“船”行太空，客貨兩相宜

文/遲惑

星際線飛船飛行效果圖

2022年5月和6月，是全球載人航天收獲頗豐的時(shí)節(jié)。在中國，天舟四號貨運(yùn)飛船和神舟十四號載人飛船先后發(fā)射成功，與中國空間站核心艙對接。在美國，第一次商業(yè)載人空間站飛行活動AMOX-1取得成功；波音公司的星際線商業(yè)飛船歷經(jīng)挫折，終于飛行成功，在進(jìn)入軌道并且和國際空間站對接飛行了多天后返回地球，降落在白沙導(dǎo)彈靶場。這是美國新一代載人飛船中第三個(gè)飛行成功的。雖然它還沒有實(shí)現(xiàn)載人飛行，但想來也沒有什么無法逾越的技術(shù)障礙。這樣一來，再考慮到俄羅斯的載人航天活動，全世界目前在研、在用的飛船數(shù)量就達(dá)到了10多種，呈現(xiàn)出空前繁榮的局面。

在上述飛船當(dāng)中，最受人們關(guān)心和關(guān)注的，當(dāng)然就是各種載人飛船。但貨運(yùn)飛船同樣是載人航天的股肱之臣。沒有它們，無論哪個(gè)國家的空間站都是無法維持的。更有意思的是，如果我們詳細(xì)回顧世界上主要飛船的歷史淵源，會發(fā)現(xiàn)，載人飛船、貨運(yùn)飛船和空間站之間，并不是簡單的空間對接關(guān)系，在技術(shù)和思路上有著很多的相通之處。

全球飛船陣營：七客六貨

目前世界上一共有“聯(lián)盟”MS、“神舟”“載人龍”這3種飛船正在承擔(dān)載人飛行任務(wù)，另有美國洛·馬公司的“獵戶座”、波音公司的“星際線”和中國的新一代載人飛船在研。俄羅斯的“海鷹”飛船據(jù)說正在研制，但沒有詳細(xì)進(jìn)度公布。另外，預(yù)定用于發(fā)射“海鷹”的“安加拉”火箭研制一直不順利，很可能影響其發(fā)射進(jìn)度。

目前世界上一共有7種不同型號的貨運(yùn)飛船，分別是俄羅斯的“進(jìn)步”，中國的“天舟”，美國的“天鵝座”、“貨運(yùn)龍”、“追夢者”飛船，日本的H2火箭轉(zhuǎn)移飛行器（HTV），歐洲的自動轉(zhuǎn)移飛行器（ATV）。不過“追夢者”還在研制中，“貨運(yùn)龍”、ATV和HTV剛剛停產(chǎn)不久。

3種不同的設(shè)計(jì)思路

這些飛船采用了3種不同的設(shè)計(jì)思路。第一類貨運(yùn)飛船可以稱之為純貨運(yùn)飛船，也就是僅僅承擔(dān)把物資從地面送到空間站的責(zé)任，然后充當(dāng)垃圾清運(yùn)車，返回大氣層燒毀。第二類可以稱之為多用途類，它們不僅僅要把物資送上空間站，還要在空間站上長期對接，充當(dāng)一個(gè)臨時(shí)的加壓艙段，供航天員在里面工作、休息、生活，當(dāng)然也可以充當(dāng)倉庫。第三類是可重復(fù)使用的飛船。

廠房中的天舟四號飛船

“追夢者”與航天飛機(jī)

第一種飛船的代表就是俄羅斯的進(jìn)步飛船，第二種的代表有中國的天舟飛船、美國的天鵝座飛船，還有ATV和HTV。第三種的代表是“載人龍”和“追夢者”。

這幾類飛船之間，并不是涇渭分明的。載人飛船一般都有客貨混裝的能力，“載人龍”和“星際線”還采用了可拆卸座椅的模式，平時(shí)拆掉3個(gè)座椅來提高貨運(yùn)能力。有的貨運(yùn)飛船是用載人飛船改造而來，最典型的就是進(jìn)步飛船,它是在聯(lián)盟飛船基礎(chǔ)上去掉軌道艙以后研制的。

從國際空間站上分離的聯(lián)盟號飛船

還有的貨運(yùn)型飛船是載人飛船的先導(dǎo)型號，為了突破飛船結(jié)構(gòu)、返回與著陸等相關(guān)技術(shù)。當(dāng)這些技術(shù)取得成功之后，再進(jìn)一步突破與載人飛行相關(guān)的技術(shù)。貨運(yùn)龍飛船就是如此，也就是說，龍飛船與進(jìn)步飛船的研制模式是相反的。從某種意義上說，貨運(yùn)龍飛船是一種載人飛船的簡化型號，這種簡化型號可以在同一套設(shè)計(jì)藍(lán)圖的基礎(chǔ)上，形成兩種不同用途的飛船，對工作量簡化有著很重要的意義。追夢者飛船也試圖采取這種發(fā)展路線，但尚未成功。ATV也曾經(jīng)考慮改造成載人飛船，但型號中途下馬。

有些貨運(yùn)飛船是全新獨(dú)立研制的，它們從設(shè)計(jì)之初，就沒有考慮過任何載人往返的功能，包括天舟、HTV和天鵝座飛船在內(nèi)。它們不需要承擔(dān)航天員進(jìn)出大氣層的責(zé)任，因此沒有設(shè)置返回所需要的燒蝕材料層、降落傘系統(tǒng)、氣動控制系統(tǒng)、反沖火箭著陸系統(tǒng)等等，真的就是“單程貨運(yùn)卡車”。部分設(shè)計(jì)師們一度考慮過，用這類飛船改造成天地往返型號，至少能夠帶回一些空間試驗(yàn)的樣品，但都沒有實(shí)現(xiàn)。這類任務(wù)，如今都是通過載人飛船客貨混裝實(shí)現(xiàn)的。

運(yùn)貨能力差別大

載人飛船一般都是客貨混裝的，不太方便比較運(yùn)貨能力，所以我們這里只比較了幾種貨運(yùn)飛船的運(yùn)貨能力。貨運(yùn)飛船的尺寸差別很大，運(yùn)貨能力差別也很大。

名稱 尺寸 加壓空間容積 發(fā)射質(zhì)量 上行能力 單位容積載重量ATV 長10.3米，直徑4.5米 48立方米 20750千克 7667千克 159.73千克/立方米HTV 長9.8米，直徑4.4米 14立方米 16500千克 6000千克 428.57千克/立方米貨運(yùn)龍 長6.1米，直徑3.7米 9.3立方米 12519千克 6000千克 645.16千克/立方米進(jìn)步 長7.23米，直徑2.72米 7.6立方米 7200千克 2400千克 315.79千克/立方米追夢者 未發(fā)布 未發(fā)布 未發(fā)布 5000千克 未發(fā)布天鵝座 長5.1米，直徑3.07米 27立方米 6600千克 3000千克 111.11千克/立方米天舟 長10.6米，直徑3.35米 15立方米 13500千克 6500千克 433千克/立方米

獵戶座飛船

天鵝座飛船正在靠近國際空間站

我們可以發(fā)現(xiàn)一個(gè)比較有意思的事實(shí)，兩類貨運(yùn)飛船的貨物上行能力差異很大。進(jìn)步飛船的貨物總上行能力看起來差一些，但這主要是因?yàn)樗膬?nèi)部體積比較小，如果用單位空間載重力來衡量的話，它其實(shí)僅次于“貨運(yùn)龍”。這是什么原因呢？難道ATV、HTV都是沒裝滿就上天了嗎。

要知道，貨運(yùn)飛船并不是憑借自己的力量上天的，而是要依靠火箭?；鸺\(yùn)載能力的大小，實(shí)際上決定了貨運(yùn)飛船本身和貨物加在一起的重量。天舟四號飛船用長征七號運(yùn)載火箭發(fā)射，ATV用阿里安5火箭發(fā)射，HTV用H2火箭發(fā)射，貨運(yùn)龍飛船用獵鷹9火箭發(fā)射，這些火箭不同的運(yùn)載能力以及飛船發(fā)射質(zhì)量的差異，決定了飛船載貨能力的大小。

對接方式不同

無論客貨，上述飛船還可以進(jìn)行另外一種分類，那就是可以自主對接的和沒法自主對接、要靠機(jī)械臂抓到對接口上的。其中天舟、ATV、“進(jìn)步”、“追夢者”屬于第一種，其余屬于第二種。這兩種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)?？梢宰灾鹘粫拥娘w船，對接過程比較自由，不需要等待機(jī)械手的空閑時(shí)間，但是需要為它們設(shè)置雷達(dá)、光學(xué)敏感器、相應(yīng)的姿軌控能力，成本比較高；不可以自主交會對接的型號就完全相反。如果今后的空間站大量配備機(jī)械臂，或許后一種飛船會更受青睞吧。

日本HTV貨運(yùn)飛船抵達(dá)國際空間站

都是載人航天器

無論貨運(yùn)飛船還是載人飛船，都屬于載人航天器。這是因?yàn)?，它們和空間站對接之后，內(nèi)部環(huán)境是要打通的。航天員要穿著艙內(nèi)航天服進(jìn)入這兩類飛船，去搬運(yùn)貨物或者執(zhí)行操作。所以，即使是貨運(yùn)飛船，內(nèi)部也要提供人類可以生存的環(huán)境，至少要確保氣密性，不能成為空間站上的漏氣部位。正因?yàn)槿绱?，載人飛船、貨運(yùn)飛船、空間站艙段之間，有著技術(shù)上的互通性。隨著載人航天活動的持續(xù)開展，或許人們能在這3類飛行器之間找到更多的共同點(diǎn)，這樣，就能實(shí)現(xiàn)最大程度的材料、元器件、設(shè)計(jì)、工藝和流程通用化。這對降低成本、縮短周期、擴(kuò)大產(chǎn)能，有著重要的意義。