淺析貨運(yùn)飛船井噴式發(fā)展

Everett

美國東部時間2014年4月18日15時25分，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射場使用“獵鷹”9號運(yùn)載火箭成功發(fā)射了“龍”式貨運(yùn)飛船。大約10分鐘后飛船與火箭分離，進(jìn)入預(yù)定軌道。20日，國際空間站宇航員使用機(jī)械臂成功抓取了“龍”式飛船。該飛船為空間站送去了2.3噸的物資，包括食物、艙外行走的設(shè)備以及多達(dá)150項(xiàng)各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)的儀器。這也是該飛船執(zhí)行的第3次國際空間站補(bǔ)給任務(wù)。經(jīng)過4周的對接停泊后，“龍”式飛船脫離空間站，再入大氣層后墜毀在太平洋。

近幾年，宇宙飛船開始逐漸恢復(fù)，尤其是美國本土的飛船業(yè)出現(xiàn)了“井噴式”發(fā)展。比如太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“龍”式飛船、軌道科學(xué)公司的“天鵝座”飛船，還有被寄予厚望的“獵戶座”多用途宇宙飛船等。除了美國本土之外，歐洲和日本也在近年來發(fā)展了各自的貨運(yùn)飛船。

貨運(yùn)飛船的技術(shù)狀態(tài)與載人飛船較為相似，但是沒有一系列復(fù)雜的生命保障系統(tǒng)和再入隔熱系統(tǒng)，其任務(wù)是執(zhí)行向近地軌道運(yùn)輸貨物，上行運(yùn)載能力在數(shù)噸不等。目前，貨運(yùn)飛船的用途較為單一，幾乎全部被用于執(zhí)行空間站任務(wù)，向國際空間站補(bǔ)給食物、燃料以及科學(xué)儀器等。事實(shí)上，貨運(yùn)飛船的功能是相當(dāng)強(qiáng)大的。雖然補(bǔ)給是其主要任務(wù)，但有些貨運(yùn)飛船也“客竄”了空間實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)對接空間站后，宇航員可以在飛船內(nèi)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，也可在靠泊期間拓展空間站艙室面積。此外，還可以用于提升空間站的軌道高度，輔助變軌也是貨運(yùn)飛船的拿手好戲之一。2001年，俄羅斯對“和平”號空間站進(jìn)行了變軌措施，使用的就是貨運(yùn)飛船。當(dāng)前，在載人飛船技術(shù)愈加成熟的前提下，貨運(yùn)飛船技術(shù)也不斷升級，貨運(yùn)能力也從早期的2噸左右提升到現(xiàn)在的6～7噸，從以往的一次性使用發(fā)展到可重復(fù)使用。

老牌貨運(yùn)飛船仍然是蘇/俄的“進(jìn)步”系列。從1978年“禮炮”6號空間站的建設(shè)開始，蘇聯(lián)使用“進(jìn)步”系列飛船運(yùn)輸空間站所需要的燃料等物資，同年共發(fā)射了4艘“進(jìn)步”系列飛船。后續(xù)的“禮炮”7號空間站和“和平”號空間站的建設(shè)仍然由“進(jìn)步”系列運(yùn)貨飛船來完成。到目前為止，俄羅斯仍然繼續(xù)改進(jìn)“進(jìn)步”系列，其中包括后續(xù)的衍生型號“進(jìn)步”M、“進(jìn)步”M1/2等，主要為國際空間站運(yùn)輸燃料、物資、軌道維持以及裝載空間站的廢棄物進(jìn)入地球大氣層燒毀。為了維持國際空間站的運(yùn)行，俄羅斯每年要發(fā)射3～4艘“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船。當(dāng)歐美因?yàn)榭死锩讈啺雿u事件而宣布對俄羅斯實(shí)施制裁時，普京也曾以“進(jìn)步”系列貨運(yùn)飛船為籌碼進(jìn)行反擊。

由于貨運(yùn)飛船相當(dāng)于“簡配”后的載人飛船，不需要保障宇航員的生命，一次性使用后再入大氣層燒毀。因此，運(yùn)貨飛船一般來自載人飛船的改進(jìn)型?！斑M(jìn)步”系列飛船與“聯(lián)盟”飛船就有著非常相似的特點(diǎn)，其仍然采用了三艙結(jié)構(gòu)。其中，裝載空間站日常用品的貨物艙類似于聯(lián)盟飛船的軌道艙，體積可滿足1～1.7噸的物資?！奥?lián)盟”飛船中部的返回艙被改為燃料補(bǔ)給艙。以“進(jìn)步”M1為例，其內(nèi)部擁有存儲燃料的液體儲存罐，這些燃料在對接后用來提升空間站的軌道高度。因此，每艘“進(jìn)步”飛船的對接時間會稍微長一些，有助于空間站內(nèi)的宇航員開展各種空間實(shí)驗(yàn)和維持空間站的軌道運(yùn)行或姿態(tài)調(diào)整。這個動作在300～400千米軌道上顯得尤為重要，可以規(guī)避一些突如其來的軌道碎片。第三部分仍然與“聯(lián)盟”號飛船一樣，為推進(jìn)艙，里面有飛船上的各種儀器和推進(jìn)系統(tǒng)。該艙也存儲了一些燃料，專門用于“進(jìn)步”飛船與空間站的對接。一般情況下，如果對接順利就可以節(jié)省較多的燃料，結(jié)余部分可以用于空間站的軌道提升。

與早期的“進(jìn)步”飛船相比，“進(jìn)步”M2飛船已經(jīng)有了很大的提高。比如，1978年?duì)顟B(tài)的“進(jìn)步”飛船甚至沒有太陽能電池板，使用電池維持飛船的用電需求，而80年代中期的“進(jìn)步”飛船有了很大的改進(jìn)，被命名為“進(jìn)步”M。到了2000年，“進(jìn)步”M1開始發(fā)揮重大作用，開啟了一個新的時代與塵封了一個舊的時代。第一個是建設(shè)國際空間站，首次對接國際空間站；第二個是將“和平”號空間站“推入”墜毀軌道。到2014年年初，“進(jìn)步”系列飛船經(jīng)過近35年的發(fā)展，已經(jīng)制造了超過140艘。最新的“進(jìn)步”M-23M貨運(yùn)飛船在4月已經(jīng)與國際空間站對接，也是目前技術(shù)最為成熟的運(yùn)貨飛船。

從安全性上看，“進(jìn)步”系列飛船保持了較好的記錄。但是，2011年8月，“進(jìn)步”飛船從哈薩克斯坦拜科努爾發(fā)射場升空后沒能進(jìn)入預(yù)定軌道，最后在俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)墜毀。這也是“聯(lián)盟”火箭1978年以來第一次“嚴(yán)重的失敗”，該起事故也從側(cè)面說明俄航天制造與監(jiān)管上存在較多的問題，比如標(biāo)準(zhǔn)降低使得航天器質(zhì)量沒有得到保證。蘇聯(lián)時代的航天優(yōu)先權(quán)已被大幅削弱，這一局面還直接反應(yīng)到取代“進(jìn)步”飛船的俄羅斯新一代貨運(yùn)飛船上。2006年，俄航天局長曾信誓旦旦地稱俄羅斯下一代貨運(yùn)飛船將在2009年首次發(fā)射，并且建立全新的太空運(yùn)輸系統(tǒng)，甚至包括了太空拖船這類非?？苹玫暮教炱鳌５聦?shí)上，俄羅斯目前依然使用改進(jìn)型的“進(jìn)步”飛船，而且在國際空間站貨運(yùn)補(bǔ)給中的地位已經(jīng)有所削弱。美國本土制造的飛船如同雨后春筍般涌出，最典型的要數(shù)已經(jīng)參與空間站貨運(yùn)補(bǔ)給的“龍”式飛船與“天鵝座”飛船。

“龍”式飛船作為SpaceX公司的主打產(chǎn)品，同時也是私營商業(yè)公司“統(tǒng)治”近地軌道的一個標(biāo)志。2012年5月，“龍”式飛船首次與國際空間站實(shí)現(xiàn)對接，并將半噸左右的物資運(yùn)抵空間站。本次飛行屬于SpaceX公司與美國宇航局之間簽署的價(jià)值16億美元合同的一部分，“龍”式飛船將完成12次空間站補(bǔ)給任務(wù)。作為第一艘商業(yè)性質(zhì)的貨運(yùn)飛船，SpaceX公司賦予了其可重復(fù)使用的特點(diǎn)。與蘇/俄的“進(jìn)步”飛船相比，“龍”式飛船在結(jié)構(gòu)上有著很大的區(qū)別，但仍然設(shè)有3個主要功能部分，最下面的是非加壓艙，用于裝載非加壓貨物，還能支持飛船的電源系統(tǒng)等；中段為圓錐形的彈道結(jié)構(gòu)，這也是飛船上最復(fù)雜的艙室，內(nèi)部設(shè)置了貨物模塊和服務(wù)模塊，飛船上的電子設(shè)備、再入支持系統(tǒng)都放在這里，同時也具備加壓功能，因此一些需要加壓存放的物體會置于這個艙中，未來“龍”式飛船的載人模塊也會放置在這里；第三部分就是最前面的整流錐體，用來保護(hù)飛船。endprint

龍式飛船高約6米，直徑3.7米，最大有效載荷為6噸，與“進(jìn)步”飛船相當(dāng)，可分別提供大約10～14立方米的空間加壓和不加壓貨艙空間，外部敷設(shè)了高性能隔熱裝置與熱防護(hù)系統(tǒng)，整體技術(shù)水平比“進(jìn)步”飛船先進(jìn)。此外，“龍”式飛船在研制過程中也考慮了載人的問題，中部的圓錐彈道結(jié)構(gòu)可以可以容納7名宇航員，為上下分布結(jié)構(gòu)，上面設(shè)4個座椅，下面設(shè)3個座椅，人員運(yùn)載能力與航天飛機(jī)相當(dāng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“聯(lián)盟”飛船的3名宇航員。SpaceX公司在成功研制“龍”式飛船后名聲大噪，要知道飛船這樣的天地往返平臺都是國家級工程，不論是俄羅斯“聯(lián)盟”和“進(jìn)步”飛船、美國“水星”和“雙子”座飛船，還是我國的“神舟”飛船，都算是一項(xiàng)大工程。而一家民間航天企業(yè)能研制出一整套的飛船、火箭系統(tǒng)確實(shí)有其過人之處，實(shí)現(xiàn)了私營企業(yè)具備航天器發(fā)射、重返大氣層的運(yùn)營能力。

美國東部時間2014年1月9日，軌道科學(xué)公司使用“安塔瑞斯”號運(yùn)載火箭搭載“天鵝座”飛船從瓦勒普斯島美國航天局基地發(fā)射升空，為空間站帶去了1.26噸的貨物。這標(biāo)志著“天鵝座”貨運(yùn)飛船正式開始為國際空間站提供貨運(yùn)服務(wù)，也是繼SpaceX公司之后又一種加入空間站貨運(yùn)隊(duì)伍的飛船。美國宇航局與軌道科學(xué)公司簽署的合同金額為19億美元，共完成8次空間站補(bǔ)給任務(wù)，提供大約20噸貨物。事實(shí)上，“天鵝座”飛船是真正意義上的貨運(yùn)飛船，沒有載人的拓展模塊和設(shè)計(jì)，與“龍”式飛船相比其任務(wù)單一，貨運(yùn)量也較小，運(yùn)送物資噸位為2～2.7噸。從外觀上看，“天鵝座”飛船有兩個主要部分，分別為加壓貨艙和軌道服務(wù)艙，18立方米的加壓貨艙由泰利斯阿萊尼亞航空航天公司制造，服務(wù)艙使用了成熟的衛(wèi)星平臺設(shè)計(jì)，電力由兩側(cè)砷化鎵太陽能電池板提供，靠泊能力為30天，下行載荷質(zhì)量為1.2噸。

歐洲空間局的貨運(yùn)飛船技術(shù)也是非常先進(jìn)的，其研制的ATV自動貨運(yùn)飛船是歐洲所發(fā)射的最大質(zhì)量的航天器。ATV飛船隸屬于歐洲空間局，歐洲工業(yè)集團(tuán)與EADS公司為主要承包商，其任務(wù)目的也是向國際空間站運(yùn)輸燃料、食物以及科學(xué)儀器。ATV飛船沿用了傳統(tǒng)貨運(yùn)飛船的主要功能艙，為經(jīng)典的雙艙布局，加壓貨艙位于飛船的前段，對接機(jī)構(gòu)也位于飛船的加壓貨艙模塊內(nèi)，加壓貨艙容積達(dá)到了45立方米，內(nèi)設(shè)鋁合金標(biāo)準(zhǔn)貨架，設(shè)計(jì)參考了哥倫布實(shí)驗(yàn)艙的總體結(jié)構(gòu)；后部的服務(wù)模塊為推進(jìn)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的集成區(qū)、歐洲空間局賦予了ATV飛船極強(qiáng)的軌道自主飛行能力，因此其飛行控制系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)可以滿足自動對接的需要，配備了4臺主發(fā)動機(jī)和28臺姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)，4塊大型太陽能電池板可提供接近5000瓦的電力供應(yīng)，能夠在軌道上進(jìn)行長時間的無人飛行，甚至是規(guī)避軌道碎片。

ATV飛船與“天鵝座”飛船一樣，都不具備可重復(fù)使用的能力，補(bǔ)給任務(wù)完成后攜帶一定質(zhì)量的空間站垃圾再入大氣層燒毀。但是，歐洲空間局仍然希望將ATV飛船打造成可載人的宇宙飛船，方案是將前段的貨運(yùn)艙改造成返回艙，在外敷設(shè)隔熱防護(hù)系統(tǒng)，這樣可以讓飛船再入大氣層后安全濺落，可攜帶數(shù)百千克的貨物返回地球。其次是將加壓模塊改造成可載人的返回艙，嵌入生命保障等系統(tǒng)。

值得一提的是，日本自動轉(zhuǎn)移飛行器HTV飛船被列為世界上最大的貨運(yùn)飛船之一。其全長達(dá)到10米，直徑4.4米，上行攜帶物資能力為6噸，可以運(yùn)送龐大的構(gòu)件。自2010年美國航天飛機(jī)退役后，HTV飛船是唯一一種能運(yùn)輸大型物件的貨運(yùn)飛船。HTV飛船造型獨(dú)特，像一個巨大的“圓筒”，連太陽能電池板都覆蓋在中部的非增壓艙外側(cè)。從結(jié)構(gòu)上看仍然為三段式，尾部為儀器艙和推進(jìn)器艙，中段是非增壓艙，前段為增壓艙，對接口位于增壓艙外側(cè)。全飛船凈質(zhì)量為10噸，加壓艙上行載荷能力為4.5噸，非加壓艙為1.5噸，在軌停留時間可以超過7天，對接空間站的停泊時間在30天。

HTV飛船也是一種一次性使用的貨運(yùn)飛船，是日本航天技術(shù)的集中體現(xiàn)。自1997年日本發(fā)射“試驗(yàn)衛(wèi)星”-7號以來，實(shí)現(xiàn)了空間交會對接。HTV-1在2009年發(fā)射升空，到目前為止日本共發(fā)射了4艘HTV貨運(yùn)飛船，其中HTV-4在2013年8月升空，為空間站帶去了5.4噸的物資。日本航天機(jī)構(gòu)計(jì)劃在國際空間站任務(wù)框架下發(fā)射7艘HTV飛船。日本成功研發(fā)HTV飛船說明其掌握了載人航天工程中航天器交會對接與停靠技術(shù)，為后續(xù)發(fā)展載人飛船進(jìn)行技術(shù)儲備。

事實(shí)上，當(dāng)前貨運(yùn)飛船的用途是支持空間站的建設(shè)，蘇/俄以及美國空間站發(fā)展都使用了貨運(yùn)飛船。當(dāng)然，航天飛機(jī)憑借其巨大的載荷能力可以運(yùn)輸更大的構(gòu)件，但從經(jīng)濟(jì)性上看，貨運(yùn)飛船在空間站的后期運(yùn)營中則效能則非常突出，可以做到定期定量進(jìn)行補(bǔ)給，空間站在軌長期運(yùn)行由于近地?cái)z動導(dǎo)致的軌道高度降低也需要貨運(yùn)飛船來定期提升。

貨運(yùn)飛船的發(fā)展與空間站的建設(shè)是密不可分的?？臻g站在建造、運(yùn)行、在軌任務(wù)拓展以及壽命末期都需要使用貨運(yùn)飛船。從空間站的運(yùn)營上看，在軌操作、在軌維持以及航天員駐留是三大關(guān)鍵因素。其中，在軌操作還包含了空間站的組裝建設(shè)、軌道、姿態(tài)等控制；而在軌維修主要涉及后期的維護(hù)、平臺檢查等。宇航員的駐留則與載人飛船有關(guān)，一些空間應(yīng)用需要宇航員介入，這三大環(huán)節(jié)都需要貨運(yùn)飛船支持。

根據(jù)貨運(yùn)飛船與空間站之間的補(bǔ)給方案，補(bǔ)給時間應(yīng)該選擇在空間站上物資儲備接近最低限度的時候。比如推進(jìn)劑和宇航員必備的生活物資數(shù)量，只要有一項(xiàng)物資接近最低值，就要安排貨運(yùn)飛船進(jìn)行補(bǔ)給。目前，國際空間站的物資補(bǔ)給由5種型號的貨運(yùn)飛船完成，歐洲、俄羅斯、日本各1艘，另外2艘來自美國本土。補(bǔ)給任務(wù)需要考慮1艘貨運(yùn)飛船發(fā)射失敗后是否具備再次補(bǔ)給的能力，比如2011年“進(jìn)步”M-12M飛船失事后不僅導(dǎo)致了宇航員正常任務(wù)難以開展，也使得下一輪“聯(lián)盟”飛船執(zhí)行的人員輪換也往后順延。此外，貨運(yùn)飛船的發(fā)射還受到發(fā)射窗口的約束，空間站與貨運(yùn)飛船之間都有各自的約束條件。需要指出的是，空間站每次輪轉(zhuǎn)補(bǔ)給需要貨運(yùn)飛船先發(fā)射，然后再發(fā)射載人飛船，這也印證了那句老話：兵馬未動，糧草先行。

經(jīng)歷航天飛機(jī)時代后，美國本土航天發(fā)展重新回到飛船這條老路上，但是飛船平臺的運(yùn)載能力大大下降，航天飛機(jī)可運(yùn)輸超大型構(gòu)件，運(yùn)載能力接近30噸，這是區(qū)區(qū)6至7噸運(yùn)載能力的貨運(yùn)飛船所不能比擬的。隨著航天飛機(jī)的退役，美國開始嘗試?yán)蒙虡I(yè)軌道運(yùn)輸模式來降低近地軌道運(yùn)輸成本，由此引發(fā)了美國本土飛船的井噴式發(fā)展，從中可以看出，未來一段時間的貨運(yùn)飛船發(fā)展傾向于多次可重復(fù)使用，并且能與載人飛船建立更多的通用性。

（編輯/一翔）endprint