各有所長的貨運(yùn)飛船

□ 諸葛文

“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船模型

10月28日， 在為國際空間站發(fā)射“天鵝座”貨運(yùn)飛船時(shí)，由于運(yùn)載火箭發(fā)生爆炸，導(dǎo)致箭毀船亡。

雖然現(xiàn)在只有俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)一種載人飛船可以為國際空間站提供乘員的天地往返，但是能為它提供物資運(yùn)輸?shù)呢涍\(yùn)飛船卻有多種，除了“天鵝座”外，還有俄羅斯的“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船、歐洲的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”、日本的“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”和美國太空探索技術(shù)公司的“龍”貨運(yùn)飛船。

不斷進(jìn)步的“進(jìn)步”

“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船是在“聯(lián)盟”號(hào)載人飛船基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的，由貨物艙、補(bǔ)給艙和服務(wù)艙組成，總質(zhì)量約7噸，有效載荷2.3噸以上。

其貨物艙構(gòu)造與“聯(lián)盟”號(hào)軌道艙相似，可裝1.7噸以上的貨物。當(dāng)“進(jìn)步”號(hào)與空間站對(duì)接后，乘員進(jìn)入貨物艙搬貨到空間站；在其脫離空間站之前，乘員可把空間站上1噸～1.7噸的垃圾轉(zhuǎn)移到貨物艙中，再入大氣層時(shí)隨飛船一起燒毀。

其補(bǔ)給艙取代了“聯(lián)盟”號(hào)的返回艙，裝有多個(gè)推進(jìn)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(gè)水箱，燃燒劑和氧化劑通過對(duì)接環(huán)上的液體連接器轉(zhuǎn)移到空間站自身的推進(jìn)系統(tǒng)中。

其服務(wù)艙與“聯(lián)盟”號(hào)的儀器/推進(jìn)艙相同，用于貨運(yùn)飛船與空間站的變軌對(duì)接、提高空間站的軌道高度。

第一艘“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船是1978年1月20日升空的，飛往了“禮炮”6號(hào)空間站。1978年～1990年期間，一共發(fā)射了43艘“進(jìn)步”號(hào)飛船，為“禮炮”6號(hào)、7號(hào)空間站提供了大量的貨物補(bǔ)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(shí)間。不過，“進(jìn)步”號(hào)沒有太陽能電池翼，它是用電池供電，此后，蘇聯(lián)/俄羅斯又對(duì)“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)行了多次改型。

1989年8月，在“進(jìn)步”號(hào)基礎(chǔ)上改進(jìn)的“進(jìn)步”M首次執(zhí)行“和平”號(hào)空間站任務(wù)。它裝有一副太陽電池翼，可獨(dú)立飛行30天；采用了新的服務(wù)艙，載貨量比“進(jìn)步”號(hào)多100千克；采用了新的對(duì)接系統(tǒng)，使空間站內(nèi)的航天員可以控制無人貨運(yùn)飛船飛向空間站。

在參與國際空間站項(xiàng)目后，為進(jìn)一步增強(qiáng)補(bǔ)給能力，俄羅斯將“進(jìn)步”M飛船改進(jìn)為“進(jìn)步”M1。其補(bǔ)給艙內(nèi)增加了幾個(gè)推進(jìn)劑貯箱，將12個(gè)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(jìn)劑攜帶量；裝有新型計(jì)算機(jī)，用“航向”-MM數(shù)字交會(huì)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(kuò)大到30千米，同空間站對(duì)接后的聯(lián)合飛行時(shí)間達(dá)180天。2000年2月1日，“進(jìn)步”M1首次升空，執(zhí)行“和平”號(hào)空間站任務(wù)。2000年8月6日，第3艘“進(jìn)步”M1發(fā)射，這是第一艘執(zhí)行國際空間站任務(wù)的“進(jìn)步”系列飛船?！斑M(jìn)步”-M1還曾作為空間拖船，將退役的“和平”號(hào)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(jìn)的“進(jìn)步”M-M，它配有運(yùn)行速度更快的先進(jìn)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(gè)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(duì)接更加準(zhǔn)確。

大力士“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”

歐洲的貨運(yùn)飛船叫“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”，運(yùn)貨能力可達(dá)7噸，是迄今運(yùn)載能力最大的貨運(yùn)飛船，從2008年起到2014年共發(fā)射了5個(gè)。

體積像雙層巴士一樣的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”有4類用途：向空間站運(yùn)送補(bǔ)給物資；貨物卸載后可用作空間站的附加活動(dòng)室；提升國際空間站的軌道；把6.5噸空間站產(chǎn)生的廢棄物資帶入大氣層燒毀。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”由加壓艙、推進(jìn)艙和電子設(shè)備艙組成，形狀像個(gè)大圓筒，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噸～5.5噸補(bǔ)給品、科學(xué)儀器、食物等貨物；還能放置飲用水以及為空間站運(yùn)送的推進(jìn)劑和空氣（氧和氮）等液體罐和氣體罐。與空間站對(duì)接后，2名航天員穿上普通服裝就能進(jìn)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(chǔ)存設(shè)備中。當(dāng)貨物卸載任務(wù)完成后，自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器仍可作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)接設(shè)備和用于交會(huì)的測量裝置，用于實(shí)現(xiàn)飛船同國際空間站的自動(dòng)對(duì)接。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的主推進(jìn)系統(tǒng)是4臺(tái)490牛發(fā)動(dòng)機(jī)，姿態(tài)控制系統(tǒng)用28臺(tái)220牛推進(jìn)器。它們除在往返過程中使用外，還用于空間站的軌道維持、姿態(tài)控制、空間碎片規(guī)避機(jī)動(dòng)。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(duì)接系統(tǒng)的天線。

電子設(shè)備艙是“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的大腦，裝有計(jì)算機(jī)、陀螺儀、導(dǎo)航系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通信設(shè)備多個(gè)關(guān)鍵部件。其通信采用S頻段，通過GPS實(shí)施導(dǎo)航。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”外部裝有4個(gè)太陽電池翼，每個(gè)翼由4塊太陽電池板構(gòu)成，面積達(dá)33.6平方米，平均發(fā)電功率為4.8千瓦。4個(gè)太陽電池翼展開時(shí)呈X形，跨度達(dá)22.28米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)看去就像金屬制成的藍(lán)色“翅膀”。每個(gè)太陽電池翼的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是各自獨(dú)立的，可以實(shí)現(xiàn)最佳對(duì)日定向。

根據(jù)計(jì)劃，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”今后將不再發(fā)射。不過，歐空局將在“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”基礎(chǔ)上研制可以運(yùn)送貨物返回地球的“先進(jìn)再入飛行器”，預(yù)計(jì)2017或2018年首飛。

大容量H-2轉(zhuǎn)移飛行器

從2009年到2014年，日本先后向國際空間站發(fā)射了5個(gè)名叫H-2轉(zhuǎn)移飛行器的貨運(yùn)飛船。這種飛船的貨物運(yùn)載能力約為6噸，最大特點(diǎn)是可運(yùn)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(jìn)艙4部分組成。貨物補(bǔ)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(jìn)艙內(nèi)裝有4個(gè)推進(jìn)劑貯箱、主推進(jìn)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(gè)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。

由于H-2轉(zhuǎn)移飛行器的艙門大，與空間站的接口各邊均加寬到約1.2米，所以可以搬運(yùn)其他貨運(yùn)飛船無法搬送的大型裝置。日本認(rèn)為，在美國航天飛機(jī)退役后，H-2轉(zhuǎn)移飛行器可成為唯一能向國際空間站運(yùn)送大型物體的飛船。

另外，與其他貨運(yùn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)和在軌更換裝置。

它還有獨(dú)特的交會(huì)對(duì)接技術(shù)，與空間站對(duì)接采用“停靠”方式，即當(dāng)H-2轉(zhuǎn)移飛行器與空間站接近到10米距離時(shí)，兩相對(duì)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(jī)械臂將其捕獲，與空間站對(duì)接口實(shí)現(xiàn)對(duì)接，此法比較安全。

該貨運(yùn)飛船有三大用途：為“希望”號(hào)日本實(shí)驗(yàn)艙以及國際空間站其他艙段運(yùn)送維修所需的消耗品和補(bǔ)給物品；為國際空間站上的航天員運(yùn)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(jì)劃的其他國家運(yùn)送實(shí)驗(yàn)所需的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料。

日本計(jì)劃向國際空間站總共發(fā)射6個(gè)H-2轉(zhuǎn)移飛行器，每年發(fā)射1個(gè)。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，計(jì)劃在2016到2018年之間發(fā)射。

可回收的“龍”飛船

美國太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船是所有貨運(yùn)飛船中唯一可以運(yùn)回物品的，這是因?yàn)樵擄w船帶有熱防護(hù)罩，可在返回時(shí)耐受極高溫安全降落，而其他飛船只能在再入大氣時(shí)燒毀。“龍”飛船長5.9米，最大直徑3.6米，自重4.2噸，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(duì)接機(jī)構(gòu)，在上升階段起保護(hù)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(chǔ)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(yùn)送載荷最大質(zhì)量6噸，返回載荷最大質(zhì)量3噸。

“龍”飛船采用具有廣泛繼承性的電子系統(tǒng)和由18臺(tái)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(hù)罩和側(cè)壁熱防護(hù)系統(tǒng)。其對(duì)接機(jī)構(gòu)為國際空間站通用?？繖C(jī)構(gòu)，用空間站機(jī)械臂捕獲方式對(duì)接，這種對(duì)接方式可減少飛船上對(duì)接系統(tǒng)的質(zhì)量、成本和復(fù)雜性，提高對(duì)接的安全性。到2014年9月，“龍”飛船已完成4次商業(yè)補(bǔ)給任務(wù)。

根據(jù)合同，到2016年，將總共發(fā)射12艘“龍”飛船，向國際空間站運(yùn)送20噸貨物，并從國際空間站帶回樣品。