別了，歐洲貨運飛船！—最后一個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”升空

別了，歐洲貨運飛船！—最后一個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”升空

2014年7月29日，阿里安－5ES火箭成功將歐洲航天局（ESA）的第5個、也是最后一個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV－5）送入目標初始軌道，執(zhí)行“國際空間站”（ISS）貨運補給任務(wù)，開啟“自動轉(zhuǎn)移飛行器”系列的謝幕之旅。飛船用自身推力器提升軌道，8月12日與“國際空間站”交會，自動?？吭谛浅教柗?wù)艙的對接口上。對接前，飛船已自由飛行逾6×106km。

此次任務(wù)中，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”共向“國際空間站”運送超過6.5t食物、水、衣物、備用硬件和科學(xué)材料，而它自重亦達13t，ESA官員介紹說，滿載的自動轉(zhuǎn)移飛行器－5是阿里安－5火箭投入使用以來發(fā)射過的質(zhì)量最大的有效載荷，亦是2011年美國航天飛機退役后質(zhì)量最大的“國際空間站”到訪航天器。任務(wù)預(yù)計持續(xù)到2015年1月。

此次任務(wù)的亮點除了是“自動轉(zhuǎn)移飛行器”系列的謝幕之旅外，還試驗了新型交會敏感器。

1 “自動轉(zhuǎn)移飛行器”計劃回顧

自1987年起，歐洲工業(yè)界就在ESA領(lǐng)導(dǎo)下進行“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的概念和系統(tǒng)研究工作。早在1988年，幾個歐洲國家與美國和其他“國際空間站”合作伙伴簽訂了“政府間協(xié)議”，承諾參與“國際空間站”計劃。1992年，ESA開始與美國航空航天局（NASA）聯(lián)合研究。1994年，在俄羅斯加入“國際空間站”計劃后，ESA決定建造“自動轉(zhuǎn)移飛行器”。1995年10月舉行的部長級ESA會議正式批準“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的全面研制計劃。在“國際空間站”合作伙伴中，ESA代表涉及“國際空間站”計劃的10個歐洲國家（比利時、丹麥、法國、德國、意大利、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典和瑞士），同時包括哥倫布號實驗艙和“自動轉(zhuǎn)移飛行器”項目。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”計劃涉及這10個歐洲國家的許多公司及數(shù)以千計的技術(shù)人員和工程師，主承包商為空客防務(wù)與航天公司[前歐洲航空航天防務(wù)集團（EADS）]，管理著來自這10個歐洲國家的30多家分承包商及約2000名技術(shù)專家和工程師。同時參與合作的還有8家俄羅斯公司，主要由俄羅斯能源火箭航天集團（RKK Energia）牽頭，負責建造“自動轉(zhuǎn)移飛行器”對接機構(gòu)、燃料補加系統(tǒng)和相關(guān)電子設(shè)備?？湛头绖?wù)與航天公司和法國政府的共有企業(yè)阿里安航天公司是全球首家商業(yè)空間運輸公司，研制了專用于“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的阿里安－5ES火箭。

與“國際空間站”對接的自動轉(zhuǎn)移飛行器－5

ESA按比例向NASA償付的“國際空間站”運行成本中，大部分是以實物抵資（包括“自動轉(zhuǎn)移飛行器”）的方式，而非貨幣支付。ESA在13年間用于“自動轉(zhuǎn)移飛行器”計劃研制的預(yù)算約13億歐元，包括建造地面設(shè)施、第1個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”及其首航，后續(xù)每個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”建造成本約4.53億歐元，足夠償付2017年前的“國際空間站”運行成本。

命名

ESA將每個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”都以歐洲科學(xué)家和思想家的名字命名。自動轉(zhuǎn)移飛行器－1名為“儒勒·凡爾納”（Jules Verne），19世紀法國科幻作家和預(yù)言家。自動轉(zhuǎn)移飛行器－2得名于17世紀德國天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler），任務(wù)時間為2011年2-6月。自動轉(zhuǎn)移飛行器－3為紀念意大利物理學(xué)家愛德華多·阿瑪爾迪（Edoardo Amaldi），2012年3－10月在軌。自動轉(zhuǎn)移飛行器－4以偉大的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的名字命名，2013年6－11月在軌。自動轉(zhuǎn)移飛行器－5在2012年2月獲名“喬治·勒梅特”（Georges Lema?tre），以紀念這位比利時天文學(xué)家和宇宙學(xué)家，他被認為是宇宙起源“大爆炸理論”之父。

越來越完善

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的設(shè)計可靠性非常高，ESA稱其執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的成功率可達98%。對接時，至少有三道防線保護“國際空間站”及其乘員。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－1首航標志著歐洲航天器在“國際空間站”補給任務(wù)中的首次交會對接。從那以后，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”一直在改進。首次任務(wù)完成，飛行后的分析工作指出了130項技術(shù)改進建議，其中約有30項納入到后續(xù)“自動轉(zhuǎn)移飛行器”設(shè)計當中。從電氣故障和卡住的通信天線支臂，到分離的隔熱層和拒不工作的風扇，每個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”都有一堆不危及任務(wù)的小缺陷。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”團隊對于每次任務(wù)都進行循環(huán)改進過程，并及時商定糾正和應(yīng)急措施，由業(yè)界和合作伙伴進行評審是工作的一部分。挑戰(zhàn)是在每次任務(wù)中升級有關(guān)系統(tǒng)，更要應(yīng)對千變?nèi)f化的貨物艙單。從前一次任務(wù)結(jié)束到下一次“自動轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)射通常為半年，因此實施更新的時間就剩下得很少。

充分利用博客

ESA網(wǎng)站上為“自動轉(zhuǎn)移飛行器”開辟的專欄博客（blogs.esa.int）已成為該計劃的一大特色且高度成功?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”博客是非常受歡迎的消息來源，現(xiàn)在被眾多頂級媒體、航天愛好者網(wǎng)站及社交媒體永久鏈接并經(jīng)常引用。

自2010年以來，ESA的“臉書”（Facebook）主頁差不多有621000的頁面訪問量，證實了它的成功準則：以友好而非正式的文體發(fā)布的語錄、采訪、視頻和評論帶來“人情味”。博客贏得了任務(wù)更新權(quán)威來源的口碑，連“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)主管都直接回復(fù)博客訪者。

自2013年以來，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”社交媒體覆蓋已擴展到包括流行的@esaoperations推特頻道。這已額外產(chǎn)生了3500萬來自庫魯、“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心和“國際空間站”的新聞和實時更新瀏覽量。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)的所有方面都一一報道，從發(fā)射準備、航天員訓(xùn)練、點火升空、對接直到再入，博客在關(guān)鍵任務(wù)階段提供了快速、實時的更新。

2 運輸系統(tǒng)

運載火箭

阿里安－5是由阿里安航天公司運營的一次性運載火箭。阿斯特留姆公司（前歐洲航空航天防務(wù)集團子公司，現(xiàn)屬空中客車集團）是火箭的主承包商，并負責組裝火箭。阿里安－5用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道和近地軌道有效載荷?；鸺龔姆▽俟鐏喣菐祠敽教熘行陌l(fā)射。阿里安－5火箭在ESA和法國國家空間研究中心（CNES）授權(quán)下制造。

自1996年首次發(fā)射以來，阿里安－5已累計發(fā)射73次。憑借這一紀錄，它已成為歐洲航天發(fā)射市場的主力軍，并將至少運行至2015年。火箭久經(jīng)飛行考驗，成功69次，失敗2次，另外2次被認定為部分失敗。

阿里安－5是“阿里安”系列的第5種火箭，但并不是直接衍生自早先型號的產(chǎn)品。阿里安－5ES具有阿里安－ECA火箭相對于早先阿里安－5所做的所有提升改進，但僅用于發(fā)射“自動轉(zhuǎn)移飛行器”入軌。

固體火箭助推器參數(shù)

阿里安－5ES入軌精度

自動轉(zhuǎn)移飛行器－5任務(wù)

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”貨運飛船

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”主體是一個圓柱體，長10.3m，直徑4.5m，“X”形太陽電池翼翼展22.3m，外部覆有鋁箔層和微流星體防護板?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”采用模塊化設(shè)計，可將不同的艙段、模塊平行集成、測試，同時考慮后續(xù)任務(wù)，可兼容不同的模塊?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”在結(jié)構(gòu)上分為集成貨運艙和服務(wù)艙兩個艙段。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”對接、?？繒r間長達6個月，期間可為“國際空間站”提升軌道高度，執(zhí)行姿態(tài)控制和軌道碎片規(guī)避機動。

作為歐洲迄今最復(fù)雜的航天器，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”具有高度自主導(dǎo)航和自主交會對接的能力。其精確性讓它在軌表現(xiàn)出色，自動轉(zhuǎn)移飛行器-4的對接極其精準，飛船只偏離對接目標中心11mm，甚至沒有接觸到周圍的對接錐體。除俄羅斯和中國飛船以外，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”是另一種能夠自動對接的飛船。

3 任務(wù)運行

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”自動導(dǎo)航、飛行、與“國際空間站”對接，但確實需要一些地面支持，一次“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)需要分散在世界各地的空間機構(gòu)之間復(fù)雜交會并分擔責任。任務(wù)運行是一套非常復(fù)雜的成文規(guī)則和規(guī)程，對于“自動轉(zhuǎn)移飛行器”這樣的復(fù)雜任務(wù)至關(guān)重要，主要目標是維持與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的實時不間斷交互。這項重要工作對于任務(wù)是必需的，并需要即時處理飛船的所有遙測數(shù)據(jù)、參數(shù)及其他數(shù)據(jù)。因為“自動轉(zhuǎn)移飛行器”高度自動化，所以地面控制人員基本上只是監(jiān)視它的飛行，并在預(yù)先確定的步驟向飛船發(fā)送“Go”指令，然后執(zhí)行下一條預(yù)編程序列。具體到“自動轉(zhuǎn)移飛行器”，任務(wù)運行涉及：

1）庫魯發(fā)射場，ESA位于法屬圭亞那，阿里安－5ES火箭從這里發(fā)射“自動轉(zhuǎn)移飛行器”。

2）“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心（ATVCC），位于法國圖盧茲，地面團隊在這里控制“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)?？刂浦行呐c“自動轉(zhuǎn)移飛行器”聯(lián)通以控制和監(jiān)視其運行狀況和性能，并在需要時發(fā)送指令。控制中心與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”之間的通信由美國中繼衛(wèi)星或歐洲中繼衛(wèi)星[“阿蒂米斯”（Artemis）]傳輸，兩條路徑都隨時可用。

3）莫斯科任務(wù)控制中心（MCC-M），因“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”的俄羅斯段對接，所以在“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”保持對接的6個月內(nèi)，大部分時間由該控制中心控制。

4）休斯頓任務(wù)控制中心（MCC-H），負責整個“國際空間站”的任務(wù)控制，并協(xié)調(diào)“自動轉(zhuǎn)移飛行器”和“國際空間站”的整體運行。

5）乘員，在交會和貨物轉(zhuǎn)移期間負責監(jiān)控。

每個團隊都有各自的工具：

1）飛行規(guī)則對飛行指揮官的決策有決定性影響；

2）飛行運行規(guī)劃由“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心飛行控制人員用于在地面執(zhí)行兩類程序：僅與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”相關(guān)的程序及地面控制后勤的一套程序；

國外在役貨運飛船性能對比

3）多元規(guī)程和操作接口規(guī)程是分配給各個控制中心及其接口的工作；

4）船載數(shù)據(jù)文件由在軌操作“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的航天員使用。

任務(wù)控制中心

在法國圖盧茲航天中心典雅、現(xiàn)代的“費爾馬大樓”中，CNES根據(jù)與ESA在2003年簽訂的合同，開拓并運營著一個專用于處理“自動轉(zhuǎn)移飛行器”在軌任務(wù)的控制中心。在ESA授權(quán)下，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心負責準備和校驗30名任務(wù)控制人員在飛行過程中所用的監(jiān)控工具。控制中心還負責實施已編制的任務(wù)規(guī)劃，如果需要的話還要落實變更。

在任務(wù)進行的全過程中，飛船由“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心監(jiān)控和指揮。控制中心晝夜工作，并與位于俄羅斯和美國的其他控制中心密切配合，所有指令都在與“國際空間站”合作伙伴協(xié)調(diào)一致的基礎(chǔ)上運行。控制中心負責管理飛行中的操作并協(xié)調(diào)地面資源；負責“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的定軌和定位，并監(jiān)視其接近“國際空間站”的過程，這是富有挑戰(zhàn)的工作，需要有很高的專門技術(shù)能力。在各種飛行控制和領(lǐng)航能力之中，控制中心還指引“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”的對接解除過程，之后可以指揮“自動轉(zhuǎn)移飛行器”留在“國際空間站”附近，最多可達8個星期，如果需要，還能執(zhí)行二次對接。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”所有的地面控制指令都從控制中心發(fā)出。為在任務(wù)中與其他控制中心持續(xù)協(xié)調(diào)并與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”不間斷聯(lián)系，控制中心依靠建在德國空間運行中心的地面互聯(lián)子網(wǎng)絡(luò)；控制中心與主管“自動轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)射和調(diào)度的圭亞那航天中心協(xié)作；在交會、對接和離站階段，控制中心與莫斯科和休斯頓的任務(wù)控制中心密切配合；控制中心還直接連到哥倫布控制中心，起ESA合作伙伴通信網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點的作用。

乘員在任務(wù)飛行控制中的作用

在任務(wù)過程中，“國際空間站”上的乘員不參與駕駛“自動轉(zhuǎn)移飛行器”，但需要在俄羅斯星辰號服務(wù)艙內(nèi)用獨立設(shè)備認真監(jiān)控“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的狀態(tài)。在任何時刻，只要他們認為安全受到威脅，都可以隨時中斷飛船的抵近。除容錯設(shè)計外，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制人員還通過遙測技術(shù)監(jiān)控“自動轉(zhuǎn)移飛行器”。

（1）交會操作

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”之間的距離為40～50km時，無線通信鏈路一建立，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”遙測數(shù)據(jù)就顯示給航天員。萬一發(fā)生異?；蚬收?，他們可以啟動避碰機動，讓飛船遠離“國際空間站”。距離約250m時，進入最后30min的抵近過程，航天員用視頻系統(tǒng)主動檢查“自動轉(zhuǎn)移飛行器”是否運轉(zhuǎn)正常。在獲得航天員批準后，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心的控制人員向“自動轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)出指令走完最后幾米。航天員仔細檢查“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的慢動作接近過程，一旦“自動轉(zhuǎn)移飛行器”沒有停留在虛擬接近走廊內(nèi)，航天員可以拒絕它繼續(xù)接近。

（2）電視屏幕

航天員使用一塊電視屏幕和一個16鍵控制面板監(jiān)視操作。因為沒有舷窗能直接看到“自動轉(zhuǎn)移飛行器”，航天員只能依靠這個利用攝影機的2種變焦模式和“自動轉(zhuǎn)移飛行器”前錐光學(xué)對準設(shè)備的簡單而強大的系統(tǒng)。航天員可通過電視屏幕監(jiān)視“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的位置和姿態(tài)，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的必要遙測數(shù)據(jù)也顯示在屏幕上。

航天員的監(jiān)視作用在關(guān)鍵時刻非常重要，因為一旦發(fā)生故障他們可以隨時插進。“自動轉(zhuǎn)移飛行器”系統(tǒng)自動運行，與此同時，在地面上的“自動轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心飛行主管也可以中斷“自動轉(zhuǎn)移飛行器”抵近，即使航天員沒有看到任何干擾因素。飛行控制人員可以利用更多參數(shù)分析“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的運行狀況和性能。

航天員可以用4種不同方式中斷“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的抵近過程：保持（HOLD）、撤回（RETREAT）、逃逸（ESCAPE）或中止（ABORT），取決于異常類型。

（3）對接后的操作

被“國際空間站”的對接機構(gòu)捕獲后，對接密封件加固，電氣和流體連接建立。在經(jīng)過幾次檢查后，航天員打開艙門，可以進入“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的加壓貨物段。

裝在包袋、抽屜和機柜中的干貨由航天員搬運，并由美國休斯頓任務(wù)控制中心監(jiān)督?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”上加載的空氣由航天員從貨艙手動釋放到“國際空間站”機艙中，淡水也從地面帶上來。站上廢液由閥門和軟管轉(zhuǎn)移到飛船上，廢液還可用軟塑折疊容器裝。航天員有規(guī)律地向飛船內(nèi)裝填站上不再需要的廢物和材料?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”的推進劑貯箱在對接時自動連到“國際空間站”本身的管道上。

在“自動轉(zhuǎn)移飛行器”與“國際空間站”對接的全程中艙門都保持開啟，乘員唯一的工作就是執(zhí)行需要動手的搬運活動，每次最多有2名航天員同時工作，卸載補給品和進行試驗，他們不負責軌道提升、姿態(tài)控制或加注管理。

4 新交會敏感器及其交會試驗飛行方案

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”導(dǎo)航現(xiàn)基于合作目標交會技術(shù)，ESA已將其后續(xù)航天器發(fā)展目光投向與非合作目標（如軌道碎片或火星樣品盒）的交會。為開發(fā)非合作目標交會技術(shù)，ESA開發(fā)了新型敏感器、圖像處理，以及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制算法。自動轉(zhuǎn)移飛行器－5為新技術(shù)和新硬件的空間試驗及與現(xiàn)有導(dǎo)航敏感器之間的比較提供了難得機會，將成為實現(xiàn)空間非合作目標交會的第一步。

激光紅外成像敏感器

激光紅外成像敏感器（LIRIS）設(shè)計用于未來與非合作目標的交會，意味著只有追蹤航天器需要導(dǎo)航敏感器，而目標不需要任何構(gòu)建合作系統(tǒng)基礎(chǔ)的敏感器、反射器或交會無線電天線。

ESA承包商空客防務(wù)與航天公司及其合作伙伴提出利用自動轉(zhuǎn)移飛行器－5驗證這一新方案，以提高非合作目標交會敏感器和制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的技術(shù)成熟度。LIRIS驗證機由兩部分組成，紅外相機由法國Sodern公司提供，激光雷達由德國Jena-Optronik公司提供。

新敏感器安裝在“自動轉(zhuǎn)移飛行器”外部，記錄裝置存放在加壓貨艙內(nèi)部，它們記錄的數(shù)據(jù)不會被“自動轉(zhuǎn)移飛行器”使用，但會在軌存儲供以后下載、分析。當設(shè)計第1個“自動轉(zhuǎn)移飛行器”時，相關(guān)結(jié)構(gòu)就已預(yù)備容納此類有效載荷，電纜也已從加壓艙鋪設(shè)到飛船外部。

LIRIS的數(shù)據(jù)記錄儀將從“自動轉(zhuǎn)移飛行器”上拆下，并由“聯(lián)盟”飛船帶回地球。

交會試驗飛行方案

此次驗證將覆蓋交會的全過程，從至少30km外直到對接?？梢姽?紅外（VIS/IR）相機敏感器將從遠程運行至對接，而激光雷達敏感器從約3.5km的近程運行至對接。在400m以內(nèi)，可見光/紅外敏感器還可用于收集目標飛行器圖像，然后用熟悉對象形狀的計算機處理，推斷出追蹤器與目標之間的六自由度幾何結(jié)構(gòu)。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－5在2014年8月8日近距離飛越“國際空間站”的過程中進行了其中一部分試驗，用LIRIS收集了一些數(shù)據(jù)，完成了本次飛行中的演示驗證。在8月12日的最后抵近過程中進行了另外一部分試驗。為更加全面地測試新型敏感器，飛船還在對接之前根據(jù)計劃繞飛“國際空間站”。

在飛船抵近過程中，它使用4臺R－4D－11主發(fā)動機執(zhí)行較大的軌道調(diào)整點火，用28臺姿態(tài)控制系統(tǒng)推力器執(zhí)行較小的機動。自動轉(zhuǎn)移飛行器－5經(jīng)過S1/S2航路點（“國際空間站”后方39km、下方5km處），標志著與“國際空間站”的交會階段正式起始。剛過S1/S2航路點后不久，LIRIS驗證有效載荷的激光雷達系統(tǒng)啟動，開始收集導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在S2航路點，自動轉(zhuǎn)移飛行器－5啟動LIRIS紅外成像儀，打開飛船的外部燈光，并啟動“國際空間站”上的“航向”（KURS）系統(tǒng)，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”上的“航向”裝置已提前通電。離開S2航路點前，自動轉(zhuǎn)移飛行器－5過渡到對地指向姿態(tài)，讓LIRIS繼續(xù)指向“國際空間站”，方便導(dǎo)航數(shù)據(jù)收集?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”并不沿直線飛向“國際空間站”，而是選取節(jié)能路線，沿一條低于“國際空間站”軌道的弧線追趕，然后再次提升軌道進入“國際空間站”正后方的位置。

Sodern公司紅外敏感器（左）和Jena-Optronik公司激光雷達光度頭（右）

交會方式大不同

目前，世界上有美國、俄羅斯、歐洲、日本和中國研制的飛行器分別完成了與運行在地球軌道上目標飛行器的交會對接。迄今為止，全世界共計進行了370多次交會對接，其中美國和俄羅斯共占了340多次。美、俄的交會對接技術(shù)已經(jīng)成熟并在“國際空間站”和載人登月中發(fā)揮了重要作用，兩國交會對接技術(shù)也具有近距交會段分別以手控和自控為主的鮮明特色。以下簡要介紹各國飛船的交會方式，其中，只有俄羅斯和中國的飛船實現(xiàn)過載人交會對接。

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”接近“國際空間站”時LIRIS捕捉圖像示意圖

俄羅斯“聯(lián)盟”和“進步”飛船。俄羅斯“聯(lián)盟”和“進步”系列飛船采用自動化“航向”系統(tǒng)與“國際空間站”交會，“遙操作模式控制”（TORU）系統(tǒng)作為備份，緊急情況下切換到手動控制。一般情況下俄羅斯飛船可靠性很高，不常換用手控模式，最近一次是2013年11月的進步 M－21M任務(wù)，在測試改進型“航向”系統(tǒng)時出現(xiàn)小故障，導(dǎo)致自動對接失敗，由站上航天員手控對接成功。

中國“神舟”飛船。在交會經(jīng)驗方面，中國正在快速追趕，2011年發(fā)射天宮－1目標飛行器后進行了多次自動、手動交會對接操作試驗，最近一次是由神舟－10飛船執(zhí)行的載人交會對接任務(wù)。

日本“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”?！癏-2轉(zhuǎn)移飛行器”在抵近“國際空間站”的過程中應(yīng)用“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”交會飛行軟件（RVFS）。首先執(zhí)行交會點火接近站體，然后用位于“國際空間站”日本實驗艙里的鄰近通信（PROX）系統(tǒng)與“國際空間站”通信，先后執(zhí)行一次抵近初始（AI）點火和一次R-bar入軌（RI）點火，完成后即進入“國際空間站”阻進區(qū)域（KOS）。接近到10m距離時呈自由飛行狀態(tài)，由站上機械臂將其捕獲并停靠。

美國“天鵝座”飛船?！疤禊Z座”使用Jena激光雷達（LIDAR，光探測和測距）敏感器與“國際空間站”交會。針對交會過程中的近距導(dǎo)航，結(jié)合使用“三角測量和激光雷達自動交會與對接”（TriDAR）視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)由加拿大Neptec公司在NASA和加拿大航天局（CSA）支持下研制，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標點的三維數(shù)據(jù)，通過軟件與目標航天器的已知外形進行對比，從而引導(dǎo)飛船飛向?qū)涌?。該系統(tǒng)曾作為航天飛機的“分別禮物”成功進行過3次試驗，即發(fā)現(xiàn)號的STS－128和131任務(wù)以及阿特蘭蒂斯號的STS－135任務(wù)。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－5交會飛行方案

美國太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船。在“龍”飛船最近一次任務(wù)中，飛船利用絕對GPS進行高度調(diào)整點火與共橢圓機動點火，到達距“國際空間站”2.5km處，從絕對GPS切換至相對GPS。經(jīng)過一系列點火和檢查點之后，飛船在距離站體250m處懸停，在此完成激光雷達和熱成像儀的最后調(diào)整和驗證。距“國際空間站”200m時，進入“國際空間站”阻進區(qū)域。在距“國際空間站”10m處開始自由漂移，由站上機械臂捕獲。敏感器系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵組成部分曾在發(fā)現(xiàn)號STS－133任務(wù)中接受過試驗。

歐洲“自動轉(zhuǎn)移飛行器”。不同于“天鵝座”、“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”和“龍”飛船，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”直接與“國際空間站”對接?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”導(dǎo)航現(xiàn)基于合作目標交會技術(shù)。遠程交會時使用相對GPS導(dǎo)航，基于來自“自動轉(zhuǎn)移飛行器”和“國際空間站”的GPS接收機測量結(jié)果數(shù)據(jù)。近程導(dǎo)航使用“自動轉(zhuǎn)移飛行器”上的光學(xué)敏感器（視程儀和無線電測向儀），反射測量“國際空間站”上的一系列交會目標，即后向反射器。交會階段，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”完全自主飛行，地面沒有任何輸入。隨著飛船靠近“國際空間站”，其內(nèi)部導(dǎo)航先從使用星敏感器切換至絕對GPS，在距離“國際空間站”30km處切換至相對GPS，在距離250m處切換至激光鏈路，最后使用視頻目標系統(tǒng)。

（4）交會技術(shù)未來發(fā)展

美國“獵戶座”（Orion）飛船對交會對接的自動性和自主性提出了更高的要求。關(guān)鍵技術(shù)包括自動交會算法、自主任務(wù)管理、自動相對導(dǎo)航敏感器技術(shù)、先進捕獲和對接機構(gòu)、機械臂組裝技術(shù)。這些技術(shù)中許多已經(jīng)成熟，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要將這些技術(shù)進行集成。

與小行星等天體交會相關(guān)的工作也在推進，NASA團隊期望在下一個10年之初與一顆被捕獲、重定向的小行星載人交會。

同樣，先進科學(xué)概念（ASC）3D LIDAR測距相機已被“起源、光譜解譯、資源鑒別和防護-風化層探測器”（OSIRIS-REx）行星科學(xué)任務(wù)選中。該任務(wù)計劃于2016年發(fā)射，2023年將返回一件取自碳質(zhì)小行星1999 RQ36的樣品。

航天器在軌道上“看到”目標的技術(shù)進步也使地球上的人受益，LIDAR和TriDAR技術(shù)應(yīng)用已拓展到農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域。

5 貨運能力突出

“自動轉(zhuǎn)移飛行器”目前是除俄羅斯“進步”貨運飛船以外，唯一能夠同時提供燃料補給、姿態(tài)控制和軌道提升的航天器，也是迄今為止已發(fā)射使用的運載能力最大的專用貨運飛船。“自動轉(zhuǎn)移飛行器”系列飛船貨物上行能力突出，其總載貨量約為俄羅斯“進步”系列飛船載貨量的3倍，比日本“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”載貨量也多150kg。

除運送多種多樣的貨物之外，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”還能滿足后期裝貨要求?！皣H空間站”的需求時常變化，任務(wù)控制中心、航天員和科學(xué)家經(jīng)常在最后關(guān)頭還有新想法。從自動轉(zhuǎn)移飛行器－2任務(wù)開始，可以在發(fā)射前幾星期內(nèi)向飛船中加裝干貨。從自動轉(zhuǎn)移飛行器－4任務(wù)起，庫魯航天中心安裝了全新的后期裝貨專用通道（LCAM）設(shè)備，這是一部帶有旋轉(zhuǎn)平臺和伸縮式裝卸臂的專用升降機，用于裝載更多后期貨物到“自動轉(zhuǎn)移飛行器”加壓艙的各個角落中。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－5運送的貨物總質(zhì)量6555kg，液體貨物3933kg，包括補加的推進劑860kg、水855kg、加壓氣體100kg及由科學(xué)試驗材料、衣物和食物、乘員個人物品、各種“國際空間站”系統(tǒng)的維護物與日常生活所需的標準供給品組成的干貨2622kg。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－5攜帶了860kg用于再加注的推進劑，未來可由“國際空間站”星辰號服務(wù)艙推力器用于“國際空間站”軌道提升、碎片規(guī)避機動及姿態(tài)機動。站上推力器使用的四氧化二氮氧化劑和偏二甲肼燃料可從“自動轉(zhuǎn)移飛行器”輸送至“國際空間站”貯箱。在“自動轉(zhuǎn)移飛行器”和“國際空間站”上，輸送管路都不穿過乘員隔艙，保證乘員不會接觸到有毒推進劑。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－5飛船帶了一些有意思的科學(xué)試驗設(shè)備，其中一個是ESA的設(shè)備觸覺－1（Haptics－1），將在站上安裝一個高科技手柄，航天員能用它玩簡單的電子游戲。這個試驗?zāi)軒椭芯咳藛T更好地了解失重如何影響人類的運動控制功能。此外，還運送了ESA的“電磁懸浮裝置”，將在站上加熱金屬再快速冷卻，研究原子在熔化和凝固的過程中如何排列和重新排列（在地球上難以研究這種基礎(chǔ)物理）。

自動轉(zhuǎn)移飛行器－4與“國際空間站”之間的合作目標導(dǎo)航示意圖

6 貨運飛船落幕，歐洲載人航天何以為繼

早在2012年，ESA就宣布有意在自動轉(zhuǎn)移飛行器－5任務(wù)后關(guān)閉“自動轉(zhuǎn)移飛行器”生產(chǎn)線。隨著“自動轉(zhuǎn)移飛行器”系列接近尾聲，ESA不得不在建造第6艘或開發(fā)新系統(tǒng)之間做出抉擇，最終選擇了面向未來的演進。

在完成為“國際空間站”補給的使命之后，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”將迎來第二次生命，它與眾不同的“X”形太陽電池翼并不會從航天史上消失。2013年1月，ESA與NASA共同決定正式就“獵戶座”多用途乘員飛行器（MPCV）展開合作研制，由ESA為NASA的“獵戶座”設(shè)計和建造服務(wù)艙，仍將是ESA對“國際空間站”合作伙伴關(guān)系的實物出資償付方式。

ESA此舉是準備迎接載人航天的新挑戰(zhàn)。這將是ESA與NASA在近地軌道以遠乘員運輸飛行器上的首次合作，不僅使歐洲航天工業(yè)可以繼續(xù)利用“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的技術(shù)，還能極大精簡NASA的研發(fā)和生產(chǎn)成本。同時，這個項目將在歐洲創(chuàng)造大量高技術(shù)就業(yè)機會，用“獵戶座”發(fā)射歐洲航天員當然也是歐洲航天界樂見的事。

“獵戶座”的首次飛行是2014年12月的無人探索飛行試驗－1（EFT－1），飛船由德爾他－4（Delta－4）重型火箭發(fā)射，將飛到地面以上約5800km的高度，是40年來載人航天器飛得最遠的一次。首航的目標是以高再入速度測試乘員艙。這一次飛船上沒有航天員，并用轉(zhuǎn)接器模擬服務(wù)艙的結(jié)構(gòu)。

2017年，歐洲服務(wù)艙將參與完成“獵戶座”飛船與“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的首次組合飛行，即首次“探索任務(wù)”（EM－1），它是一次無人月球飛掠任務(wù)，飛船將以11km/s的最高再入速度返回地球大氣層。

歷次“自動轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)的貨物上行能力對比

“獵戶座”飛船上的歐洲服務(wù)艙結(jié)構(gòu)

“獵戶座”歐洲服務(wù)艙將全面沿用“自動轉(zhuǎn)移飛行器”的主體設(shè)計和多年研制過程中獲取的專門技術(shù)，位于乘員艙正下方，也有“自動轉(zhuǎn)移飛行器”標志性的“X”形太陽電池翼。歐洲服務(wù)艙將向乘員艙提供四方面主要系統(tǒng)功能：推進、動力、熱控和重要資源，如水和可呼吸的大氣。所有這些基本功能和其他一些組件與“自動轉(zhuǎn)移飛行器”上所用的相同。歐洲服務(wù)艙還存放“獵戶座”軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制和高空上升中止所需的主發(fā)動機、推力器和燃料。

在歐洲航天史上，“自動轉(zhuǎn)移飛行器”計劃的持續(xù)時間、所分配的資源和技術(shù)復(fù)雜程度都無可匹敵。建造和運行“自動轉(zhuǎn)移飛行器”得到的經(jīng)驗、教訓(xùn)已衍生出數(shù)量龐大的專有技術(shù)?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”技術(shù)可用于諸如控制空間碎片或服務(wù)其他在軌航天器等自動化任務(wù)；還可發(fā)展為無人自由飛行實驗室乃至太空拖船，攜帶數(shù)噸補給品到達月球或火星軌道。美國公司也已從“自動轉(zhuǎn)移飛行器”傳承中獲益，軌道科學(xué)公司建造的商業(yè)貨運飛船“天鵝座”在執(zhí)行“國際空間站”任務(wù)中采用了“自動轉(zhuǎn)移飛行器”系統(tǒng)?！白詣愚D(zhuǎn)移飛行器”的成功離不開近20年的國際合作伙伴，與不同工程文化和團隊之間的密切合作是難能可貴的經(jīng)驗，為未來幾十年里的載人空間探索聯(lián)合項目奠定了基礎(chǔ)。

郭筱曦 許國彩/文