□ 邢強(qiáng)

貨運(yùn)飛船家族大掃描

□ 邢強(qiáng)

2017年4月20日，中國(guó)第一艘貨運(yùn)飛船“天舟一號(hào)”發(fā)射升空，并將開(kāi)展一系列試驗(yàn)。未來(lái)，“天舟”貨運(yùn)飛船將承擔(dān)起為中國(guó)空間站運(yùn)送貨物、在軌補(bǔ)加燃料的使命。

貨運(yùn)飛船作為載人航天工程中的一環(huán)，承擔(dān)著重要的職責(zé)和使命。在中國(guó)“天舟一號(hào)”升空之際，回顧目前世界上幾種主要貨運(yùn)飛船的發(fā)展歷程，了解其技術(shù)特點(diǎn)，分享其成功經(jīng)驗(yàn)，對(duì)中國(guó)貨運(yùn)飛船的發(fā)展或許能提供某些有益的借鑒。

“進(jìn)步”號(hào)蘇聯(lián)留給全人類的太空貨船

作為一款發(fā)展最早、技術(shù)上最為成熟、改進(jìn)型號(hào)最多、親眼見(jiàn)證了“禮炮”6號(hào)、“禮炮”7號(hào)、“和平”號(hào)和國(guó)際空間站等大型航天器的成長(zhǎng)歷程的飛船，進(jìn)步號(hào)是值得我們送上祝福的。

總體設(shè)計(jì)

“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船的發(fā)展源自蘇聯(lián)的“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船項(xiàng)目?！奥?lián)盟”號(hào)飛船是技術(shù)比較成熟、運(yùn)營(yíng)情況比較靠譜的一款載人飛船。早期的事故讓設(shè)計(jì)師和工程師對(duì)飛船的安全與可靠方面的性能更為用心。隨著蘇聯(lián)與俄羅斯大量太空探索項(xiàng)目的遍地開(kāi)花，“聯(lián)盟”號(hào)飛船也逐漸成長(zhǎng)為一個(gè)龐大的譜系。

空間站的發(fā)展，離不開(kāi)能夠?yàn)榭臻g站補(bǔ)充燃料、食物和飲用水以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的太空貨船。如果把載人飛船的生命保障系統(tǒng)拿掉，把用于安全返回地面的系統(tǒng)也剔除的話，會(huì)節(jié)省出大量重量和空間，為運(yùn)貨提供方便。由此，蘇聯(lián)無(wú)人貨運(yùn)飛船的發(fā)展計(jì)劃開(kāi)始實(shí)施，并隨著蘇聯(lián)空間站項(xiàng)目的發(fā)展而穩(wěn)步推進(jìn)。系出“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船同門(mén)的“進(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船，自然也是聯(lián)盟譜系中的一員?！斑M(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船是由“聯(lián)盟”7K-OK的這一支脈發(fā)展而來(lái)的。而后來(lái)的“進(jìn)步”M無(wú)人貨運(yùn)飛船則與“聯(lián)盟”T載人飛船的技術(shù)有很大關(guān)聯(lián)。

一枚“聯(lián)盟”火箭正在發(fā)射“進(jìn)步”M-11貨運(yùn)飛船

“進(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船采用經(jīng)典3艙布局，從頭到尾，依次為加壓貨艙、燃料艙和推進(jìn)器艙。

早期的“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船，發(fā)射質(zhì)量在7.021噸至7.249噸之間（由具體的載貨情況決定），最大載貨質(zhì)量為2.3噸（“進(jìn)步”1號(hào)到“進(jìn)步”23號(hào)）或2.5噸（“進(jìn)步”24號(hào)到“進(jìn)步”42號(hào)）。

1978年1月20日，第一艘“進(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船搭乘R-7系列運(yùn)載火箭發(fā)射升空。這款火箭后來(lái)更廣為人知的名字是“聯(lián)盟”火箭?！斑M(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船與“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船使用同樣的火箭發(fā)射。

“進(jìn)步”號(hào)飛船長(zhǎng)7.94米（同時(shí)代的“聯(lián)盟”飛船長(zhǎng)7.4米），比“聯(lián)盟”飛船稍長(zhǎng)，這也是外觀上兩種飛船的一種區(qū)別：“進(jìn)步”號(hào)更為苗條一些。兩種飛船的核心艙段的直徑都是2.2米。不過(guò)，到后來(lái)的“進(jìn)步”MS飛船的時(shí)候，“進(jìn)步”的長(zhǎng)度減小到了7.23米，比起很長(zhǎng)一段時(shí)期都維持在7.48米的“聯(lián)盟”飛船來(lái)說(shuō)，短了一些。

“進(jìn)步”號(hào)飛船的推進(jìn)系統(tǒng)采用偏二甲肼/四氧化二氮液體燃料體系。其主發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室壓力為0.88MPa，擁有2.95千牛的推力。其軌道控制發(fā)動(dòng)機(jī)可在太空中工作890秒。

進(jìn)步M-52貨運(yùn)飛船

不斷進(jìn)步

如果不持續(xù)進(jìn)行改進(jìn)，不能讓性能持續(xù)進(jìn)步的話，那就實(shí)在對(duì)不住“進(jìn)步”這個(gè)名字了。而實(shí)際上，“進(jìn)步”號(hào)飛船的改進(jìn)的確是持續(xù)不斷的。

在基本型“進(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船發(fā)射了42艘之后，時(shí)間來(lái)到了1990 年5月份。隨著“和平”號(hào)空間站的逐步壯大，它對(duì)貨運(yùn)飛船的要求也就越來(lái)越高?！斑M(jìn)步”M飛船的改進(jìn)計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。

“進(jìn)步”M飛船的貨艙容積為7.6立方米（基本款“進(jìn)步”號(hào)為6.6立方米），擁有2.6噸的上行貨運(yùn)能力（基本款“進(jìn)步”號(hào)為2.5噸）。而制導(dǎo)控制系統(tǒng)的升級(jí)更是極大地增強(qiáng)了“進(jìn)步”號(hào)飛船的在軌飛行能力：由原來(lái)的自主飛行3天的能力躍升為自主飛行30天。

就在“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船得到升級(jí)，準(zhǔn)備大力推進(jìn)蘇聯(lián)太空探索事業(yè)發(fā)展的時(shí)候，紅色帝國(guó)轟然倒塌，空留“和平”號(hào)空間站與“進(jìn)步”號(hào)飛船在太空中孤零零地漂浮。不過(guò)，“進(jìn)步”M飛船還是堅(jiān)強(qiáng)的，它繼續(xù)為“和平”號(hào)空間站服務(wù)。

“進(jìn)步”M飛船一共為“和平”號(hào)空間站運(yùn)送了43次物資?？梢哉f(shuō)，如果沒(méi)有“進(jìn)步”號(hào)飛船，“和平”號(hào)空間站是很難在軌維持正常運(yùn)營(yíng)的。蘇聯(lián)不在了，不過(guò)蘇聯(lián)留下來(lái)的這款小飛船與已顯老態(tài)的“和平”號(hào)空間站依然在支撐著那些曾經(jīng)無(wú)比輝煌的太空夢(mèng)想。

“進(jìn)步”號(hào)系列無(wú)人貨運(yùn)飛船為“禮炮”6號(hào)、“禮炮”7號(hào)以及“和平”號(hào)空間站執(zhí)行了85次任務(wù)，全部發(fā)射成功，任務(wù)完成得不錯(cuò)，僅在1994年、1996年和1997年出現(xiàn)了3次對(duì)接問(wèn)題。

從2000年8月開(kāi)始，“進(jìn)步”號(hào)飛船開(kāi)始積極參與國(guó)際空間站的建設(shè)。世界標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2000年8月8日20點(diǎn)12分56秒，“進(jìn)步”M1-3貨運(yùn)飛船對(duì)接在“星辰”號(hào)上。星辰號(hào)是國(guó)際空間站的核心艙段，通常又被稱作國(guó)際空間站的俄羅斯艙。從這時(shí)起，“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船開(kāi)始獲得NASA的官方編號(hào)。為了向老前輩致敬，“進(jìn)步”號(hào)在NASA序列中保留了進(jìn)步這個(gè)名字。不過(guò)，編號(hào)有所變化?！斑M(jìn)步”M1-3貨運(yùn)飛船的NASA序列為“進(jìn)步”1號(hào)，之后的飛船編號(hào)，以此類推。

貨運(yùn)清單

“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船的貨艙內(nèi)，液體、固體貨物各自會(huì)有獨(dú)立的包裝，并且所有的貨物包裝都有防止亂跑的固定裝置，看上去，還是很有序的。以下為某次“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船執(zhí)行任務(wù)時(shí)的清單，我們可以由此來(lái)得知該飛船的貨運(yùn)能力和通常的貨運(yùn)內(nèi)容。

燃料艙有1175千克貨物：705千克空間站所需燃料；420千克水；28千克壓縮氧氣；22千克壓縮空氣。

加壓貨艙有1230千克貨物：318千克食品（另附餐巾紙、食物殘?jiān)占?73千克水處理設(shè)備；148千克公共衛(wèi)生用品（廁紙、固體排泄物袋子、垃圾袋、固液分離泵）；135千克個(gè)人衛(wèi)生用品（內(nèi)衣褲、藥品、手持空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀、清洗用品、急救包）；19千克溫度控制設(shè)備（另附空氣濾芯、替換的管路）；78千克電池設(shè)備；19千克氣罐；22千克導(dǎo)航控制設(shè)備備件；23千克維護(hù)工具套件。

31千克私人物品（便攜式播放器、電池、信封）；15千克科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備；5千克整理袋；83千克“曙光”號(hào)貨艙替換設(shè)備；39千克空間站熱交換器替換部件；22千克美國(guó)航天員貨物。

燃料艙1175千克貨物+加壓貨艙1230千克貨物=2405千克貨物。

“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船，展示了蘇聯(lián)太空探索技術(shù)的另外一面。在這里，對(duì)太空的向往不再是像N-1火箭那樣的近乎瘋狂，也不像“能源”火箭和“暴風(fēng)雪”號(hào)航天飛機(jī)那樣給人留下無(wú)限的唏噓與感慨。不再難以復(fù)制，也不再無(wú)法預(yù)知，“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船以她的157次發(fā)射和出色的任務(wù)表現(xiàn)把踏實(shí)肯干、低調(diào)靠譜的精神展示得淋漓盡致。

歐洲自動(dòng)運(yùn)載器貨運(yùn)飛船中的大個(gè)頭兒

說(shuō)起貨運(yùn)飛船，我們腦海中或許會(huì)爭(zhēng)先恐后地出現(xiàn)兩個(gè)型號(hào)：一個(gè)是代表著傳統(tǒng)飛船設(shè)計(jì)理念的“進(jìn)步”飛船，另一個(gè)則是在近幾年嶄露頭角吸睛無(wú)數(shù)的太空探索公司的“龍”飛船。而實(shí)際上，老歐洲也有著自己的貨運(yùn)飛船——“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”（ATV），而且，這款飛船是相當(dāng)有特色的。

提升生活品質(zhì)

“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”是目前在役的貨運(yùn)飛船中個(gè)頭兒最大的。這個(gè)大圓桶長(zhǎng)度9.794米，最大直徑4.481米，儼然就是一輛雙層巴士的大小。該飛船空重10.47噸，一次可將7.5噸重的物資運(yùn)送到國(guó)際空間站。從外面看，展開(kāi)了太陽(yáng)能電池帆板的飛船，其“臂展”達(dá)到了22.281米，總面積達(dá)33.6平方米，可以為飛船提供4.8千瓦的電力。

一款貨運(yùn)飛船能夠提升空間站航天員的生活品質(zhì)？答案是肯定的。

“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”按設(shè)計(jì)有4個(gè)用途∶向空間站運(yùn)送補(bǔ)給物資; 提升國(guó)際空間站的軌道;充當(dāng)空間站的附加活動(dòng)室;返回時(shí)作為垃圾箱使用。這4項(xiàng)用途可以說(shuō)每一項(xiàng)都與航天員的生活品質(zhì)息息相關(guān)。

“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”貨物的上行運(yùn)載能力非常突出，其總載貨量接近俄羅斯“進(jìn)步”系列飛船載貨量的3倍。以該系列飛船的第4艘阿爾伯特·愛(ài)因斯坦號(hào)為例。該飛船在2013年由“阿里安”火箭從庫(kù)魯航天中心發(fā)射升空。滿載貨物的“愛(ài)因斯坦”號(hào)的發(fā)射質(zhì)量達(dá)到了20.19噸。要知道，提供了空間站一部分的生命保障系統(tǒng)、可供2名航天員長(zhǎng)期在軌生活的國(guó)際空間站俄羅斯部分核心艙段星辰號(hào)的發(fā)射質(zhì)量也就是20.32噸。一艘貨運(yùn)飛船的發(fā)射質(zhì)量能夠與國(guó)際空間站的重要艙段的質(zhì)量相當(dāng)，可見(jiàn)其運(yùn)載能力之強(qiáng)?！皭?ài)因斯坦”號(hào)一口氣就給國(guó)際空間站的俄羅斯艙段運(yùn)來(lái)了570千克的水，外加2.48噸的食物、衣物和儀器設(shè)備。如果單純依靠俄羅斯“進(jìn)步”號(hào)飛船的話，按目前的發(fā)射密度，國(guó)際空間站上的航天員要多等上1年的時(shí)間才能收齊這些好吃的和好玩的。

“阿里安”5號(hào)火箭正在發(fā)射歐洲自動(dòng)運(yùn)載器飛船“愛(ài)因斯坦”號(hào)

“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”的自動(dòng)對(duì)接和在軌加注方案繼承和發(fā)揚(yáng)了俄羅斯的技術(shù)。這就使得該飛船成為了除“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船之外，唯一同時(shí)具備姿態(tài)控制、軌道提升和在軌補(bǔ)加3項(xiàng)重要技能的飛船。以第2艘歐洲自動(dòng)運(yùn)載器“約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒”號(hào)為例：2011年2 月24日，該飛船與國(guó)際空間站對(duì)接后，為國(guó)際空間站補(bǔ)充了850千克燃料。而身大力不虧的“開(kāi)普勒號(hào)”自身仍攜帶有4.534噸的燃料。當(dāng)年3月18日，“開(kāi)普勒號(hào)”飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，在工作了14分鐘42秒后，成功地將國(guó)際空間站的軌道向上提升了3900多米。把這項(xiàng)工作交給該飛船來(lái)做，給國(guó)際空間站的航天員們省了不少麻煩。

而從提升生活質(zhì)量的角度來(lái)說(shuō)，最有用處的莫過(guò)于增大航天員們的生活空間了。“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”的內(nèi)部空間有90%是加壓的，容積高達(dá)48立方米。航天員們裝卸貨物的時(shí)候，無(wú)需穿戴艙外航天服，這個(gè)設(shè)計(jì)很貼心。另外，該飛船的通風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)的噪聲很小。喜歡寬敞和安靜的航天員可以在搬空貨物的貨運(yùn)飛船里睡個(gè)好覺(jué)。對(duì)于女性航天員來(lái)說(shuō)，這里更是好地方了。國(guó)際空間站的核心艙段中，設(shè)備密布，飲水和洗澡的時(shí)候要格外小心，要防止微重力環(huán)境中漂浮的水滴造成國(guó)際空間站出現(xiàn)短路事故。而在貨運(yùn)飛船的船艙里，航天員則可以比較放心地用濕毛巾擦洗身體，甚至可以用一用在核心艙段內(nèi)極少見(jiàn)到的洗發(fā)香波和沐浴露。在任意一艘“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”對(duì)接在國(guó)際空間站上的6個(gè)多月的時(shí)間里，國(guó)際空間站的航天員們都可以享受這個(gè)多出來(lái)的48立方米的安靜舒適且不用過(guò)分小心翼翼的空間。這段時(shí)光，會(huì)是他們?nèi)找蛊谂?，而后又?huì)萬(wàn)分留戀的。

寬敞的飛船在返回大氣層燒毀之前，航天員可以將臟衣物、廢棄的儀器設(shè)備以及不具備回收價(jià)值的其他物品塞到飛船里。這樣，這艘飛船離開(kāi)國(guó)際空間站時(shí)還能順便帶走重達(dá)6.5噸的垃圾。

歐洲自動(dòng)運(yùn)載器貨運(yùn)飛船內(nèi)部有巨大的加壓空間，可以充當(dāng)航天員的活動(dòng)室和休息室

一艘歐洲自動(dòng)運(yùn)載器貨運(yùn)飛船正在自動(dòng)接近國(guó)際空間站

紀(jì)念科學(xué)先賢

“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器”已經(jīng)發(fā)射了5艘。這5艘飛船的名字是很有趣的，都是科學(xué)或者科幻事業(yè)的先賢。第1艘飛船叫儒勒·凡爾納號(hào)。生于法國(guó)的凡爾納被譽(yù)為“科幻小說(shuō)之父”。他的作品對(duì)大型潛水艇、探月飛船等概念都有詳細(xì)的描繪，將其稱為預(yù)言家也不為過(guò)。第2艘飛船叫約翰尼斯·開(kāi)普勒號(hào)。開(kāi)普勒是德國(guó)天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家，其開(kāi)普勒三大定律奠定了軌道動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。第3艘飛船叫愛(ài)德華多·阿瑪爾迪號(hào)。阿瑪爾迪是二戰(zhàn)后意大利物理學(xué)領(lǐng)軍人物，航天技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)研究者。第4艘飛船叫阿爾伯特·愛(ài)因斯坦號(hào)。他創(chuàng)立了被認(rèn)作是現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱之一的相對(duì)論，同時(shí)他也是質(zhì)能等價(jià)公式的發(fā)現(xiàn)者。第5艘飛船叫喬治·勒梅特號(hào)。勒梅特是生于比利時(shí)的一位宇宙學(xué)家。

日本HTV貨運(yùn)飛船運(yùn)送大件有絕活

日本HTV貨運(yùn)飛船1號(hào)機(jī)

日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間2009年10月31日凌晨2點(diǎn)32分，裝有1.6噸垃圾的日本HTV飛船（轉(zhuǎn)移飛行器）脫離國(guó)際空間站。11月2日，HTV接收到再入指令后，墜入大氣層焚毀。這標(biāo)志著日本自2009年9月11日發(fā)射的HTV系列飛船的首艘驗(yàn)證飛行器完成了使命，也同時(shí)意味著日本繼美國(guó)、俄羅斯和歐空局之后，也開(kāi)始正式加入無(wú)人貨運(yùn)飛船俱樂(lè)部。

總體設(shè)計(jì)概況

HTV是日本獨(dú)立研制的無(wú)人貨運(yùn)飛船，其主要任務(wù)是向國(guó)際空間站運(yùn)送補(bǔ)給。在日本得知美國(guó)的航天飛機(jī)即將退役，而日本在國(guó)際空間站上的“希望”號(hào)艙段的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃與日俱增的情況下，日本對(duì)擁有自己的貨運(yùn)飛船的渴望便愈發(fā)強(qiáng)烈。

2009年，HTV飛船的飛行試驗(yàn)取得成功。該飛船基本上呈圓柱體外形，直徑4.4米，高約9.8米，空重10.5噸。HTV的上行載荷能力為6噸，約為俄羅斯“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船的2倍，比“歐洲自動(dòng)運(yùn)載器（ATV）”的7.5噸的運(yùn)載能力略低。

不過(guò)，雖然日本HTV飛船的運(yùn)力低于歐空局的ATV，但是在細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)考慮使其在執(zhí)行貨運(yùn)任務(wù)時(shí)有比較獨(dú)特的競(jìng)爭(zhēng)力。HTV飛船的貨艙艙口為1.27米×1.27米，比起和俄羅斯”進(jìn)步”號(hào)飛船采用同源技術(shù)的歐空局ATV飛船的0.8米×0.8米尺寸的艙口來(lái)說(shuō)，大了不少（面積為2.52倍）。這樣一來(lái)，盡管HTV的貨艙比ATV的要小一些，但是在運(yùn)送大型試驗(yàn)設(shè)備的時(shí)候，ATV的艙口就成為了瓶頸，而HTV則能夠把任務(wù)承接下來(lái)。

HTV飛船的龐大尺寸給日本的火箭帶來(lái)了不小的壓力。國(guó)際空間站的日本核心艙段”希望”號(hào)，是一個(gè)長(zhǎng)11.2米、外徑4.4米、內(nèi)徑4.2米的圓筒形狀模組。HTV飛船的外徑和希望號(hào)艙段相同，而長(zhǎng)度僅僅短了1.4米，其發(fā)射質(zhì)量高達(dá)14.5噸。因此，日本需要研制推力更強(qiáng)的火箭才行。

于是，H-IIB運(yùn)載火箭應(yīng)運(yùn)而生。該火箭的研制與HTV貨運(yùn)飛船的研制同步進(jìn)行。而2009年9月11日的HTV飛船的首次飛行試驗(yàn)同時(shí)也是日本H-IIB運(yùn)載火箭的首次發(fā)射。H-IIB運(yùn)載火箭是在H-IIA運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的。H-IIA火箭主要用來(lái)執(zhí)行地球同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，其同步軌道運(yùn)載能力為4噸。H-IIB運(yùn)載火箭在H-IIA火箭的基礎(chǔ)上，芯級(jí)增加了1臺(tái)LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)，變?yōu)榱?臺(tái)。助推器則由原來(lái)的2臺(tái)增加為4臺(tái)。這樣，H-IIB火箭的同步軌道運(yùn)載能力比H-IIA提升了50%，同時(shí)，其近地軌道能力增至16.5噸，剛好可以用來(lái)滿足HTV飛船的發(fā)射。

對(duì)接自有特色

與歐空局的ATV飛船不同，日本的HTV飛船的對(duì)接系統(tǒng)沒(méi)有借用俄羅斯的技術(shù)，而是由三菱電機(jī)開(kāi)發(fā)，嘗試走日本自己的技術(shù)路線。HTV飛船的對(duì)接系統(tǒng)由近傍通訊系統(tǒng)、PROX天線、PROX-GPS天線、PROX溝通設(shè)備以及硬件指令面板構(gòu)成。HTV飛船依靠相對(duì)GPS定位技術(shù)飛到國(guó)際空間站下方。然后，在安裝在國(guó)際空間站的日本核心艙段希望號(hào)下方的接收會(huì)合激光的反射器和飛船的激光雷達(dá)的共同作用下，實(shí)施會(huì)合機(jī)動(dòng)。

當(dāng)HTV飛船與國(guó)際空間站的相對(duì)距離為10米時(shí)，飛船關(guān)閉姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)始進(jìn)入“自由飄浮”狀態(tài)，等待著被國(guó)際空間站上的航天員操縱的加拿大臂將自己捕獲，并隨后被拉到對(duì)接口位置實(shí)施對(duì)接。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多樣

日本的HTV飛船是連接國(guó)際空間站日本核心艙段“希望”號(hào)與地球表面上的日本多所太空探索相關(guān)研究機(jī)構(gòu)之間的紐帶。HTV飛船因此也就承擔(dān)了大量的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

日本早稻田大學(xué)研制的用于研究宇宙射線與暗物質(zhì)的“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”就是由HTV飛船送入太空的。該望遠(yuǎn)鏡最終與“希望”號(hào)艙段連接成功。而以發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星起家的日本航天發(fā)射部門(mén)當(dāng)然不會(huì)放過(guò)任何掙錢(qián)的機(jī)會(huì)。HTV飛船專門(mén)設(shè)計(jì)了帶載和釋放小衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)。第5艘HTV飛船進(jìn)入太空時(shí)，就順便釋放了歐空局的2顆立方星和巴西的1顆小衛(wèi)星。

另外，HTV飛船還曾經(jīng)把6種酒送入了國(guó)際空間站。當(dāng)然，國(guó)際空間站是不提倡航天員在太空飛行的任務(wù)中飲用這么多白酒的。這些酒實(shí)際上是用來(lái)做太空環(huán)境靜置實(shí)驗(yàn)的。6種酒在國(guó)際空間站被放置1年后，會(huì)交給專業(yè)的分析和測(cè)評(píng)機(jī)構(gòu)，以便分析太空環(huán)境對(duì)酒類口味的影響。

HTV飛船6號(hào)機(jī)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)對(duì)未來(lái)的太空探索有比較積極的意義。該飛船攜帶了全套的太空垃圾清理設(shè)備。該設(shè)備由日本宇宙開(kāi)發(fā)局研制。設(shè)備的核心部件是一根700米長(zhǎng)的繩子。繩子一端系在HTV飛船上，另一端則在太空中漂浮。當(dāng)航天員發(fā)現(xiàn)并追蹤到大塊的太空垃圾后，會(huì)設(shè)法用繩子將其和HTV飛船連到一起。這樣，隨著HTV飛船執(zhí)行完任務(wù)再入大氣層燒毀的時(shí)候，也就能順便清理一些太空垃圾了。

日本HTV貨運(yùn)飛船6號(hào)機(jī)

“龍”飛船在軌飛行示意圖

“龍”唯一可以往回運(yùn)貨的飛船

近幾年來(lái)，美國(guó)太空探索公司研制的“獵鷹”1號(hào)運(yùn)載火箭和“獵鷹”9號(hào)運(yùn)載火箭以及“龍”飛船開(kāi)始大量占據(jù)各大媒體的頭條。“龍”飛船是第一款由私人企業(yè)研制并由企業(yè)自己的火箭發(fā)射到近地軌道并成功返回的宇宙飛船，是首款為國(guó)際空間站進(jìn)行貨運(yùn)補(bǔ)給的私人航天公司飛船。橫向比較世界各國(guó)的貨運(yùn)飛船，我們發(fā)現(xiàn)，“龍”飛船是目前唯一一款擁有下行運(yùn)輸能力（從空間站上往地球發(fā)快遞）的貨運(yùn)飛船。

總體設(shè)計(jì)

貨運(yùn)版“龍”飛船是太空探索公司接下美國(guó)航宇局（NASA）向國(guó)際空間站運(yùn)送貨物大單的主要載具。其高7.2米（早期為6.1米），直徑3.7米，飛船增壓艙部分的外墻有15°的傾斜角。飛船的增壓艙體積11立方米，非增壓艙14立方米，貨艙容積共25立方米。能夠運(yùn)載3.31噸載荷到國(guó)際空間站，還能夠從國(guó)際空間站帶回3噸貨物。

和傳統(tǒng)的貨運(yùn)飛船一樣，“龍”飛船也依靠遍布周身的不同朝向的噴口在太空中進(jìn)行姿軌控。不過(guò)，該飛船四周的噴口比傳統(tǒng)的“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船多了一些。龍飛船一共用了18臺(tái)姿態(tài)控制推進(jìn)器。這是冗余設(shè)計(jì)思想的又一個(gè)體現(xiàn)（“獵鷹”9號(hào)火箭的一級(jí)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)也是冗余設(shè)計(jì)）。18臺(tái)推進(jìn)器中，任意2臺(tái)出現(xiàn)故障，都不會(huì)明顯影響“龍”飛船的姿軌控能力，飛船可繼續(xù)安全地執(zhí)行任務(wù)。

“龍”飛船內(nèi)的直流供電分為28伏和120伏兩種。飛船的供電來(lái)源以太陽(yáng)能為主。在太空中展開(kāi)后，“龍”飛船的一對(duì)太陽(yáng)能電池帆板能夠?yàn)轱w船提供1500瓦的平均功率（峰值功率4000瓦）。

“龍”飛船的增壓貨艙頂部有1個(gè)邊長(zhǎng)為1.27米的正方形艙門(mén)。這個(gè)門(mén)對(duì)于這個(gè)個(gè)頭兒的飛船來(lái)說(shuō)，算是很大了。其面積為“進(jìn)步”號(hào)無(wú)人貨運(yùn)飛船的2.5倍以上。這個(gè)設(shè)計(jì)方便了大型空間實(shí)驗(yàn)設(shè)備的進(jìn)出。

一臂之力

“龍”飛船是如何與國(guó)際空間站對(duì)接的呢？有趣的是，“龍”飛船并沒(méi)有使用經(jīng)典的APAS-89異體同構(gòu)周邊式對(duì)接系統(tǒng)，也沒(méi)有用LIDS低沖擊對(duì)接系統(tǒng)，而是充分借助了國(guó)際空間站的能力：用空間站的機(jī)械臂將自己抓住，然后慢慢與空間站對(duì)接。這個(gè)思路省去了太多中間過(guò)程，不過(guò)對(duì)國(guó)際空間站的航天員來(lái)說(shuō)，壓力還是蠻大的。

不過(guò)，“龍”飛船在對(duì)接過(guò)程中并不是什么都不做的。除了要維持自身的軌道和姿態(tài)穩(wěn)定之外，還要時(shí)刻向國(guó)際空間站的航天員提供自身與空間站的相對(duì)距離、相對(duì)速度和姿態(tài)等信息。而這些，是由“龍”飛船的龍眼系統(tǒng)提供的。

當(dāng)一個(gè)國(guó)家或一個(gè)公司的航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展到一定程度的時(shí)候，其航天任務(wù)內(nèi)容中就會(huì)有大量未雨綢繆提前規(guī)劃的事情。比如在“龍”飛船執(zhí)行任務(wù)之前，NASA和太空探索公司就趁航天飛機(jī)尚未退役的時(shí)候，借助航天飛機(jī)對(duì)“龍”飛船的對(duì)接輔助系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。2011年2月24日，“發(fā)現(xiàn)”號(hào)航天飛機(jī)在執(zhí)行航天飛機(jī)第133次任務(wù)（退役前的倒數(shù)第3次任務(wù)）時(shí)，上面搭載了“龍”飛船系統(tǒng)的龍眼系統(tǒng)。

“龍”飛船上的龍眼系統(tǒng)本質(zhì)上是一套激光雷達(dá)。激光雷達(dá)對(duì)物體距離的測(cè)量與通常所說(shuō)的雷達(dá)類似，都是通過(guò)測(cè)量發(fā)送和接受到的脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)計(jì)算物體的距離。由于原理上的相似性，盡管雷達(dá)的準(zhǔn)確定義是使用微波或無(wú)線電波等波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波進(jìn)行測(cè)距的設(shè)備，但是激光雷達(dá)這一術(shù)語(yǔ)仍然被廣泛使用。

"龍"飛船的貨艙

另外，商業(yè)航天的發(fā)展也促使國(guó)際空間站進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。在“龍”飛船給國(guó)際空間站的貨運(yùn)任務(wù)中，第9次任務(wù)裝載的是IDA 2對(duì)接環(huán)。這個(gè)對(duì)接環(huán)專門(mén)用來(lái)改善商業(yè)航天公司的飛船與國(guó)際空間站的對(duì)接情況。

“天鵝座”飛船成熟技術(shù) 降低成本

□ 諸葛文

“天鵝座”貨運(yùn)飛船飛往“國(guó)際空間站”示意圖

美國(guó)軌道科學(xué)公司研制的“天鵝座”飛船于2013年9月18日進(jìn)行了首次驗(yàn)證飛行。此后，“天鵝座”飛船正式完成了幾次“國(guó)際空間站”商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)，但在執(zhí)行第3次商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)時(shí)失敗。

“天鵝座”飛船的設(shè)計(jì)，繼承了軌道科學(xué)公司及其合作者經(jīng)飛行驗(yàn)證的航天器技術(shù)，由加壓貨物艙與通用服務(wù)艙組成。采用成熟技術(shù)目的是降低成本、風(fēng)險(xiǎn)和研制周期。

其加壓貨物艙由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司制造，它是基于意大利“多用途增壓后勤艙”研制的，長(zhǎng)3.66（標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型）～4.86米（改進(jìn)構(gòu)型），直徑3.07米，自重1.5（標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型）～1.8噸，功率850千瓦，加壓容積18.9（標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型）～27米3（改進(jìn)構(gòu)型），載貨質(zhì)量2～2.5噸（改進(jìn)構(gòu)型），返回時(shí)可裝載1.2噸垃圾。它用于日常物資、備用部件、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等的裝載。

其服務(wù)艙由軌道科學(xué)公司制造，繼承了該公司的低軌衛(wèi)星和地球靜止軌道衛(wèi)星平臺(tái)的電子、推進(jìn)和電源系統(tǒng)，重量1.8噸，裝有電子、推進(jìn)和電源系統(tǒng)，其中電源系統(tǒng)包括2副砷化鎵太陽(yáng)電池翼，可提供4千瓦的電力。

根據(jù)美國(guó)軌道科學(xué)公司與美國(guó)航宇局簽署的價(jià)值19億美元的商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同，將發(fā)射8艘“天鵝座”飛船，向“國(guó)際空間站”運(yùn)送20噸貨物任務(wù)。

近年，“天鵝座”飛船進(jìn)行了改型，提高了性能。