ATV、獵戶座和海鷹的飛船“三角戀”

文/李晨風

歐空局的自動轉移飛行器（ATV），最初稱為阿里安轉移飛行器。它是一種一次性的貨運飛船,在2008～2015年先后發(fā)射了5次，但是因為歐空局沒有申請到后續(xù)經費，所以就此畫上了句號。但是，歐空局一直沒有放棄把它改造成載人飛船的努力。失敗了兩次之后，最終在美國“獵戶座”飛船的MPCV版上找到了轉世重生的機會。而俄羅斯在研的“海鷹”下一代飛船，也和ATV有直接的歷史關系。這看起來簡直就像是一段三角戀故事。

獵戶座飛船的服務艙將采用歐空局的自動轉移飛行器（ATV）服務艙

洛·馬公司基于獵戶座飛船設想的登月艙

和貨運飛船一起飛向深空的獵戶座飛船

獵戶座飛船與自動轉移飛行器的關系

作為美國當前在研技術水平最高、投入最大的飛船型號，獵戶座飛船最近似乎很少出現在人們的視野當中，反而是用來發(fā)射獵戶座飛船的SLS火箭上鏡機會更多。其實，獵戶座飛船早就準備完畢，打算在2022年8月首次升空。

該飛船在8月要執(zhí)行的，是美國重返月球的阿爾忒彌斯1號任務，不但是SLS火箭的首次飛行，也是獵戶座MPCV版的首次飛行，也就是“多用途載人飛行器”。根據計劃，獵戶座飛船將實施26～42天的飛行任務，其中至少有6天是在繞月的逆行軌道上。那么，它和歐洲的自動轉移飛行器有啥關系呢？

之所以從單純的“獵戶座”改名為MPCV，是因為增加了兩個艙段。由美國洛·馬公司研制的獵戶座飛船原本是一個圓臺形的飛行器，不過這僅僅是乘員艙罷了。要想執(zhí)行長時間太空飛行任務，需要推進艙（或者叫服務艙）等的支持。MPCV就是引入了歐洲空客航天防務公司研制的服務艙，這種服務艙是在歐洲ATV貨運飛船基礎上開發(fā)而來的。

除了推進艙之外，獵戶座的另一個組成部分是逃逸塔。和聯盟飛船或者神舟飛船的發(fā)射不同，獵戶座飛船是不收納在整流罩當中的，而是直接暴露在SLS火箭頂部。因此，逃逸塔是連接在飛船頂部，而不是整流罩上的。在研制過程當中，逃逸塔也被認為是飛船的一部分，而不是火箭的一部分。

轉世重生的歐洲自動轉移飛行器（ATV）

ATV全部由阿里安5運載火箭發(fā)射，五艘飛船各自以歐洲科學和工程界的重要人物命名，包括儒勒·凡爾納、約翰內斯·開普勒、愛德華多·阿馬爾迪、阿爾伯特·愛因斯坦和喬治·勒梅特。ATV給國際空間站送去了各種有效載荷，如推進劑、水、空氣、食品和科研設備，在接駁期間，ATV還負責為空間站提供軌道保持的推進。

上世紀90年代，美國、俄羅斯和歐洲共同決定研制國際空間站。當時的空間站貨物補給手段只有3種：航天飛機人貨混裝，聯盟飛船人貨混裝，進步飛船載貨。歐洲希望抓住機會，研制屬于自己的飛船，提高航天工業(yè)水平。1995年10月，各方同意在歐空局的贊助下對國際空間站做出多種貢獻，其中包括自動轉移飛行器。

1998年12月9日，歐空局授予法國航空航天公司一份價值4.7億美元的合同，承擔ATV的總包工作。分包商包括意大利阿萊尼亞、法英聯合的馬特拉·馬可尼航天、德國航空航天公司(DASA)。俄羅斯能源集團也提供了一些組件，其中包括對接機構、燃料補加機構和相應的控制設備。ATV的加壓艙部分主要由阿萊尼亞航天公司負責，在該公司位于意大利都靈的工廠生產。

獵戶座飛船的降落傘測試

從上世紀90年代末期到21世紀，歐洲的航天防務企業(yè)界發(fā)生了復雜的重組和股權變更，最終ATV的主要承包商變成了空中客車航天防務公司。隨著項目從開發(fā)進入生產階段，大部分活動都轉移到了德國不來梅，5艘飛船都是在那里制造的。

獵戶座飛船進行航天員出艙演練

獵戶座飛船的逃逸塔

根據德國航空航天中心(DLR)的數據，ATV的開發(fā)成本約為13.5億歐元，每艘ATV的成本約為3億美元，其中不包括發(fā)射成本。按照歐空局的思路，ATV由兩個主要的部分組成：系統(tǒng)總線和綜合貨運載體。系統(tǒng)總線包含ATV的推進系統(tǒng)、電子設備和太陽能電池板。系統(tǒng)總線在船箭分離之后負責實施變軌飛行，并與國際空間站對接。綜合貨運載體包括一個加壓艙、容納流體和氣體貨物的非加壓艙、相應的電子設備和交會傳感器，以及對接機構。加壓艙外還有隕石和碎片防護系統(tǒng)。

ATV的交會對接系統(tǒng)由一對視頻記錄儀和一對測距儀組成。它還采用了備份的俄羅斯“航向”自動對接系統(tǒng)，與聯盟和進步飛船相同。

與航天飛機的淵源

而ATV飛船和洛·馬公司的老產品航天飛機還有一段歷史淵源。

ATV的加壓艙是從國際空間站“多用途后勤艙”（MPLM）發(fā)展而來?！岸嘤猛竞笄谂摗痹缒晔菫楹教祜w機設計的，裝滿貨物后用航天飛機送到國際空間站，然后用機械手抓取，對接到空間站上。加壓艙的貨物用完后裝滿垃圾，再用航天飛機帶回地球。

所以，歐空局在設計ATV的時候，在“多用途后勤艙”基礎上進一步擴大，并且用“系統(tǒng)總線”取代了航天飛機。ATV發(fā)射時重量達到20.7噸，載貨量達到8噸。一般來說，ATV的貨物配置包括1500～5500千克干貨物（補給貨物、科學有效載荷等），840千克的水，100千克氣體（氮氣、氧氣或空氣，三選二），以及最多4700千克推進劑。

ATV的系統(tǒng)總線部分配備了3800瓦的太陽能電池板、40安時的電池、4個R-4D型490牛推進器、28個220牛的姿態(tài)控制和制動推進器。

太空中的ATV飛船

獵戶座載人飛船

作為一種優(yōu)秀的飛船，歐空局在2008年就提出要在ATV基礎上開發(fā)多種新的航天器，包括載人飛船、空間站艙段等，但都沒有申請到經費。2012年4月2日，歐空局宣布ATV計劃將在2014年發(fā)射第五艘后終止。但是同年又出現了新的希望，歐空局成員國共同決定，在ATV設計基礎上進行調整，為美國宇航局獵戶座飛船研制奔月服務艙。2013年1月，美國宇航局同意了這個方案，這就是MPCV的由來。

歐空局的自動轉移飛行器（ATV）

未來美國登月艙必然會基于獵戶座飛船研制

其他想法

歐空局方面曾經討論過ATV的幾種衍生型號，比如說貨運返回型號（CARV），可以把科學數據載體和在空間制造的物品帶回地面。如果CARV取得成功，再進一步開發(fā)成載人型號。載人型號稱為CTV，用加壓再入艙取代當前的綜合貨運艙，同時增加逃逸救生分系統(tǒng)。CTV設計載人能力為4～5人。

ATV改造成載人飛船的想法不止上面這一個。2008年5月14日，俄羅斯能源集團、歐洲的EADS阿斯特里姆公司和德國航空航天中心(DLR)宣布，打算在ATV基礎上，研制一種三艙式載人飛船。這顯然是沿用了聯盟飛船的理念，且更大、更寬敞。其中ATV的加壓艙作為軌道艙部分，俄羅斯提供一種新的返回艙，在返回艙后面對接一個服務艙，成為完整的載人飛船。據說這個型號是為了和美國的“獵戶座”飛船系統(tǒng)相競爭。

歐空局和俄羅斯航天局都曾經對這個型號寄予厚望。按照計劃，將首先研制載人的先進再入飛行器（ARV），在2015年首次飛行，能夠將1500千克的貨物送回地球。再用4～5年時間，改造成為載人返回艙。2009年7月，歐空局向EADS阿斯特里姆公司提供了2100萬美元的研究合同。但是很快，因為歐洲政府財政危機，項目取消。俄羅斯隨后用ARV的設計提出了“海鷹”新一代飛船計劃，并且繼續(xù)推進，預計在2025年首飛。

另外一個想法是迷你空間站（MSS），在ATV的后部再開一個對接口，這樣就能把幾艘ATV串聯起來，形成多艙。在實際發(fā)射的5艘ATV當中，其實已經為這個概念留出了條件。ATV的主推進系統(tǒng)是環(huán)形布置在飛船后部的，中間可以開辟一個隧道，雖然很狹窄，但是航天員可以勉強爬過去，就像圣誕老人鉆煙囪一樣。對接口可以和聯盟飛船兼容。

獵戶座飛船用SLS火箭發(fā)射，必須研制逃逸塔

基于獵戶座飛船的一種月球著陸器設想