guó)際空間站”提供20次貨運(yùn)服務(wù)。

主要性能指標(biāo)

“龍”貨運(yùn)飛船干質(zhì)量4200kg，長(zhǎng)6.1m，最大直徑3.81m，運(yùn)送載荷最大質(zhì)量6000kg（但目前實(shí)際只載不到3000kg），返回載荷最大質(zhì)量3000kg?！褒垺憋w船的最大特點(diǎn)是可重復(fù)使用，其所有結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)均設(shè)計(jì)為能夠支持乘員運(yùn)輸，任務(wù)持續(xù)時(shí)間為1周至2年。該飛船主要由三部分組成：①頭錐，在上升階段起保護(hù)作用，內(nèi)裝對(duì)接機(jī)構(gòu)；②鈍角圓錐體彈道艙，一部分用于搭載乘員和/或加壓貨物，另一部分是服務(wù)艙，裝有電子設(shè)備、反作用控制系統(tǒng)、降落傘和其他支持設(shè)備；③非加壓段，用于存儲(chǔ)非加壓貨物，如軌道替換單元，并保障太陽(yáng)電池翼和散熱器的正常工作。

載貨型“龍”飛船裝備有1 8臺(tái)“天龍”（Draco）推力器，分為4組，其中2組各包含5臺(tái)推力器，另外2組各包含4臺(tái)推力器，每臺(tái)推力器可提供400N推力，用于在軌機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制和長(zhǎng)時(shí)間離軌點(diǎn)火，燃燒時(shí)間可變，使用四氧化二氮/甲肼作為推進(jìn)劑?！褒垺憋w船的反作用控制系統(tǒng)在所有軸上提供雙冗余，任意2臺(tái)推力器失靈都不會(huì)影響任務(wù)?！褒垺憋w船所用的防熱罩由NASA設(shè)計(jì)、太空探索技術(shù)公司制造，材料為PICA-X，是在NASA原酚碳熱燒蝕板（PICA）基礎(chǔ)上研制而成的高性能產(chǎn)品。PICA-X設(shè)計(jì)承受月球任務(wù)返回時(shí)的熱量，遠(yuǎn)超近地軌道返回再入的防熱要求。

“龍”貨運(yùn)飛船對(duì)接機(jī)構(gòu)為“國(guó)際空間站”通用停靠機(jī)構(gòu)（CBM），采用空間站機(jī)械臂捕獲方式，這種對(duì)接方式減少了航天器上對(duì)接系統(tǒng)的質(zhì)量、成本和復(fù)雜性，提高了對(duì)接安全性。未來(lái)需要時(shí)，可支持低沖擊對(duì)接系統(tǒng)和異體同構(gòu)周邊式對(duì)接系統(tǒng)（APAS）。交會(huì)對(duì)接敏感器采用名為“龍眼”（DragonEye）的激光成像與測(cè)距系統(tǒng)（LIDAR）。

“龍”貨運(yùn)飛船是首個(gè)從軌道返回地球的商業(yè)航天器，也是首個(gè)到訪“國(guó)際空間站”的商業(yè)航天器。2010年12月8日，獵鷹-9火箭把第一艘“龍”飛船成功送上太空，并在繞地球軌道2圈后安全降落。2012年5月，太空探索技術(shù)公司用獵鷹-9火箭成功發(fā)射“龍”飛船，并與“國(guó)際空間站”對(duì)接，率先完成“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”的首次演示驗(yàn)證任務(wù)。2016年4月9日，“龍”飛船成功執(zhí)行其第8次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)，即爆炸事故之后的復(fù)飛任務(wù)。

太空探索技術(shù)公司原計(jì)劃于2017年首次執(zhí)行載人航天任務(wù)，但由于2016年9月發(fā)射臺(tái)爆炸事故，該計(jì)劃被推遲到2018年，非載人演示發(fā)射仍按原計(jì)劃于2017年進(jìn)行。

“龍”貨運(yùn)飛船后續(xù)飛行計(jì)劃

3 美國(guó)“天鵝座”飛船

概況

“天鵝座”飛船是由美國(guó)軌道-ATK公司研制的貨運(yùn)飛船，用于“國(guó)際空間站”貨物補(bǔ)給。軌道-ATK公司與NASA的合作包括在“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”計(jì)劃下完成“國(guó)際空間站”驗(yàn)證飛行，以及依據(jù)“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同在2012-2016年利用“安塔瑞斯”火箭/“天鵝座”飛船向“國(guó)際空間站”運(yùn)送質(zhì)量達(dá)20t的貨物。原計(jì)劃發(fā)射8艘專(zhuān)用“天鵝座”飛船。

主要性能指標(biāo)

“天鵝座”飛船采用低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，繼承了軌道-ATK公司及其合作伙伴經(jīng)飛行驗(yàn)證的航天器技術(shù)?！疤禊Z座”飛船不具備返回能力，但類(lèi)似俄羅斯“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船，可裝載廢棄物再入大氣燒毀。

“天鵝座”飛船由通用服務(wù)艙和加壓貨艙組成。服務(wù)艙由軌道-ATK公司研制，繼承了該公司的LEOStar和GEOStar衛(wèi)星平臺(tái)的電子系統(tǒng)，以及GEOStar通信衛(wèi)星的推進(jìn)和電源系統(tǒng)。加壓貨艙由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制，基于“國(guó)際空間站”多功能后勤艙設(shè)計(jì)，可裝載日常物資、備用部件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等?！疤禊Z座”飛船標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型長(zhǎng)2.66m，直徑3.07m，干質(zhì)量1500kg，加壓容積18.9m3，載貨質(zhì)量2000kg（滿載）；增強(qiáng)構(gòu)型長(zhǎng)4.86m，干質(zhì)量1800kg，加壓容積26.2m3，載貨質(zhì)量3500kg（滿載）；兩種構(gòu)型返回時(shí)均可裝載1200kg廢物和站上不再需要的物品，再入大氣層燒毀。

針對(duì)交會(huì)過(guò)程中的近距導(dǎo)航，飛船裝備有“三角測(cè)量和激光雷達(dá)自動(dòng)交會(huì)與對(duì)接”（TriDAR）系統(tǒng)，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標(biāo)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件與目標(biāo)航天器的已知外形進(jìn)行對(duì)比，從而引導(dǎo)飛船飛向?qū)涌?。飛船由站上乘員使用站上機(jī)械臂捕獲，并裝有標(biāo)準(zhǔn)的通用?？繖C(jī)構(gòu)。

2013年9月18日，“天鵝座”飛船首次驗(yàn)證飛行任務(wù)成功發(fā)射，9月29日與空間站對(duì)接，10月22日脫離空間站并在再入大氣層過(guò)程中燒毀，圓滿結(jié)束此次驗(yàn)證任務(wù)。2014年1-2月，成功執(zhí)行首次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)，使軌道-ATK公司成為繼太空探索技術(shù)公司之后第二家向“國(guó)際空間站”發(fā)射常規(guī)貨運(yùn)飛船的商業(yè)公司。

4 歐洲“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”—太空大力神

概況

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”是歐洲航天局（ESA）研制的一次性使用貨運(yùn)飛船，它是歐洲有史以來(lái)研制的最大航天器。貨物運(yùn)載能力可達(dá)7t，是迄今運(yùn)載能力最大的貨運(yùn)飛船。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”飛抵“國(guó)際空間站”并完成對(duì)接共需3天，也可在停泊軌道上停留8周后與“國(guó)際空間站”對(duì)接。“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”在“國(guó)際空間站”?？繒r(shí)間達(dá)6個(gè)月，期間可為“國(guó)際空間站”提升軌道高度，進(jìn)行姿態(tài)控制和空間碎片規(guī)避機(jī)動(dòng)?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”停靠在“國(guó)際空間站”期間，航天員能把其加壓艙作為實(shí)驗(yàn)區(qū)使用。飛船離軌時(shí)帶走空間站的廢棄物，再入大氣層燒毀。航天飛機(jī)退役后，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”成為“國(guó)際空間站”貨運(yùn)能力最大的航天器。由于未來(lái)可能發(fā)展成為載人航天器，因此，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”在設(shè)計(jì)時(shí)要求具有高性能，并滿足嚴(yán)格的安全性要求。飛行控制的全自動(dòng)操作、高度自主性以及嚴(yán)格的飛行安全性是“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的主要特點(diǎn)。截至目前，歐洲已成功發(fā)射5艘“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”。

主要性能指標(biāo)

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”為帶有前、后錐段的圓柱體，長(zhǎng)約10.3m、直徑約4.5m，質(zhì)量約10t，載貨能力約7t。采用模塊化設(shè)計(jì)，包括貨運(yùn)艙段和服務(wù)艙段。

貨運(yùn)艙段位于“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”前部，由俄羅斯對(duì)接系統(tǒng)、加壓艙和外艙組成。用于向“國(guó)際空間站”運(yùn)送全部再供給有效載荷，其最大承載量為6.6t，可與“國(guó)際空間站”直接對(duì)接。貨運(yùn)艙段外部安裝光學(xué)交會(huì)傳感器、星跟蹤器、測(cè)距器和S頻段天線等儀器。加壓艙符合NASA載人航天器規(guī)范要求，航天員可著便裝在貨物艙段內(nèi)工作。

服務(wù)艙段位于“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”尾部，為非加壓艙，裝有推進(jìn)、姿控、電源、通信和大部分電子設(shè)備?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”對(duì)接機(jī)構(gòu)采用俄羅斯的“桿-錐”式對(duì)接機(jī)構(gòu)，對(duì)接方式采用自動(dòng)控制交會(huì)對(duì)接方式，自主交會(huì)系統(tǒng)使用一系列敏感器進(jìn)行精確導(dǎo)航和精確對(duì)接。在交會(huì)飛行階段的遠(yuǎn)距離交會(huì)期間，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”應(yīng)用GPS導(dǎo)航方式；在最終逼近期間，應(yīng)用“視頻儀”，以及來(lái)自無(wú)線電測(cè)向儀的附加數(shù)據(jù)，與“國(guó)際空間站”的俄羅斯星辰號(hào)（Zvezda）服務(wù)艙對(duì)接?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”交會(huì)飛行自主導(dǎo)航系統(tǒng)可使飛行器在脫離地面控制的情況下，實(shí)現(xiàn)自主交會(huì)對(duì)接與解除對(duì)接后的分離。為增強(qiáng)交會(huì)對(duì)接操作穩(wěn)定性與靈活性，地面和“國(guó)際空間站”上的乘員可在必要時(shí)介入飛行控制。它共飛行了5次，現(xiàn)已退役。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)的貨物上行能力對(duì)比

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)執(zhí)行表

早在2012年，ESA就宣布有意在自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器-5任務(wù)后關(guān)閉“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”生產(chǎn)線。隨著“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系列接近尾聲，ESA不得不在建造第6艘或開(kāi)發(fā)新系統(tǒng)之間做出抉擇，最終選擇了面向未來(lái)的演進(jìn)。在完成為“國(guó)際空間站”補(bǔ)給的使命之后，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”將迎來(lái)第二次生命，它與眾不同的“X”形太陽(yáng)電池翼并不會(huì)從航天史上消失。2013年1月，ESA與NASA共同決定正式就“獵戶座”多用途乘員飛行器（MPCV）展開(kāi)合作研制，由ESA為NASA的“獵戶座”設(shè)計(jì)和建造服務(wù)艙，仍將是ESA對(duì)“國(guó)際空間站”合作伙伴關(guān)系的實(shí)物出資償付方式。ESA此舉是準(zhǔn)備迎接載人航天的新挑戰(zhàn)。這將是ESA與NASA在近地軌道以遠(yuǎn)乘員運(yùn)輸飛行器上的首次合作，不僅使歐洲航天工業(yè)可以繼續(xù)利用“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的技術(shù)，還能極大精簡(jiǎn)NASA的研發(fā)和生產(chǎn)成本。同時(shí)，這個(gè)項(xiàng)目將在歐洲創(chuàng)造大量高技術(shù)就業(yè)機(jī)會(huì)。

2017年，歐洲服務(wù)艙將參與完成“獵戶座”飛船與“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的首次組合飛行，即首次“探索任務(wù)”（EM-1），它是一次無(wú)人月球飛掠任務(wù)，飛船將以11km/s的最高再入速度返回地球大氣層。

“獵戶座”歐洲服務(wù)艙將全面沿用“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的主體設(shè)計(jì)和多年研制過(guò)程中獲取的專(zhuān)門(mén)技術(shù)，在乘員艙正下方，也有“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”標(biāo)志性的“X”形太陽(yáng)電池翼。歐洲服務(wù)艙將向乘員艙提供四方面主要系統(tǒng)功能：推進(jìn)、動(dòng)力、熱控和重要資源，如水和可呼吸的氧氣。所有這些基本功能和其他一些組件與“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”上所用的相同。歐洲服務(wù)艙還存放“獵戶座”軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制和高空上升中止所需的主發(fā)動(dòng)機(jī)、推力器和燃料。

5 日本“H-2轉(zhuǎn)移飛行器” —交會(huì)對(duì)接方式獨(dú)特

概況

“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”又名“鶴”，是日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）研制的一次性使用貨運(yùn)飛船，主承包商是三菱重工業(yè)公司，用于向“國(guó)際空間站”運(yùn)送貨物并攜帶空間站垃圾返回再入大氣層燒毀。與其他貨運(yùn)飛船相比，“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”還是目前唯一一種可向空間站運(yùn)送加壓與非加壓貨物的無(wú)人飛船，包括安裝在站外的外部實(shí)驗(yàn)和在軌更換裝置。

“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”主要完成3個(gè)目標(biāo)：①實(shí)現(xiàn)日本在“國(guó)際空間站”項(xiàng)目中的作用；②驗(yàn)證日本的空間工程技術(shù)；③積累研制載人航天飛行系統(tǒng)的技術(shù)。

“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”還有獨(dú)特的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，與空間站對(duì)接采用“?？俊狈绞?，即當(dāng)其與空間站接近到10m距離時(shí)，相對(duì)速度接近零，“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”不再被控制，而是呈自由飛行狀態(tài)，然后由空間站的機(jī)械臂將其捕獲，與空間站對(duì)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)接，此法比較安全。

截至2017年3月31日，已發(fā)射6艘“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”，6次任務(wù)全部成功。H-2轉(zhuǎn)移飛行器-1于2009年9月10日首次執(zhí)行“國(guó)際空間站”任務(wù)，驗(yàn)證了自動(dòng)和手動(dòng)控制飛行能力，并向“國(guó)際空間站”運(yùn)送了4.5t貨物補(bǔ)給。

主要性能指標(biāo)

“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”呈圓柱形結(jié)構(gòu)，由加壓后勤貨艙、非加壓后勤貨艙、電子設(shè)備艙和推進(jìn)艙4部分組成。長(zhǎng)10m、直徑4.4m、質(zhì)量16.5t，每次最多可向軌道運(yùn)送6t補(bǔ)給物資。貨物補(bǔ)給裝在加壓后勤貨艙以及非加壓后勤貨艙的暴露貨架中，“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”可根據(jù)貨運(yùn)任務(wù)需要選用加壓型或加壓/非加壓混合型貨艙結(jié)構(gòu)。

加壓后勤貨艙。內(nèi)有空氣調(diào)節(jié)管道和照明燈，實(shí)現(xiàn)與“國(guó)際空間站”其他加壓艙段相同的乘組活動(dòng)環(huán)境；安裝有“國(guó)際空間站”標(biāo)準(zhǔn)有效載荷機(jī)柜和飛船補(bǔ)給機(jī)柜，為“國(guó)際空間站”乘員提供所需的飲用水和衣物等。

非加壓后勤貨艙。內(nèi)裝暴露貨架，用于裝載非加壓有效載荷和“國(guó)際空間站”電池以及在軌更換裝置，承載能力1.4t。在“國(guó)際空間站”遙操作系統(tǒng)和飛船試驗(yàn)?zāi)K遙操作系統(tǒng)的控制下，通過(guò)手抓可以實(shí)現(xiàn)飛船與“國(guó)際空間站”的貨物轉(zhuǎn)移。

電子設(shè)備艙。內(nèi)裝導(dǎo)航和電子系統(tǒng)，包括制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制分系統(tǒng)部件，指令與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)以及通信分系統(tǒng)，用于進(jìn)行導(dǎo)航控制、通信和能源供給。電子設(shè)備艙表面安裝天線、敏感器等部件。飛船可以通過(guò)地面控制和自主控制兩種方式實(shí)現(xiàn)飛行控制。另外，電子設(shè)備艙負(fù)責(zé)給飛船的各個(gè)部分分配能源。

推進(jìn)艙。位于飛船尾部，主要安裝有推進(jìn)劑貯箱和發(fā)動(dòng)機(jī)，提供自主飛行時(shí)的軌控、姿控推力。4個(gè)貯箱利用氦氣給主發(fā)動(dòng)機(jī)和反作用控制系統(tǒng)推力器加注燃料。推進(jìn)分系統(tǒng)采用高效的混合推進(jìn)系統(tǒng)（NTO/MMH），可提供飛船全部飛行階段所需的各種功能和沖量。

2015年，日本文部科學(xué)省還公布了未來(lái)“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”的改進(jìn)方案，將改進(jìn)型飛船命名為H-2轉(zhuǎn)移飛行器-X（HTV-X）。新型飛船將在保持現(xiàn)有運(yùn)力的基礎(chǔ)上大幅減輕飛船質(zhì)量，將推進(jìn)艙和電子設(shè)備艙合并為服務(wù)艙，將貼在機(jī)身上的太陽(yáng)能電池片改為太陽(yáng)能電池翼，并將制造費(fèi)用從目前的200億日元（約合1.66億美元）減少至100億日元（約合0.83億美元）左右。這種改進(jìn)型“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”有望應(yīng)用于日本發(fā)往“國(guó)際空間站”的最后一艘飛船，未來(lái)還可能替換其貨運(yùn)部分用于月球探測(cè)等任務(wù)。

6 結(jié)語(yǔ)

在當(dāng)今世界主要航天國(guó)家的航天活動(dòng)中，幾種貨運(yùn)飛船爭(zhēng)奇斗艷，它們的作用也絕非僅僅是“運(yùn)貨”這么簡(jiǎn)單。目前，“國(guó)際空間站”已經(jīng)明確要延壽至2024年，未來(lái)各國(guó)貨運(yùn)飛船還將繼續(xù)承擔(dān)重任，大顯身手。值得注意的是，新興的商業(yè)航天公司以其嶄新的運(yùn)行模式、設(shè)計(jì)理念、技術(shù)路線讓人耳目一新，也必將成為載人航天領(lǐng)域的主力軍。