天舟二号成功升空,国际空间站货运飞船谁最强?

国际空间货运飞船发展至今已有40多年,前苏联、欧盟、日本以及美国都有非常成熟的技术以及辉煌的过往,本文带你回顾国际货运飞船的发展历程,到底谁才是执牛耳者?

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昨晚9时许,天舟二号货运飞船载着6.8吨的物资升空,成功与天和号核心舱对接。中国国际空间站建设日趋完善,基本上能够在本年内完成,空间站建成后,届时会实施常规的载人航空任务。

近日,中国载人航天工程办公室主任郝淳透露了一个重要的信息,5、6月会实施天舟二号以及神州十二号飞船任务,9、10月将分别实施天舟三号和神州十三号载人飞船任务。中国空间站将在两年内建成。

事实上,国际空间货运飞船发展至今已有40多年,前苏联、欧盟、日本以及美国都有非常成熟的技术以及辉煌的过往,本文带你回顾国际货运飞船的发展历程,到底谁才是执牛耳者?

本文来自微信公众号:赛先生(ID:mrscience100),作者:庞之浩(中国空间探测技术首席科学传播专家),原文标题:《天舟二号昨晚成功升空,国际空间站货运飞船谁才是执牛耳者?》,头图来自:视觉中国

随着载人航天活动的不断发展,货运飞船在载人航天领域的用途也日益广泛。因此,俄罗斯、欧洲、日本和美国先后研制了“进步”自动转移飞行器、H-2转移飞行器,以及商用“货运龙”和“天鹅座”货运飞船。至今,全世界已发射过约180多艘货运飞船。

一、用途广泛受青睐

货运飞船是从载人飞船演变过来的。在20世纪70年代,苏联和美国开始发展体积大、寿命长、用途广的空间站。刚开始时,苏美两国都是用人货混装的载人飞船为空间站提供少量补给,每艘载人飞船1次只能为空间站运去几百千克的物资,因而大大影响了空间站的运行寿命和站上航天员在轨工作时间。

随着苏联空间站的不断发展,对运货量的要求也日益增加,于是苏联航天专家奇思妙想,从1978年开始把联盟号载人飞船改装成无人货运飞船,即去掉了联盟号飞船上的座椅、环境控制与生命保障、返回着陆和应急救生等与载人有关的系统,以便运送更多的货物。

实践证明,这种人货分开的运输方式,既能增加货物的运载量,又能降低成本,还很安全,可以说是苏联的一个创新。改装后的货运飞船称为进步号,每次飞行可为空间站送去2吨多物资。现在,俄罗斯每年向“国际空间站”发射4艘货运飞船,它们不仅为“国际空间站”运去货物,还带回大量的空间站垃圾,然后在再入大气层时烧毁。

进步M-M货运飞船与“国际空间站”对接

其实,货运飞船还有许多其他用途。例如,由于空间站是在低地球轨道运行,会受到残存大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度,所以在空间站轨道高度降低到一定情况下要提升它的轨道高度才行,而携带较多燃料的货运飞船在空间站的轨道维持方面能发挥重要作用。

目前,“国际空间站”主要是靠货运飞船提升空间站的轨道高度,以抵消大气阻力的影响,并使“国际空间站”与将要与之对接的天地往返运输器处于最佳对接位置。它有时也用于机动“国际空间站”轨道位置,以便躲避飞来的太空垃圾。

“进步”系列飞船还曾2次用于试验“人造月亮”。1993年2月4日,“进步”货运飞船离开了和平号空间站,它携带一把折叠好的巨大“太阳伞”——“人造月亮”。12分钟以后,它在离空间站160米的地方被打开,然后用这把直径22米的“太阳伞”,在距离地球350千米高的地方进行了人造月亮的照明试验,向处于黑夜的欧洲地区反射了一道宽约10千米的亮光,其亮度相当于月亮的2~3倍,从南到北扫过地球,依次照亮了里昂、日内瓦、慕尼黑和白俄罗斯。1999年的2月4日,俄罗斯用“进步”系列飞船再次实施了一次人造月亮试验。

俄罗斯的“进步”系列飞船在2001年和平号空间站寿终正寝的坠落中也发挥过重要作用。当时,与和平号对接的“进步”系列飞船通过多次点火,使和平号空间站的飞行速度不断降低,最终成功地把和平号推离原运行轨道坠入大气层,落到被称为“航天器坟场”的南太平洋某一区域。

由此可见,货运飞船的用途越来越广。因此,欧洲、日本、美国也先后开始发展货运飞船。

二、不断进步的货船

“进步”货运飞船是在“联盟”载人飞船基础上改进研制的,由货物舱、补给舱和服务舱组成,总质量大约7吨,有效载荷质量2.3吨以上。

其货物舱构造与“联盟”载人飞船轨道舱相似,可以装1.7吨以上的货物,当“进步”飞船与空间站对接时,乘员进入货物舱搬货到空间站,在“进步”飞船脱离空间站之前,乘员可把空间站上1~1.7吨的垃圾转移到货物舱中,再入大气层时随飞船一起烧毁。

其补给舱取代了“联盟”飞船的返回舱,装有多个推进剂贮箱,其中一部分贮箱装有燃烧剂,另外一部分贮箱装有氧化剂,有的还装有1个水箱,燃烧剂和氧化剂通过对接环上的液体连接器转移到空间站自身的推进系统中。

其服务舱与“联盟”飞船的仪器/推进舱相同,用于货运飞船与空间站的变轨对接、提高空间站的轨道高度。

第一艘“进步”货运飞船是1978年1月20日升空的,飞往了礼炮6号空间站。1978~1990年期间,一共发射了43艘“进步”飞船,它们为礼炮6号、7号空间站提供了大量的货物补给,大大延长了这2座空间站的工作寿命和航天员的在轨时间。

“国际空间站”航天员拍摄的俄罗斯进步M-M货运飞船

此后,苏联/俄罗斯又对“进步”货运飞船进行了多次改型。

1989年8月,在“进步”基础上改进的进步M首次执行和平号空间站任务。它装有一副太阳电池翼,飞船可独立飞行30天;采用了新的服务舱,载货量比“进步”多100千克;采用了新的对接系统,使空间站内的航天员可以控制无人货运飞船飞向空间站。

在参与“国际空间站”项目后,为进一步增强补给能力,俄罗斯将进步M飞船改进为进步M1。其补给舱内增加了几个推进剂贮箱,将12个装有氮和氧的贮箱放置在飞船外部,并把水箱移入货物舱,以增加推进剂携带量;装有新型计算机,用航向-MM数字交会测量系统取代了“航向”模拟系统,使飞船与空间站之间的无线电通信距离扩大到30千米,同空间站对接后的联合飞行时间达180天。

2000年2月1日,进步M1首次升空,执行和平号空间站任务。2000年8月6日,第3艘进步M1飞船发射,这是第一艘执行“国际空间站”任务的“进步”系列飞船。进步-M1还曾作为空间拖船,将退役的和平号空间站拖入地球大气层。

2008年11月26日,俄罗斯发射了新改进的进步M-M,它配有运行速度更快的先进数字化控制系统,并应用了新的小型无线电遥测系统,使飞船的飞行控制系统更快、更有效,而且减少了15个船上航电设备模块,使电子器件的总质量轻少了75千克,与空间站的对接更加准确。进一步改进了飞船的性能,从而提高了运输能力。

打造“进步”货运飞船

近年,俄罗斯又开始使用新改型的进步MS货运飞船。进步 MS货运飞船将乌克兰制造的带有馈线天线的量子-V无线电通信系统更换为新的“统一指挥遥测系统”,结束了俄罗斯依赖乌克兰为其生产制造天线、馈线和通讯电子产品的历史。

另一个通信升级是在交会期间与空间站建立了一个接近通信链路,以使相对导航作为导航数据的额外来源。新飞船配备有GPS和GLONASS接收器,以确定准确时间,进行状态向量的计算和定轨,使得机动目标更精确,甚至飞船本身都不用再依赖雷达跟踪,雷达跟踪职能在通过地面站时进行。飞船控制系统、机载软件和通信系统上所做出的改进使得从模拟到数字视频传输能够实现,从而在近旁操作过程中改进视频质量。此外,现有的航向-A交会对接设备将升级为使用俄罗斯国产现代化电子元器件的航向-NA系统。

三、自动转移运力大

欧洲的货运飞船叫自动转移飞行器,运货能力可达7吨,是迄今运载能力最大的货运飞船,从2008年起到2014年共发射了5个,现已退役。

体积像双层巴士一样的自动转移飞行器有4类用途:

  • ①向空间站运送补给物资;
  • ②在货物卸载后,可以用作空间站的附加活动室;
  • ③提升“国际空间站”的轨道;
  • ④用作垃圾箱,把6.5吨空间站产生的废弃物资带回地球烧毁。

自动转移飞行器与“国际空间站”交会

它由加压舱、推进舱和电子设备舱组成,形状像个大圆筒,外表呈蛋壳色,全长10米,最大直径为4.5米,重量约10吨。

在加压舱中可放1.5~5.5吨补给品、科学硬件、食物等货物;还能放置饮用水以及为空间站运送的推进剂和空气(氧和氮)等液体罐和气体罐。加压可居住容积14米,与空间站对接后,2名航天员穿上普通服装就能进入飞船的加压舱中把带来的物资搬走,其中的液体罐和气体罐与空间站的管道装置连接流往空间站的储存设备中。当货物卸载任务完成后,自动转移飞行器仍可作为一个实验区,直到它离开空间站。加压舱的最前端是俄罗斯制造的对接设备和用于交会的测量装置,用于实现飞船同“国际空间站”的自动对接。

飞行器主推进系统是4台490牛发动机,姿态控制系统用28台220牛推进器。它们除在往返回过程中使用外,还用于空间站的轨道维持、姿态控制、空间碎片规避机动,如果空间站上发生紧急事件,自动转移飞行器能在10分钟内撤离。在舱内在还装有充电电池、一次性电池以及太阳敏感器和对接系统的天线。

电子设备舱是自动转移飞行器的大脑,装有计算机、陀螺仪、导航系统、控制系统和通信设备多个关键部件。其通信采用S频段,通过GPS实施导航。

欧洲自动转移飞行器(右)和“国际空间站”对接后航天员搬运货物示意图

自动飞行器外部装有4个太阳电池翼,每个翼由4块太阳电池板构成,面积33.6平方米(每块电池板面积为8.4平方米),平均发电功率为4.8千瓦。4个太阳电池翼展开时呈X形,跨度达到22.28米,远远看去就像金属制成的蓝色“翅膀”。每个太阳电池翼的转动机构是各自独立的,可以实现最佳对日定向。

因为自动转移飞行器的通风风扇和空调设备的噪音低,所以空间站乘员常睡在加压舱里面;乘员也可在里面用日常的湿毛巾和洗发精保持个人卫生;2008年4月,韩国的首位太空人首次在自动转移飞行器里做了试验。

根据计划,自动转移飞行器在发射了5艘以后现已退役。不过,欧洲航天局将在自动转移飞行器基础上研制可以运送货物返回地球的“先进再入飞行器”货运飞船,它预计在近年首飞。最终,欧洲将独立研制出载人飞船。

“先进再入飞行器”货运飞船飞往“国际空间站”示意图

四、运送大件的利器

从2009年起至今,日本先后向“国际空间站”发射了8个名叫H-2转移飞行器的货运飞船。这种飞船的货物运载能力约为6吨,最大特点是可运送体积较大的设备。

H-2转移飞行器呈圆柱形结构,由铝合金制成,全长约10米,直径约4.4米,自重10.5吨,由加压货舱、非加压货舱、电子设备舱和推进舱4部分组成。

货物补给装在加压货舱以及非加压货舱的暴露货架中;电子设备舱装有电子设备、锂电池和敏感器;推进舱内装有4个推进剂贮箱、主推进装置和反作用控制系统。其加压货舱载重量为4.5吨,可装8个国际标准货柜;非加压货舱载重量为1.5吨,包括外露货盘和支撑结构,外露货盘能载3套外露货物。满载后H-2转移飞行器总重16.5吨。

日本H-2转移飞行器飞向“国际空间站”

其货物运输能力强。这是由于它的舱门大,与空间站的接口各边均加宽到约1.2米,所以可以搬运其他货运飞船无法搬送的大型装置。例如,与欧洲自动转移飞行器相比,H-2转移飞行器可运送更大的物体,如空间站内部书架大小的设备架,以及其它大型站外仪器与设备。日本认为,在美国航天飞机2011年退役后,H-2转移飞行器可成为唯一能向空间站运送大型物体的飞船。

另外,与其他货运飞船相比,H-2转移飞行器还是目前唯一一种可向空间站运送加压与非加压货物的无人飞船,包括安装在站外的外部实验和在轨更换装置。

它还有独特的交会对接技术,与空间站对接采用“停靠”方式,即当H-2转移飞行器与空间站接近到10米距离时,两相对速度接近零, H-2转移飞行器不再被控制,而是呈自由飞行状态,然后由空间站的机械臂将其捕获,与空间站对接口实现对接。

日本H-2转移飞行器逼近“国际空间站”

该货运飞船有三大用途:

  • 为希望号日本实验舱以及“国际空间站”其它舱段运送维修所需的消耗品和补给物品;
  • 为“国际空间站”上的航天员运送所需的食品、医疗用品、生活用水和饮用水;
  • 为日本以及参加“国际空间站”计划的其它国家运送实验所需的实验装置和实验材料。

日本已向“国际空间站”总共发射8个H-2转移飞行器。另外,日本拟在H-2转移飞行器基础上研制可从空间站带回货物的H-2转移飞行器-R,首个H-2转移飞行器-R计划在今年发射。最终,日本将研制载人飞船。

H-2转移飞行器-R

五、带回物体是绝招

与上述由政府投资研制的民用货运飞船不同,美国有2种私营公司投研制了2种商用货运飞船,一种是美国SpaceX研制的“货运龙”飞船,另一种是美国轨道科学公司研制的“天鹅座”飞船。这种商业轨道运输服务项目的最大特点是:由美国航空航天局选定的私营商业公司自行投资,研制用于“国际空间站”天地往返运输的飞船和火箭,然后美国航空航天局以“打的”的模式租用飞船,把货物运往“国际空间站内”,从而降低天地往返运输的费用。

飞行中的“货运龙”飞船

美国SpaceX“货运龙”飞船是所有货运飞船中唯一可以运回物品的,这是因为该飞船带有热防护罩,可在返回时耐受极高温安全降落,而其他飞船不具有热防护罩,只能在再入大气时烧毁。

第一代“货运龙”飞船长5.9米,最大直径3.6米,自重只有4.2吨,主要由前锥体、钝角圆锥体弹道舱和非加压段三部分组成,其中前锥体内装对接机构,在上升阶段起保护作用;钝角圆锥体弹道舱一部分用于搭载加压货物,另一部分是服务段,装有电子设备、反作用控制系统、降落伞和其他支持设备;非加压段用于存储非加压货物,如轨道更换装置,并保障太阳电池翼和散热器的正常工作。其运送载荷最大质量3吨多,返回载荷最大质量2吨。

“国际空间站”上的加拿大机械臂-2捕获第一代“货运龙”飞船

该货运飞船采用具有广泛继承性的电子系统和由18台推力器组成的反作用控制系统;采用降落伞水上溅落的回收方式;使用高性能热防护罩和侧壁热防护系统。其对接机构为“国际空间站”通用停靠机构,用空间站机械臂捕获方式对接,这种对接方式可减少飞船上对接系统的质量、成本和复杂性,提高对接的安全性。

SpaceX现在已开始使用在“载人龙”基础上研制的第二代“货运龙”。它在气动外形有变化,载重能力提高约20%,可以容纳8个动力储柜,在返回地球时可以容纳12个动力储柜,而第一代仅可以容纳6个储柜。其在站上停留时间可长达75天,是第一代的两倍还多,而且能同空间站自动对接,无需依靠空间站机械臂协助停泊。

它能至少重复使用5次,第一代最多能用3次,而“货运龙”按设计可至少使用5次。第二代“货运龙”将改在大西洋上溅落,而不是太平洋,以缩短飞船再飞准备时间以及运回货物和科学样品被送回肯尼迪航天中心的时间,这将使一些需要回收的有效载荷在降落后4小时内被移交给科学家。

与“载人龙”不同,“货运龙”不设逃逸用的“超级天龙座”推力器,而这意味着它将不会用来执行载人任务,反之亦然。

第二代“货运龙”

在海上回收“货运龙”飞船

六、成熟技术降成本

美国轨道科学公司研制的“天鹅座”飞船于2013年9月18日进行了首次验证飞行。此后,“天鹅座”飞船正式完成了几次“国际空间站”商业补给服务任务,但在执行第3次商业补给服务任务时失败。

“天鹅座”飞船的设计,继承了轨道科学公司及其合作者经飞行验证的航天器技术,由为加压货物舱与通用服务舱组成。采用成熟技术的目的是降低成本、风险,减少研制周期。

“天鹅座”飞船飞往空间站示意图

其加压货物舱由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司制造,它是基于意大利“多用途增压后勤舱”研制的,长3.66(标准构型)~4.86米(改进构型),直径3.07米,自重1.5~1.8吨(改进构型),功率850千瓦,加压容积18.9~27米3(改进构型),载货质量2~2.5吨(改进构型),返回时可装载1.2吨垃圾。它用于日常物资、备用部件、实验设备等。泰雷兹·阿莱尼亚航天公司将为轨道科学公司提供8个加压货舱,其中3个为标准构型,5个为改进构型。

其服务舱由轨道科学公司制造,它继承了该公司的低轨卫星和地球静止轨道卫星平台的电子、推进和电源等技术,重量1.8吨,装有电子、推进和电源系统,其中电源系统包括2副砷化镓太阳电池翼,可提供4千瓦的电力。

与日本的H-2转移飞行器和美国“龙”飞船对接方式类似,“天鹅座”飞船对接机构也采用通用停靠机构,它通过加拿大机械臂-2捕获的方式,将飞船停靠在“国际空间站”上。

改进构型的“天鹅座”飞船

由上述可见,国外货运飞船目前种类较多,各有所长,在“国际空间站”的运货中发挥着重要作用。

本文来自微信公众号:赛先生(ID:mrscience100),作者:庞之浩

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