專為貨運研制的“天鵝座”和HTV

文/錢衛(wèi)

天鵝座飛船為國際空間站送貨

搭載著天鵝座飛船的宇宙神5火箭點火

分離前的HTV-2

天鵝座飛船的商業(yè)機會，實際上是“撿”來的。在美國宇航局發(fā)布空間站商業(yè)貨運合同之初，曾經(jīng)選定了火箭飛機凱斯特勒公司，但是這家公司后來卻無法履行合同。于是美國宇航局在2007年10月18日決定終止合同，并在2008年2月19日選擇了軌道科學公司，授予價值19億美元的商業(yè)貨運合同，在2016年前實施8次貨運飛行。軌道科學公司后來被諾·格公司收購，于是這份合同就落到了諾·格公司手中。

和其他現(xiàn)役型號相比，“天鵝座”可能是針對性最強的一個型號。它僅僅是為了承擔國際空間站貨運工作而設計的，既沒有考慮長期留軌，也沒有考慮進化成載人型號的潛力。而且軌道科學公司自己甚至沒有研制加壓貨艙（PCM）的能力，這部分是由歐洲泰雷斯-阿萊尼亞公司代工的，也算是和ATV有很近的血緣關系。軌道科學公司自己承擔的是服務艙研制，而服務艙上的兩個圓形太陽電池同樣是歐洲代工，具體負責的是荷蘭航天公司。這導致諾·格公司后期想在“天鵝座”上做更多文章、改造成返回式貨船時，遇到了很大的困難。

載貨能力最差的飛船

軌道科學公司的天鵝座飛船

國際空間站上的日本HTV貨運飛船

和ATV一樣，天鵝座飛船由兩個基本組件組成：加壓貨運艙（PCM）和服務艙（SM）?；拘蚉CM的空重為1500千克。SM艙由軌道科學ATK公司建造，技術基礎是GEOStar和LEOStar衛(wèi)星平臺，以及為黎明號探測器開發(fā)的組件，其發(fā)射質量為1800千克?；拘汀疤禊Z座”建造了5艘，第一艘沒有載貨，第二艘僅僅載貨589千克，第三艘增加到1260千克，第四艘增加到1494千克，第五艘試圖把載貨量提高到2215千克，卻因為發(fā)射失敗而損毀。

目前，基本型天鵝座已經(jīng)退役，從第四艘開始就改成了“增強型”。增強型的PCM有所拉長，空重達到1800千克，內(nèi)部體積增加到27立方米，載重量可以達到3500千克以上。

不過和其他貨運飛船相比，“天鵝座”的單位容積載重量是最低的。這與用來發(fā)射它的“心宿二”火箭運載能力不足有直接關系。

加拿大臂2捕獲天鵝座飛船

進步飛船和天鵝座飛船并列在一起

轉職月球宿舍

有意思的是，“天鵝座”飛船這種大卻不能裝的特色，在美國宇航局的載人重返月球計劃中，卻體現(xiàn)出了獨特的價值。它是目前美國企業(yè)生產(chǎn)的可載人航天器中內(nèi)部空間最大的。其他公司的同類產(chǎn)品都還在PPT上。用它來改造成新的空間站艙段，再合適不過了。

2019年8月，美國宇航局決定向諾·格公司創(chuàng)新系統(tǒng)部授予獨家合同，研制地月空間站的最小居住艙，后來改名為居住和后勤前哨站，簡稱HALO。HALO艙直接用增強型“天鵝座”改造，分為兩種型號，一種是6.1米×3米的極簡設計，一種是7米×4.4米的擴大型設計。諾·格公司要在加壓艙外面添加徑向對接口、散熱器、電池和通信天線。2020年6月5日，美國宇航局授予諾·格公司一份1.87億美元的新合同，以完成HALO的初步設計。另外一家美國企業(yè)麥克薩爾公司正在為它建造動力和推進元件（PPE）集成。

最像“天舟”的日本的HTV

心宿二火箭和天鵝座飛船在廠房中

準備與國際空間站對接的天鵝座飛船

日本此前擁有一種國際空間站貨運飛船HII轉移飛行器（HTV），外號“白鸛”，是日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的。研制這個型號的目的和歐空局基本相同，主要是提升日本的航天科研能力。HTV也是日本第一次研制具有載人能力的航天器。按照日本說法，HTV對于國際空間站的再補給非常重要，因為航天飛機退役后，HTV是唯一能夠轉運105厘米寬的國際標準實驗機柜（ISRP）的飛船。HTV有一個外部有效載荷艙，可以用機械臂操作。在內(nèi)部，它總共能裝載8個ISPR，這是“載人龍”和“天鵝座”都做不到的，進步飛船就更不行了。HTV和其他貨運飛船的另一個重大差異，就是太陽能電池的安裝方式。其他飛船基本都采用可展開式太陽翼，只有HTV采用了體裝式太陽電池，看起來有一種80年代通信衛(wèi)星的感覺。

天鵝座飛船和聯(lián)盟飛船并列在國際空間站上，前者不是用機械臂捕獲的

日本第六艘HTV

日本制造的HTV-4飛船與國際空間站對接

HTV只飛行了9次。2015年5月，日本宣布研制一種新的飛船型號HTV-X，在HTV基礎上改進性能、降低成本。按照早期計劃，它應該在日本的2022年聯(lián)合財政年度首飛，不過現(xiàn)在推遲到2023年了。HTV-X的基本思路是這樣的：盡可能沿用HTV的加壓貨艙設計，但是要增加一個側艙口，方便在飛船與運載火箭結合后，再次向飛船內(nèi)添加貨物；采用新的服務艙，配用新的電子設備和推進系統(tǒng)，并且用來容納非加壓貨物。非加壓貨物裝載在服務艙頂部，而不是飛船內(nèi)部；姿態(tài)控制系統(tǒng)（RCS）和太陽能電池板集中在服務艙上，簡化布線和管道，以減少重量和制造成本。另外，把非加壓的貨物裝載到航天器外，可以裝載體積更大的貨物，只要不超過運載火箭整流罩的限制就可以。據(jù)說，這樣的改進可以把成本在HTV基礎上削減一半。

如此，HTV-X由3個艙段組成。3.5米長的加壓艙位于后部，設計與HTV的加壓艙幾乎相同，但延長了0.2米。一個2.7米長的中央服務艙，側面裝有兩個太陽能電池板，產(chǎn)生1千瓦的電力，比HTV的200瓦更大，船載電池峰值功率達到3千瓦，而HTV只有2千瓦；通信鏈路容量由原來的8kbit/s增加到1Mbit/s；姿態(tài)和軌道控制發(fā)動機環(huán)形安裝在服務艙周圍。最前面是3.8米長的非加壓貨艙，其實就是一個帶貨架的空心圓筒。

HTV-X的服務艙和加壓艙總長度為6.2米，算上非加壓艙可以達到10米。預計HTV-X的發(fā)射質量將從HTV的16500千克下降到15500千克，而最大上行載貨能力將從HTV的6000千克增加到7200千克。但是到2021年的最終設計時，加壓艙的側艙口被放棄了，后期再增加貨物，就要打開主艙門，穿過星箭適配器裝進去。

日本現(xiàn)在僅僅為HTV-X開列了3艘飛船的預算。不過日本在2021年還提出，可以在HTV-X基礎上開發(fā)出一種叫做HTV-XG的型號，作為日本參加美國阿爾忒彌斯計劃的貢獻，用來向地月軌道空間站運送貨物。

日本的這兩個型號，都沒有考慮過改造成為載人飛船，甚至沒有考慮過改造成為返回式飛船。因此在理念上，它恐怕是最接近于天舟飛船的。