天舟二號成功升空，國際空間站貨運飛船誰才是執(zhí)牛耳者？

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編者按

29日晚9時許，天舟二號貨運飛船載著6.8噸的物資升空，成功與天和號核心艙對接。中國國際空間站建設(shè)日趨完善，基本上能夠在本年內(nèi)完成，空間站建成后，屆時會實施常規(guī)的載人航空任務(wù)。

近日，中國載人航天工程辦公室主任郝淳透露了一個重要的信息，5、6月會實施天舟二號以及神州十二號載人飛船任務(wù)，9、10月將分別實施天舟三號和神州十三號載人飛船任務(wù)。中國空間站將在兩年內(nèi)建成。

事實上，國際空間貨運飛船發(fā)展至今已有40多年，前蘇聯(lián)、歐盟、日本以及美國都有非常成熟的技術(shù)以及輝煌的過往，本文帶你回顧國際貨運飛船的發(fā)展歷程，到底誰才是執(zhí)牛耳者？

撰文 | 龐之浩（中國空間探測技術(shù)首席科學(xué)傳播專家）

隨著載人航天活動的不斷發(fā)展，貨運飛船在載人航天領(lǐng)域的用途也日益廣泛。因此，俄羅斯、歐洲、日本和美國先后研制了“進步”、自動轉(zhuǎn)移飛行器、H-2轉(zhuǎn)移飛行器，以及商用“貨運龍”和“天鵝座”貨運飛船。至今，全世界已發(fā)射過約180多艘貨運飛船。

01

用途廣泛受青睞

貨運飛船是從載人飛船演變過來的。在20世紀(jì)70年代，蘇聯(lián)和美國開始發(fā)展體積大、壽命長、用途廣的空間站。剛開始時，蘇美兩國都是用人貨混裝的載人飛船為空間站提供少量補給，每艘載人飛船1次只能為空間站運去幾百千克的物資，因而大大影響了空間站的運行壽命和站上航天員在軌工作時間。

隨著蘇聯(lián)空間站的不斷發(fā)展，對運貨量的要求也日益增加，于是蘇聯(lián)航天專家奇思妙想，從1978年開始把聯(lián)盟號載人飛船改裝成無人貨運飛船，即去掉了聯(lián)盟號飛船上的座椅、環(huán)境控制與生命保障、返回著陸和應(yīng)急救生等與載人有關(guān)的系統(tǒng)，以便運送更多的貨物。

實踐證明，這種人貨分開的運輸方式，既能增加貨物的運載量，又能降低成本，還很安全，可以說是蘇聯(lián)的一個創(chuàng)新。改裝后的貨運飛船稱為進步號，每次飛行可為空間站送去2噸多物資。現(xiàn)在，俄羅斯每年向“國際空間站”發(fā)射4艘貨運飛船，它們不僅為“國際空間站”運去貨物，還帶回大量的空間站垃圾，然后在再入大氣層時燒毀。

進步M-M貨運飛船與“國際空間站”對接

其實，貨運飛船還有許多其他用途。例如，由于空間站是在低地球軌道運行，會受到殘存大氣阻力的影響而逐漸降低軌道高度，所以在空間站軌道高度降低到一定情況下要提升它的軌道高度才行，而攜帶較多燃料的貨運飛船在空間站的軌道維持方面能發(fā)揮重要作用。

目前，“國際空間站”主要是靠貨運飛船提升空間站的軌道高度，以抵消大氣阻力的影響，并使“國際空間站”與將要與之對接的天地往返運輸器處于最佳對接位置。它有時也用于機動“國際空間站”軌道位置，以便躲避飛來的太空垃圾。

“進步”系列飛船還曾2次用于試驗“人造月亮”。1993年2月4日，“進步”貨運飛船離開了和平號空間站，它攜帶一把折疊好的巨大“太陽傘”——“人造月亮”。12分鐘以后，它在離空間站160米的地方被打開，然后用這把直徑22米的“太陽傘”，在距離地球350千米高的地方進行了人造月亮的照明試驗，向處于黑夜的歐洲地區(qū)反射了一道寬約10千米的亮光，其亮度相當(dāng)于月亮的2～3倍，從南到北掃過地球，依次照亮了里昂、日內(nèi)瓦、慕尼黑和白俄羅斯。1999年的2月4日，俄羅斯用“進步”系列飛船再次實施了一次人造月亮試驗。

俄羅斯的“進步”系列飛船在2001年和平號空間站壽終正寢的墜落中也發(fā)揮過重要作用。當(dāng)時，與和平號對接的“進步”系列飛船通過多次點火，使和平號空間站的飛行速度不斷降低，最終成功地把和平號推離原運行軌道墜入大氣層，落到被稱為“航天器墳場”的南太平洋某一區(qū)域。

由此可見，貨運飛船的用途越來越廣。因此，歐洲、日本、美國也先后開始發(fā)展貨運飛船。

02

不斷進步的貨船

“進步”貨運飛船是在“聯(lián)盟”載人飛船基礎(chǔ)上改進研制的，由貨物艙、補給艙和服務(wù)艙組成，總質(zhì)量大約7噸，有效載荷質(zhì)量2.3噸以上。

其貨物艙構(gòu)造與“聯(lián)盟”載人飛船軌道艙相似，可以裝1.7噸以上的貨物，當(dāng)“進步”飛船與空間站對接時，乘員進入貨物艙搬貨到空間站，在“進步”飛船脫離空間站之前，乘員可把空間站上1～1.7噸的垃圾轉(zhuǎn)移到貨物艙中，再入大氣層時隨飛船一起燒毀。

其補給艙取代了“聯(lián)盟”飛船的返回艙，裝有多個推進劑貯箱，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個水箱，燃燒劑和氧化劑通過對接環(huán)上的液體連接器轉(zhuǎn)移到空間站自身的推進系統(tǒng)中。

其服務(wù)艙與“聯(lián)盟”飛船的儀器/推進艙相同，用于貨運飛船與空間站的變軌對接、提高空間站的軌道高度。

第一艘“進步”貨運飛船是1978年1月20日升空的，飛往了禮炮6號空間站。1978—1990年期間，一共發(fā)射了43艘“進步”飛船，它們?yōu)槎Y炮6號、7號空間站提供了大量的貨物補給，大大延長了這2座空間站的工作壽命和航天員的在軌時間。

“國際空間站”航天員拍攝的俄羅斯進步M-M貨運飛船

此后，蘇聯(lián)/俄羅斯又對“進步”貨運飛船進行了多次改型。

1989年8月，在“進步”基礎(chǔ)上改進的進步M首次執(zhí)行和平號空間站任務(wù)。它裝有一副太陽電池翼，飛船可獨立飛行30天；采用了新的服務(wù)艙，載貨量比“進步”多100千克；采用了新的對接系統(tǒng)，使空間站內(nèi)的航天員可以控制無人貨運飛船飛向空間站。

在參與“國際空間站”項目后，為進一步增強補給能力，俄羅斯將進步M飛船改進為進步M1。其補給艙內(nèi)增加了幾個推進劑貯箱，將12個裝有氮和氧的貯箱放置在飛船外部，并把水箱移入貨物艙，以增加推進劑攜帶量；裝有新型計算機，用航向-MM數(shù)字交會測量系統(tǒng)取代了“航向”模擬系統(tǒng)，使飛船與空間站之間的無線電通信距離擴大到30千米，同空間站對接后的聯(lián)合飛行時間達180天。

2000年2月1日，進步M1首次升空，執(zhí)行和平號空間站任務(wù)。2000年8月6日，第3艘進步M1飛船發(fā)射，這是第一艘執(zhí)行“國際空間站”任務(wù)的“進步”系列飛船。進步-M1還曾作為空間拖船，將退役的和平號空間站拖入地球大氣層。

2008年11月26日，俄羅斯發(fā)射了新改進的進步M-M，它配有運行速度更快的先進數(shù)字化控制系統(tǒng)，并應(yīng)用了新的小型無線電遙測系統(tǒng)，使飛船的飛行控制系統(tǒng)更快、更有效，而且減少了15個船上航電設(shè)備模塊，使電子器件的總質(zhì)量輕少了75千克，與空間站的對接更加準(zhǔn)確。進一步改進了飛船的性能，從而提高了運輸能力。

打造“進步”貨運飛船

近年，俄羅斯又開始使用新改型的進步MS貨運飛船。進步 MS貨運飛船將烏克蘭制造的帶有饋線天線的量子－V無線電通信系統(tǒng)更換為新的“統(tǒng)一指揮遙測系統(tǒng)”，結(jié)束了俄羅斯依賴烏克蘭為其生產(chǎn)制造天線、饋線和通訊電子產(chǎn)品的歷史。

另一個通信升級是在交會期間與空間站建立了一個接近通信鏈路，以使相對導(dǎo)航作為導(dǎo)航數(shù)據(jù)的額外來源。新飛船配備有GPS和GLONASS接收器，以確定準(zhǔn)確時間，進行狀態(tài)向量的計算和定軌，使得機動目標(biāo)更精確，甚至飛船本身都不用再依賴雷達跟蹤，雷達跟蹤職能在通過地面站時進行。飛船控制系統(tǒng)、機載軟件和通信系統(tǒng)上所做出的改進使得從模擬到數(shù)字視頻傳輸能夠?qū)崿F(xiàn)，從而在近旁操作過程中改進視頻質(zhì)量。此外，現(xiàn)有的航向－A交會對接設(shè)備將升級為使用俄羅斯國產(chǎn)現(xiàn)代化電子元器件的航向－NA系統(tǒng)。

03

自動轉(zhuǎn)移運力大

歐洲的貨運飛船叫自動轉(zhuǎn)移飛行器，運貨能力可達7噸，是迄今運載能力最大的貨運飛船，從2008年起到2014年共發(fā)射了5個，現(xiàn)已退役。

體積像雙層巴士一樣的自動轉(zhuǎn)移飛行器有4類用途：

①向空間站運送補給物資。

②在貨物卸載后，可以用作空間站的附加活動室；

③提升“國際空間站”的軌道；

④用作垃圾箱，把6.5噸空間站產(chǎn)生的廢棄物資帶回地球燒毀。

自動轉(zhuǎn)移飛行器與“國際空間站”交會

它由加壓艙、推進艙和電子設(shè)備艙組成，形狀像個大圓筒，外表呈蛋殼色，全長10米，最大直徑為4.5米，重量約10噸。

在加壓艙中可放1.5～5.5噸補給品、科學(xué)硬件、食物等貨物；還能放置飲用水以及為空間站運送的推進劑和空氣（氧和氮）等液體罐和氣體罐。加壓可居住容積14米，與空間站對接后，2名航天員穿上普通服裝就能進入飛船的加壓艙中把帶來的物資搬走，其中的液體罐和氣體罐與空間站的管道裝置連接流往空間站的儲存設(shè)備中。當(dāng)貨物卸載任務(wù)完成后，自動轉(zhuǎn)移飛行器仍可作為一個實驗區(qū)，直到它離開空間站。加壓艙的最前端是俄羅斯制造的對接設(shè)備和用于交會的測量裝置，用于實現(xiàn)飛船同“國際空間站”的自動對接。

飛行器主推進系統(tǒng)是4臺490牛發(fā)動機，姿態(tài)控制系統(tǒng)用28臺220牛推進器。它們除在往返回過程中使用外，還用于空間站的軌道維持、姿態(tài)控制、空間碎片規(guī)避機動，如果空間站上發(fā)生緊急事件，自動轉(zhuǎn)移飛行器能在10分鐘內(nèi)撤離。在艙內(nèi)在還裝有充電電池、一次性電池以及太陽敏感器和對接系統(tǒng)的天線。

電子設(shè)備艙是自動轉(zhuǎn)移飛行器的大腦，裝有計算機、陀螺儀、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信設(shè)備多個關(guān)鍵部件。其通信采用S頻段，通過GPS實施導(dǎo)航。

歐洲自動轉(zhuǎn)移飛行器（右）和“國際空間站”對接后航天員搬運貨物示意圖

自動飛行器外部裝有4個太陽電池翼，每個翼由4塊太陽電池板構(gòu)成，面積33.6平方米（每塊電池板面積為8.4平方米），平均發(fā)電功率為4.8千瓦。4個太陽電池翼展開時呈X形，跨度達到22.28米，遠遠看去就像金屬制成的藍色“翅膀”。每個太陽電池翼的轉(zhuǎn)動機構(gòu)是各自獨立的，可以實現(xiàn)最佳對日定向。

因為自動轉(zhuǎn)移飛行器的通風(fēng)風(fēng)扇和空調(diào)設(shè)備的噪音低，所以空間站乘員常睡在加壓艙里面；乘員也可在里面用日常的濕毛巾和洗發(fā)精保持個人衛(wèi)生；2008年4月，韓國的首位太空人首次在自動轉(zhuǎn)移飛行器里做了試驗。

根據(jù)計劃，自動轉(zhuǎn)移飛行器在發(fā)射了5艘以后現(xiàn)已退役。不過，歐洲航天局將在自動轉(zhuǎn)移飛行器基礎(chǔ)上研制可以運送貨物返回地球的“先進再入飛行器”貨運飛船，它預(yù)計在近年首飛。最終，歐洲將獨立研制出載人飛船。

“先進再入飛行器”貨運飛船飛往“國際空間站”示意圖

04

運送大件的利器

從2009年起至今，日本先后向“國際空間站”發(fā)射了8個名叫H-2轉(zhuǎn)移飛行器的貨運飛船。這種飛船的貨物運載能力約為6噸，最大特點是可運送體積較大的設(shè)備。

H-2轉(zhuǎn)移飛行器呈圓柱形結(jié)構(gòu)，由鋁合金制成，全長約10米，直徑約4.4米，自重10.5噸,由加壓貨艙、非加壓貨艙、電子設(shè)備艙和推進艙4部分組成。

貨物補給裝在加壓貨艙以及非加壓貨艙的暴露貨架中；電子設(shè)備艙裝有電子設(shè)備、鋰電池和敏感器；推進艙內(nèi)裝有4個推進劑貯箱、主推進裝置和反作用控制系統(tǒng)。其加壓貨艙載重量為4.5噸，可裝8個國際標(biāo)準(zhǔn)貨柜；非加壓貨艙載重量為1.5噸, 包括外露貨盤和支撐結(jié)構(gòu). 外露貨盤能載3套外露貨物。滿載后H-2轉(zhuǎn)移飛行器總重16.5噸。

日本H-2轉(zhuǎn)移飛行器飛向“國際空間站”

其貨物運輸能力強。這是由于它的艙門大，與空間站的接口各邊均加寬到約1.2米，所以可以搬運其他貨運飛船無法搬送的大型裝置。例如，與歐洲自動轉(zhuǎn)移飛行器相比，H-2轉(zhuǎn)移飛行器可運送更大的物體，如空間站內(nèi)部書架大小的設(shè)備架，以及其它大型站外儀器與設(shè)備。日本認為，在美國航天飛機2011年退役后，H-2轉(zhuǎn)移飛行器可成為唯一能向空間站運送大型物體的飛船。

另外，與其他貨運飛船相比，H-2轉(zhuǎn)移飛行器還是目前唯一一種可向空間站運送加壓與非加壓貨物的無人飛船，包括安裝在站外的外部實驗和在軌更換裝置。

它還有獨特的交會對接技術(shù)，與空間站對接采用“?？俊狈绞?，即當(dāng)H-2轉(zhuǎn)移飛行器與空間站接近到10米距離時，兩相對速度接近零， H-2轉(zhuǎn)移飛行器不再被控制，而是呈自由飛行狀態(tài)，然后由空間站的機械臂將其捕獲，與空間站對接口實現(xiàn)對接。

日本H-2轉(zhuǎn)移飛行器逼近“國際空間站”

該貨運飛船有三大用途：為希望號日本實驗艙以及“國際空間站”其它艙段運送維修所需的消耗品和補給物品；為“國際空間站”上的航天員運送所需的食品、醫(yī)療用品、生活用水和飲用水；為日本以及參加“國際空間站”計劃的其它國家運送實驗所需的實驗裝置和實驗材料。

日本已向“國際空間站”總共發(fā)射8個H-2轉(zhuǎn)移飛行器。另外，日本擬在H-2轉(zhuǎn)移飛行器基礎(chǔ)上研制可從空間站帶回貨物的H-2轉(zhuǎn)移飛行器-R，首個H-2轉(zhuǎn)移飛行器-R計劃在今年發(fā)射。最終，日本將研制載人飛船。

H-2轉(zhuǎn)移飛行器-R

05

帶回物體是絕招

與上述由政府投資研制的民用貨運飛船不同，美國有2種私營公司投研制了2種商用貨運飛船，一種是美國SpaceX研制的“貨運龍”飛船，另一種是美國軌道科學(xué)公司研制的“天鵝座”飛船。這種商業(yè)軌道運輸服務(wù)項目的最大特點是：由美國航空航天局選定的私營商業(yè)公司自行投資，研制用于“國際空間站”天地往返運輸?shù)娘w船和火箭，然后美國航空航天局以“打的”的模式租用飛船，把貨物運往“國際空間站內(nèi)”，從而降低天地往返運輸?shù)馁M用。

飛行中的“貨運龍”飛船

美國SpaceX“貨運龍”飛船是所有貨運飛船中唯一可以運回物品的，這是因為該飛船帶有熱防護罩，可在返回時耐受極高溫安全降落，而其他飛船不具有熱防護罩，只能在再入大氣時燒毀。

第一代“貨運龍”飛船長5.9米，最大直徑3.6米，自重只有4.2噸，主要由前錐體、鈍角圓錐體彈道艙和非加壓段三部分組成，其中前錐體內(nèi)裝對接機構(gòu)，在上升階段起保護作用；鈍角圓錐體彈道艙一部分用于搭載加壓貨物，另一部分是服務(wù)段，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；非加壓段用于存儲非加壓貨物，如軌道更換裝置，并保障太陽電池翼和散熱器的正常工作。其運送載荷最大質(zhì)量3噸多，返回載荷最大質(zhì)量2噸。

“國際空間站”上的加拿大機械臂-2捕獲第一代“貨運龍”飛船

該貨運飛船采用具有廣泛繼承性的電子系統(tǒng)和由18臺推力器組成的反作用控制系統(tǒng)；采用降落傘水上濺落的回收方式；使用高性能熱防護罩和側(cè)壁熱防護系統(tǒng)。其對接機構(gòu)為“國際空間站”通用?？繖C構(gòu)，用空間站機械臂捕獲方式對接，這種對接方式可減少飛船上對接系統(tǒng)的質(zhì)量、成本和復(fù)雜性，提高對接的安全性。

SpaceX現(xiàn)在已開始使用在“載人龍”基礎(chǔ)上研制的第二代“貨運龍”。它在氣動外形有變化，載重能力提高約20%，可以容納8個動力儲柜，在返回地球時可以容納12個動力儲柜，而第一代僅可以容納6個儲柜。其在站上停留時間可長達75天，是第一代的兩倍還多，而且能同空間站自動對接，無需依靠空間站機械臂協(xié)助停泊。

它能至少重復(fù)使用5次，第一代最多能用3次，而“貨運龍”按設(shè)計可至少使用5次。第二代“貨運龍”將改在大西洋上濺落，而不是太平洋，以縮短飛船再飛準(zhǔn)備時間以及運回貨物和科學(xué)樣品被送回肯尼迪航天中心的時間，這將使一些需要回收的有效載荷在降落后4小時內(nèi)被移交給科學(xué)家。與“載人龍”不同，“貨運龍”不設(shè)逃逸用的“超級天龍座”推力器，而這意味著它將不會用來執(zhí)行載人任務(wù)，反之亦然。

第二代“貨運龍”

在海上回收“貨運龍”飛船

06

成熟技術(shù)降成本

美國軌道科學(xué)公司研制的“天鵝座”飛船于2013年9月18日進行了首次驗證飛行。此后，“天鵝座”飛船正式完成了幾次“國際空間站”商業(yè)補給服務(wù)任務(wù)，但在執(zhí)行第3次商業(yè)補給服務(wù)任務(wù)時失敗。

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

“天鵝座”飛船飛往空間站示意圖

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3.66（標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型）～4.86米（改進構(gòu)型），直徑3.07米，自重1.5～1.8噸（改進構(gòu)型），功率850千瓦，加壓容積18.9～27米3（改進構(gòu)型），載貨質(zhì)量2～2.5噸（改進構(gòu)型），返回時可裝載1.2噸垃圾。它用于日常物資、備用部件、實驗設(shè)備等。泰雷茲·阿萊尼亞航天公司將為軌道科學(xué)公司提供8個加壓貨艙，其中3個為標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型，5個為改進構(gòu)型。

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

與日本的H-2轉(zhuǎn)移飛行器和美國“龍”飛船對接方式類似，“天鵝座”飛船對接機構(gòu)也采用通用?？繖C構(gòu)，它通過加拿大機械臂-2捕獲的方式，將飛船?？吭凇皣H空間站”上。

改進構(gòu)型的“天鵝座”飛船

由上述可見，國外貨運飛船目前種類較多，各有所長，在“國際空間站”的運貨中發(fā)揮著重要作用。

制版編輯 | Morgan

賽先生

啟蒙·探索·創(chuàng)造