“天鵝”展翅—“天鵝座”飛船成功執(zhí)行首次正式合同任務(wù)

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

“天鵝”展翅—“天鵝座”飛船成功執(zhí)行首次正式合同任務(wù)

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

2014年1月9日，執(zhí)行美國軌道科學(xué)公司首次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同任務(wù)（Orb－1）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭從美國弗吉尼亞州中大西洋地區(qū)航天發(fā)射中心點火升空，成功將“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船送入初始目標(biāo)軌道。隨后，該飛船用自身推力器提升軌道，1月12日與“國際空間站”（ISS）交會，在站上航天員的控制下被加拿大機(jī)械臂－2捕獲，停靠至和諧號節(jié)點艙。此次任務(wù)中，“天鵝座”飛船共向“國際空間站”運送約1465kg貨物。在軌停靠37天后，飛船于2月18日離站，次日再入大氣層燒毀。

軌道科學(xué)公司董事長兼首席執(zhí)行官戴維·湯普森稱，繼2013年成功執(zhí)行驗證任務(wù)之后，此次正式貨運任務(wù)也圓滿完成，但對于“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同開展來說這只是第一次任務(wù)。軌道科學(xué)公司將之后的兩次“天鵝座”任務(wù)也安排在2014年。

1 任務(wù)背景

此次任務(wù)規(guī)劃已久。根據(jù)與美國航空航天局（NASA）簽訂的“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，軌道科學(xué)公司要在2016年前向“國際空間站”發(fā)射8艘“天鵝座”貨運飛船，共運送約20t貨物，合同價值19億美元。

剛剛過去的2013年對于軌道科學(xué)公司是收獲頗豐的一年。盡管存在很多工程挑戰(zhàn)，“安塔瑞斯”運載火箭還是于2013年4月完成首次試射，成功將“天鵝座”質(zhì)量模擬件送入軌道。同年9－10月，“天鵝座”首飛，成功執(zhí)行“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”（COTS）首次驗證任務(wù)（Orb-D）。盡管早期交會階段遭遇技術(shù)難點，但最終還是無瑕疵地停靠于“國際空間站”對接口，任務(wù)滿足所有要求，為軌道科學(xué)公司的“國際空間站”常規(guī)補(bǔ)給飛行掃清了障礙。

2 任務(wù)概況

“安塔瑞斯”火箭發(fā)射“天鵝座”飛船

此次任務(wù)幾經(jīng)波折，原定于2013年12月發(fā)射，但12月“國際空間站”上的冷卻系統(tǒng)突發(fā)故障，站上乘員需要執(zhí)行應(yīng)急艙外活動更換故障組件，因此將發(fā)射推至1月。進(jìn)入1月，嚴(yán)寒天氣和意外的太陽耀斑又?jǐn)?shù)次推遲發(fā)射日期。在全面復(fù)查與空間輻射環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)、進(jìn)一步審查和建模火箭電子系統(tǒng)并預(yù)測發(fā)射場地面天氣狀況之后，“安塔瑞斯”發(fā)射團(tuán)隊決定在1月9日發(fā)射，并收尾所有遺留的發(fā)射前審查和測試工作。軌道科學(xué)公司工程團(tuán)隊經(jīng)與美國航空航天局磋商后確定，發(fā)射成功的風(fēng)險在“安塔瑞斯”計劃之初確立的可接受范圍之內(nèi)，發(fā)射任務(wù)最終在1月9日實施。

飛船目標(biāo)初始軌道的軌道高度為近地點210km、遠(yuǎn)地點298km，傾角為51.64°。實際任務(wù)中，火箭將飛船送入近地點219km、遠(yuǎn)地點279km、傾角51.654°的初始軌道，在允許誤差范圍之內(nèi)。飛船入軌后執(zhí)行一系列檢查，隨后開始交會飛行。與“國際空間站”建立聯(lián)系后執(zhí)行變軌機(jī)動，逐步提升軌道高度并使近地點和遠(yuǎn)地點更加接近，且接近“國際空間站”所在軌道。

“天鵝座”入軌后由軌道科學(xué)公司位于杜勒斯的任務(wù)控制中心（MCC-D）監(jiān)視和控制，并與美國航空航天局位于休斯頓的約翰遜航天中心任務(wù)控制中心（MCC-H）持續(xù)協(xié)同。日本飛控人員也通過其在站上的鄰近通信系統(tǒng)（PROX）提供飛船與“國際空間站”之間的近連續(xù)性指令和數(shù)據(jù)交換，以支持飛船的交會、停靠和離站操作。

2月17日，乘員開始緊固飛船內(nèi)所有貨物，關(guān)閉燈光并移除照明器材、滅火器及其他設(shè)備。18日，“天鵝座”與“國際空間站”解除對接。19日，飛船在新西蘭以東太平洋上空再入大氣層。

3 運輸系統(tǒng)

軌道科學(xué)公司根據(jù)“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”合同建造“安塔瑞斯”系列火箭和“天鵝座”飛船，用于驗證向“國際空間站”運送貨物的能力。隨著2013年10月驗證飛行任務(wù)成功，軌道科學(xué)公司現(xiàn)已進(jìn)入“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”計劃階段。

運載火箭

“安塔瑞斯”為兩級火箭，高40.5m，直徑3.9m，起飛質(zhì)量約為284t。第一級使用液體燃料，由兩臺AJ－26發(fā)動機(jī)驅(qū)動。第二級是由阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（ATK）建造的固體燃料火箭發(fā)動機(jī)，可選用卡斯托－30A（Castor－30A）、30B、XL。

第二級發(fā)動機(jī)參數(shù)對比

“安塔瑞斯”的頭兩次任務(wù)，即首次試射和“天鵝座”首次驗證飛行任務(wù)均采用卡斯托－30A發(fā)動機(jī)，此次任務(wù)和之后的第2次任務(wù)則采用升級的卡斯托－30B，后續(xù)任務(wù)將采用加長型卡斯托－XL，以提高有效載荷能力并容納增強(qiáng)構(gòu)型的“天鵝座”飛船。

貨運飛船

“天鵝座”飛船包括加壓貨物艙和服務(wù)艙，分別由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和軌道科學(xué)公司建造。此次飛行的“天鵝座”飛船標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型長3.66m，直徑3.07m，飛船自身質(zhì)量1500kg，加壓容積18.9m3，載貨質(zhì)量2000kg（滿載）。返回時可裝載1200kg廢物和站上不再需要的物品。

針對交會過程中的近距導(dǎo)航，飛船裝有Neptec公司研制的“三角測量和激光雷達(dá)自動交會與對接”（TriDAR）系統(tǒng)，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標(biāo)點的三維數(shù)據(jù)，通過軟件與目標(biāo)航天器的已知外形進(jìn)行對比，從而引導(dǎo)飛船飛向?qū)涌凇ｏw船由站上乘員使用站上機(jī)械臂捕獲，并具有標(biāo)準(zhǔn)的通用停靠機(jī)構(gòu)。

4 任務(wù)亮點

此次任務(wù)中，“天鵝座”飛船共向“國際空間站”運送約1465kg貨物，其中991kg為一般貨物，475kg為后期裝載貨物（包含一些高時效要求的科學(xué)有效載荷和新鮮水果）。貨物包括有效載荷、補(bǔ)給物品、食物、系統(tǒng)硬件和乘員個人用品。技術(shù)有效載荷主要包括33顆立方體衛(wèi)星及其釋放設(shè)備和SPHERES-Slosh試驗設(shè)備；科學(xué)有效載荷主要包括23臺學(xué)生設(shè)計的實驗設(shè)備及“天鵝座”首個通電有效載荷商業(yè)通用生物配制裝置（CGBA），用于研究失重狀態(tài)對蟻群活動的影響。

33顆立方體衛(wèi)星及釋放設(shè)備

NanoRacks公司的立方體衛(wèi)星釋放設(shè)備

28顆“鴿群”衛(wèi)星

“鴿群”衛(wèi)星展開圖

“天鵝座”飛船向“國際空間站”運送了美國NanoRacks公司的立方體衛(wèi)星釋放設(shè)備及33顆立方體衛(wèi)星，以利用日本實驗艙機(jī)械臂在軌建造釋放立方體衛(wèi)星所用的基礎(chǔ)設(shè)施。釋放設(shè)備將用于從站上釋放小衛(wèi)星進(jìn)入獨立軌道，使其執(zhí)行單獨任務(wù)。從“國際空間站”上釋放立方體衛(wèi)星有眾多優(yōu)勢。搭載到訪飛行器發(fā)射可以減輕發(fā)射過程中的振動和負(fù)載。此外，衛(wèi)星可包裝以防護(hù)材料，從而顯著降低發(fā)射受損概率。衛(wèi)星到達(dá)空間站后可執(zhí)行釋放前的檢查，確保入軌前沒有任何損壞。

鴿群－1（Flock－1）是指由行星實驗室（Planet Labs）公司運營的28顆3U立方體衛(wèi)星，以在軌驗證過的“鴿子”（Dove）立方體衛(wèi)星為基礎(chǔ)構(gòu)建衛(wèi)星星座。該星座運行在高度386～644km、傾角52°的地球軌道上，將覆蓋地球上大部分農(nóng)業(yè)區(qū)和人口聚居地，建成后將成為迄今世界上規(guī)模最大的對地觀測衛(wèi)星星座，設(shè)計具有靈活性，每顆衛(wèi)星的軟件都可重新編程。3U立方體衛(wèi)星質(zhì)量約為5kg，本體貼有太陽電池，另外還有兩個可展開的太陽電池翼。航天器內(nèi)裝有貯能電池，向各個系統(tǒng)供電。姿態(tài)數(shù)據(jù)由三軸磁強(qiáng)計提供，實現(xiàn)三軸穩(wěn)定。每顆衛(wèi)星的主要有效載荷為一臺技術(shù)參數(shù)未知的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，用于獲取低成本、高分辨率的地球圖像。光軸沿衛(wèi)星中心軸方向以實現(xiàn)最大焦距。影像經(jīng)由S頻段下傳，可為多種用途服務(wù)，如監(jiān)視森林砍伐、自然災(zāi)害、輸油管道泄漏等。

立陶宛衛(wèi)星－1（LituanicaSat－1）和利特衛(wèi)星－1（LitSat－1）均為1U立方體衛(wèi)星，是立陶宛的首批衛(wèi)星。前者由立陶宛考納斯技術(shù)大學(xué)研制，裝有一臺低分辨率視頻圖形陣列（VGA）相機(jī)、“全球定位系統(tǒng)”（GPS）接收機(jī)、遙測信標(biāo)、超高頻連續(xù)波信標(biāo)及一臺音頻轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星在軌發(fā)送有效載荷和傳感器信息、圖像和3個立陶宛單詞。后者由立陶宛空間聯(lián)合會研制，其飛行計算機(jī)應(yīng)用低成本開源硬件和軟件建造，衛(wèi)星攜帶視頻圖形陣列相機(jī)、GPS接收機(jī)、線性轉(zhuǎn)發(fā)器和AX-25數(shù)據(jù)包無線電應(yīng)答器各一臺。

“天空立方體”（SkyCube）衛(wèi)星是由南星集團(tuán)發(fā)起的眾籌項目，投資人由此獲得機(jī)會從太空中發(fā)送一條120字的消息或在指定位置拍攝照片。“天空立方體”是一顆質(zhì)量為2kg的1U立方體衛(wèi)星，具有可展開的太陽電池翼、4臺相機(jī)和通信天線，用于接收來自地球的消息并在預(yù)定時間發(fā)送。

秘魯阿拉斯大學(xué)衛(wèi)星－1（UAPSat－1）是一顆由秘魯天主教大學(xué)射電天文學(xué)研究所建造的1U立方體衛(wèi)星。該衛(wèi)星利用體裝的太陽電池發(fā)電。衛(wèi)星裝有微型計算機(jī)、無線電轉(zhuǎn)發(fā)器/接收器、電源控制模塊及由磁體構(gòu)成的基礎(chǔ)姿態(tài)控制系統(tǒng)，使其對準(zhǔn)地球磁場。衛(wèi)星在軌發(fā)送遙測數(shù)據(jù)和內(nèi)外部溫度傳感器讀數(shù)。

SPHERES-Slosh

阿德偉諾衛(wèi)星－2（ArduSat－2）是一顆2U立方體衛(wèi)星，在2013年11月從“國際空間站”上釋放的1U阿德偉諾衛(wèi)星－1基礎(chǔ)上建造。該衛(wèi)星由美國NanoSatisfi建造和運行，為學(xué)生和航天愛好者提供平臺，進(jìn)行他們自己的天基開源硬件試驗。星載傳感器包括高級渲染傳感器、紅外溫度傳感器、印刷電路板溫度傳感器、三軸磁強(qiáng)計、蓋革計數(shù)器（用于測量放射性）、六自由度慣性測量單元（IMU）和微電子機(jī)械式陀螺儀。

SPHERES-Slosh試驗設(shè)備

SPHERES-Slosh應(yīng)用空間站上已有的自由飛行“同步位置保持、接合、重定向試驗衛(wèi)星”并加裝新的試驗設(shè)備，目的是考察微重力環(huán)境中液體在容器內(nèi)如何晃動，演示施加的外力如何影響容器內(nèi)的液體。該試驗?zāi)M火箭燃料在貯箱內(nèi)的晃動過程，深入了解工作過程可以改進(jìn)衛(wèi)星和其他航天器或火箭貯箱內(nèi)的燃料晃動模型，從而通過提高燃料效率來降低工業(yè)成本。

“螞蟻進(jìn)太空”

商業(yè)通用生物配制裝置（CGBA）科學(xué)嵌件針對不同用途提供可編程的溫度精確控制能力，用于進(jìn)行細(xì)胞、微生物和植物實驗，可在“國際空間站”上提供自動化執(zhí)行生物實驗的能力。此次“螞蟻實驗”設(shè)備是“國際空間站”上的第6臺商業(yè)通用生物配制裝置，將一群螞蟻送上太空，研究它們在微重力環(huán)境中的行為，并與地面行為進(jìn)行對比，更好地了解群體智能可能有益于改善解決復(fù)雜問題的數(shù)學(xué)過程，如調(diào)度車輛、航線排班或遠(yuǎn)程通信效率等。地面上的學(xué)生可以觀看由站上攝像頭記錄的實驗視頻。作為相關(guān)課程的一部分，學(xué)生還可在教室里與螞蟻進(jìn)行互動。

太空講故事時間

這項科普活動所用的教具包括少兒讀物和在站上做簡單演示所用的材料。空間站上的航天員錄下他們講故事和做實驗的過程，以趣味性方式演示科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念。

此外，“天鵝座”飛船還運送了抗生素有效性實驗（NLPVaccine－21）、二元膠態(tài)合金試驗-動力學(xué)平臺（BCAT-KP）、固體燃燒和抑制實驗（BASS－2）等有效載荷。

5 結(jié)語

此次任務(wù)的成功具有里程碑式的意義，不僅是軌道科學(xué)公司首次正式的空間站“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)，也使該公司成為繼太空探索技術(shù)（SpaceX）公司之后第2家向“國際空間站”發(fā)射常規(guī)貨運飛船的商業(yè)公司，填補(bǔ)了此前兩家公司之間的進(jìn)度差距。SpaceX公司已于2012年5月完成“龍”飛船的首次驗證飛行，其后分別于2012年10月、2013年3月和2014年4月完成3次正式的合同補(bǔ)給任務(wù)。

至此，美國有了兩家完全成熟的私人承包商可為空間站提供補(bǔ)給，意味著美國結(jié)束了空間站補(bǔ)給工作的外包歷史，也意味著美國航天員和科學(xué)家有更多機(jī)會在太空中進(jìn)行基礎(chǔ)研究和地面上難以實現(xiàn)的微重力試驗。除貨運飛行外，美國航空航天局的商業(yè)航天合作伙伴也在載人發(fā)射方面取得重大進(jìn)展，力爭在3年內(nèi)實現(xiàn)。美國航空航天局局長曾稱，商業(yè)航天工業(yè)將成為21世紀(jì)美國經(jīng)濟(jì)增長的新引擎，幫助其實現(xiàn)更宏偉的深空探索任務(wù)。由于“國際空間站”運行壽命延長至2024年，因此可能需要向太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司追加商業(yè)貨運訂單。