別了，歐洲貨運飛船！—最后一個“自動轉移飛行器”升空

別了，歐洲貨運飛船！—最后一個“自動轉移飛行器”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“自動轉移飛行器”（ATV－5）送入目標初始軌道，執行“國際空間站”（ISS）貨運補給任務，開啟“自動轉移飛行器”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，自動停靠在星辰號服務艙的對接口上。對接前，飛船已自由飛行逾6×106km。

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

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

1 “自動轉移飛行器”計劃回顧

自1987年起，歐洲工業界就在ESA領導下進行“自動轉移飛行器”的概念和系統研究工作。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“自動轉移飛行器”。1995年10月舉行的部長級ESA會議正式批準“自動轉移飛行器”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“自動轉移飛行器”項目。

“自動轉移飛行器”計劃涉及這10個歐洲國家的許多公司及數以千計的技術人員和工程師，主承包商為空客防務與航天公司[前歐洲航空航天防務集團（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“自動轉移飛行器”對接機構、燃料補加系統和相關電子設備。空客防務與航天公司和法國政府的共有企業阿里安航天公司是全球首家商業空間運輸公司，研制了專用于“自動轉移飛行器”的阿里安－5ES火箭。

與“國際空間站”對接的自動轉移飛行器－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“自動轉移飛行器”）的方式，而非貨幣支付。ESA在13年間用于“自動轉移飛行器”計劃研制的預算約13億歐元，包括建造地面設施、第1個“自動轉移飛行器”及其首航，后續每個“自動轉移飛行器”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“自動轉移飛行器”都以歐洲科學家和思想家的名字命名。自動轉移飛行器－1名為“儒勒·凡爾納”（Jules Verne），19世紀法國科幻作家和預言家。自動轉移飛行器－2得名于17世紀德國天文學家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler），任務時間為2011年2-6月。自動轉移飛行器－3為紀念意大利物理學家愛德華多·阿瑪爾迪（Edoardo Amaldi），2012年3－10月在軌。自動轉移飛行器－4以偉大的物理學家阿爾伯特·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家和宇宙學家，他被認為是宇宙起源“大爆炸理論”之父。

越來越完善

“自動轉移飛行器”的設計可靠性非常高，ESA稱其執行預定任務的成功率可達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”補給任務中的首次交會對接。從那以后，“自動轉移飛行器”一直在改進。首次任務完成，飛行后的分析工作指出了130項技術改進建議，其中約有30項納入到后續“自動轉移飛行器”設計當中。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“自動轉移飛行器”都有一堆不危及任務的小缺陷。

“自動轉移飛行器”團隊對于每次任務都進行循環改進過程，并及時商定糾正和應急措施，由業界和合作伙伴進行評審是工作的一部分。挑戰是在每次任務中升級有關系統，更要應對千變萬化的貨物艙單。從前一次任務結束到下一次“自動轉移飛行器”發射通常為半年，因此實施更新的時間就剩下得很少。

充分利用博客

ESA網站上為“自動轉移飛行器”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。“自動轉移飛行器”博客是非常受歡迎的消息來源，現在被眾多頂級媒體、航天愛好者網站及社交媒體永久鏈接并經常引用。

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布的語錄、采訪、視頻和評論帶來“人情味”。博客贏得了任務更新權威來源的口碑，連“自動轉移飛行器”任務主管都直接回復博客訪者。

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

“自動轉移飛行器”任務的所有方面都一一報道，從發射準備、航天員訓練、點火升空、對接直到再入，博客在關鍵任務階段提供了快速、實時的更新。

2 運輸系統

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集團子公司，現屬空中客車集團）是火箭的主承包商，并負責組裝火箭。阿里安－5用于發射地球同步轉移軌道和近地軌道有效載荷。火箭從法屬圭亞那庫魯航天中心發射。阿里安－5火箭在ESA和法國國家空間研究中心（CNES）授權下制造。

自1996年首次發射以來，阿里安－5已累計發射73次。憑借這一紀錄，它已成為歐洲航天發射市場的主力軍，并將至少運行至2015年。火箭久經飛行考驗，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，但僅用于發射“自動轉移飛行器”入軌。

固體火箭助推器參數

阿里安－5ES入軌精度

自動轉移飛行器－5任務

“自動轉移飛行器”貨運飛船

“自動轉移飛行器”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。“自動轉移飛行器”采用模塊化設計，可將不同的艙段、模塊平行集成、測試，同時考慮后續任務，可兼容不同的模塊。“自動轉移飛行器”在結構上分為集成貨運艙和服務艙兩個艙段。

“自動轉移飛行器”與“國際空間站”對接、停靠時間長達6個月，期間可為“國際空間站”提升軌道高度，執行姿態控制和軌道碎片規避機動。

作為歐洲迄今最復雜的航天器，“自動轉移飛行器”具有高度自主導航和自主交會對接的能力。其精確性讓它在軌表現出色，自動轉移飛行器-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，“自動轉移飛行器”是另一種能夠自動對接的飛船。

3 任務運行

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

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

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

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

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

5）乘員，在交會和貨物轉移期間負責監控。

每個團隊都有各自的工具：

1）飛行規則對飛行指揮官的決策有決定性影響；

2）飛行運行規劃由“自動轉移飛行器”控制中心飛行控制人員用于在地面執行兩類程序：僅與“自動轉移飛行器”相關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）多元規程和操作接口規程是分配給各個控制中心及其接口的工作；

4）船載數據文件由在軌操作“自動轉移飛行器”的航天員使用。

任務控制中心

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

在任務進行的全過程中，飛船由“自動轉移飛行器”控制中心監控和指揮。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”合作伙伴協調一致的基礎上運行。控制中心負責管理飛行中的操作并協調地面資源；負責“自動轉移飛行器”的定軌和定位，并監視其接近“國際空間站”的過程，這是富有挑戰的工作，需要有很高的專門技術能力。在各種飛行控制和領航能力之中，控制中心還指引“自動轉移飛行器”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，還能執行二次對接。

“自動轉移飛行器”所有的地面控制指令都從控制中心發出。為在任務中與其他控制中心持續協調并與“自動轉移飛行器”不間斷聯系，控制中心依靠建在德國空間運行中心的地面互聯子網絡；控制中心與主管“自動轉移飛行器”發射和調度的圭亞那航天中心協作；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合作伙伴通信網絡中心節點的作用。

乘員在任務飛行控制中的作用

在任務過程中，“國際空間站”上的乘員不參與駕駛“自動轉移飛行器”，但需要在俄羅斯星辰號服務艙內用獨立設備認真監控“自動轉移飛行器”的狀態。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。除容錯設計外，“自動轉移飛行器”控制人員還通過遙測技術監控“自動轉移飛行器”。

（1）交會操作

“自動轉移飛行器”與“國際空間站”之間的距離為40～50km時，無線通信鏈路一建立，“自動轉移飛行器”遙測數據就顯示給航天員。萬一發生異常或故障，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，航天員用視頻系統主動檢查“自動轉移飛行器”是否運轉正常。在獲得航天員批準后，“自動轉移飛行器”控制中心的控制人員向“自動轉移飛行器”發出指令走完最后幾米。航天員仔細檢查“自動轉移飛行器”的慢動作接近過程，一旦“自動轉移飛行器”沒有停留在虛擬接近走廊內，航天員可以拒絕它繼續接近。

（2）電視屏幕

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

航天員的監視作用在關鍵時刻非常重要，因為一旦發生故障他們可以隨時插進。“自動轉移飛行器”系統自動運行，與此同時，在地面上的“自動轉移飛行器”控制中心飛行主管也可以中斷“自動轉移飛行器”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分析“自動轉移飛行器”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”的對接機構捕獲后，對接密封件加固，電氣和流體連接建立。在經過幾次檢查后，航天員打開艙門，可以進入“自動轉移飛行器”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控制中心監督。“自動轉移飛行器”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移到飛船上，廢液還可用軟塑折疊容器裝。航天員有規律地向飛船內裝填站上不再需要的廢物和材料。“自動轉移飛行器”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

“自動轉移飛行器”導航現基于合作目標交會技術，ESA已將其后續航天器發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。為開發非合作目標交會技術，ESA開發了新型敏感器、圖像處理，以及制導、導航與控制算法。自動轉移飛行器－5為新技術和新硬件的空間試驗及與現有導航敏感器之間的比較提供了難得機會，將成為實現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航敏感器，而目標不需要任何構建合作系統基礎的敏感器、反射器或交會無線電天線。

ESA承包商空客防務與航天公司及其合作伙伴提出利用自動轉移飛行器－5驗證這一新方案，以提高非合作目標交會敏感器和制導、導航與控制的技術成熟度。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“自動轉移飛行器”外部，記錄裝置存放在加壓貨艙內部，它們記錄的數據不會被“自動轉移飛行器”使用，但會在軌存儲供以后下載、分析。當設計第1個“自動轉移飛行器”時，相關結構就已預備容納此類有效載荷，電纜也已從加壓艙鋪設到飛船外部。

LIRIS的數據記錄儀將從“自動轉移飛行器”上拆下，并由“聯盟”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。可見光/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，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構。

自動轉移飛行器－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收集了一些數據，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主發動機執行較大的軌道調整點火，用28臺姿態控制系統推力器執行較小的機動。自動轉移飛行器－5經過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啟動，開始收集導航數據。在S2航路點，自動轉移飛行器－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，“自動轉移飛行器”上的“航向”裝置已提前通電。離開S2航路點前，自動轉移飛行器－5過渡到對地指向姿態，讓LIRIS繼續指向“國際空間站”，方便導航數據收集。“自動轉移飛行器”并不沿直線飛向“國際空間站”，而是選取節能路線，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、俄的交會對接技術已經成熟并在“國際空間站”和載人登月中發揮了重要作用，兩國交會對接技術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過載人交會對接。

“自動轉移飛行器”接近“國際空間站”時LIRIS捕捉圖像示意圖

俄羅斯“聯盟”和“進步”飛船。俄羅斯“聯盟”和“進步”系列飛船采用自動化“航向”系統與“國際空間站”交會，“遙操作模式控制”（TORU）系統作為備份，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，在測試改進型“航向”系統時出現小故障，導致自動對接失敗，由站上航天員手控對接成功。

中國“神舟”飛船。在交會經驗方面，中國正在快速追趕，2011年發射天宮－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飛船執行的載人交會對接任務。

日本“H-2轉移飛行器”。“H-2轉移飛行器”在抵近“國際空間站”的過程中應用“H-2轉移飛行器”交會飛行軟件（RVFS）。首先執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）系統與“國際空間站”通信，先后執行一次抵近初始（AI）點火和一次R-bar入軌（RI）點火，完成后即進入“國際空間站”阻進區域（KOS）。接近到10m距離時呈自由飛行狀態，由站上機械臂將其捕獲并停靠。

美國“天鵝座”飛船。“天鵝座”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航，結合使用“三角測量和激光雷達自動交會與對接”（TriDAR）視覺系統。該系統由加拿大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據，通過軟件與目標航天器的已知外形進行對比，從而引導飛船飛向對接口。該系統曾作為航天飛機的“分別禮物”成功進行過3次試驗，即發現號的STS－128和131任務以及阿特蘭蒂斯號的STS－135任務。

自動轉移飛行器－5交會飛行方案

美國太空探索技術公司的“龍”飛船。在“龍”飛船最近一次任務中，飛船利用絕對GPS進行高度調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整和驗證。距“國際空間站”200m時，進入“國際空間站”阻進區域。在距“國際空間站”10m處開始自由漂移，由站上機械臂捕獲。敏感器系統硬件的關鍵組成部分曾在發現號STS－133任務中接受過試驗。

歐洲“自動轉移飛行器”。不同于“天鵝座”、“H-2轉移飛行器”和“龍”飛船，“自動轉移飛行器”直接與“國際空間站”對接。“自動轉移飛行器”導航現基于合作目標交會技術。遠程交會時使用相對GPS導航，基于來自“自動轉移飛行器”和“國際空間站”的GPS接收機測量結果數據。近程導航使用“自動轉移飛行器”上的光學敏感器（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”，其內部導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。

（4）交會技術未來發展

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。關鍵技術包括自動交會算法、自主任務管理、自動相對導航敏感器技術、先進捕獲和對接機構、機械臂組裝技術。這些技術中許多已經成熟，關鍵的挑戰是要將這些技術進行集成。

與小行星等天體交會相關的工作也在推進，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）行星科學任務選中。該任務計劃于2016年發射，2023年將返回一件取自碳質小行星1999 RQ36的樣品。

航天器在軌道上“看到”目標的技術進步也使地球上的人受益，LIDAR和TriDAR技術應用已拓展到農業和軍事領域。

5 貨運能力突出

“自動轉移飛行器”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、姿態控制和軌道提升的航天器，也是迄今為止已發射使用的運載能力最大的專用貨運飛船。“自動轉移飛行器”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，“自動轉移飛行器”還能滿足后期裝貨要求。“國際空間站”的需求時常變化，任務控制中心、航天員和科學家經常在最后關頭還有新想法。從自動轉移飛行器－2任務開始，可以在發射前幾星期內向飛船中加裝干貨。從自動轉移飛行器－4任務起，庫魯航天中心安裝了全新的后期裝貨專用通道（LCAM）設備，這是一部帶有旋轉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“自動轉移飛行器”加壓艙的各個角落中。

自動轉移飛行器－5運送的貨物總質量6555kg，液體貨物3933kg，包括補加的推進劑860kg、水855kg、加壓氣體100kg及由科學試驗材料、衣物和食物、乘員個人物品、各種“國際空間站”系統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”星辰號服務艙推力器用于“國際空間站”軌道提升、碎片規避機動及姿態機動。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“自動轉移飛行器”輸送至“國際空間站”貯箱。在“自動轉移飛行器”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。

自動轉移飛行器－5飛船帶了一些有意思的科學試驗設備，其中一個是ESA的設備觸覺－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。這個試驗能幫助研究人員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物理）。

自動轉移飛行器－4與“國際空間站”之間的合作目標導航示意圖

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移飛行器－5任務后關閉“自動轉移飛行器”生產線。隨著“自動轉移飛行器”系列接近尾聲，ESA不得不在建造第6艘或開發新系統之間做出抉擇，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”設計和建造服務艙，仍將是ESA對“國際空間站”合作伙伴關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。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可以繼續利用“自動轉移飛行器”的技術，還能極大精簡NASA的研發和生產成本。同時，這個項目將在歐洲創造大量高技術就業機會，用“獵戶座”發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，并用轉接器模擬服務艙的結構。

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

歷次“自動轉移飛行器”任務的貨物上行能力對比

“獵戶座”飛船上的歐洲服務艙結構

“獵戶座”歐洲服務艙將全面沿用“自動轉移飛行器”的主體設計和多年研制過程中獲取的專門技術，位于乘員艙正下方，也有“自動轉移飛行器”標志性的“X”形太陽電池翼。歐洲服務艙將向乘員艙提供四方面主要系統功能：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“自動轉移飛行器”上所用的相同。歐洲服務艙還存放“獵戶座”軌道轉移、姿態控制和高空上升中止所需的主發動機、推力器和燃料。

在歐洲航天史上，“自動轉移飛行器”計劃的持續時間、所分配的資源和技術復雜程度都無可匹敵。建造和運行“自動轉移飛行器”得到的經驗、教訓已衍生出數量龐大的專有技術。“自動轉移飛行器”技術可用于諸如控制空間碎片或服務其他在軌航天器等自動化任務；還可發展為無人自由飛行實驗室乃至太空拖船，攜帶數噸補給品到達月球或火星軌道。美國公司也已從“自動轉移飛行器”傳承中獲益，軌道科學公司建造的商業貨運飛船“天鵝座”在執行“國際空間站”任務中采用了“自動轉移飛行器”系統。“自動轉移飛行器”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驗，為未來幾十年里的載人空間探索聯合項目奠定了基礎。

郭筱曦 許國彩/文