日本第5個“H-2轉移飛行器”成功抵達“國際空間站”

肖武平 （北京空間科技信息研究所）

2015年8月19日20：50：49（東京時間），日本H-2B火箭成功地將第5個 “H-2轉移飛行器”（HTV－5）送入預定的軌道。HTV－5向“國際空間站”送去了飲用水、食物、日用品和實驗器材等共計5.5t補給物資。它也是日本研制的最后一個“H-2轉移飛行器”。

由于歐洲“自動轉移飛行器”（ATV）在今年2月以后退役，目前負責給“國際空間站”運送物資的國家僅剩美國、俄羅斯和日本。俄、美兩國貨運飛船在今年早些的4月、6月相繼發射失敗，使得此次任務受到格外的關注。

1 HTV－5概要

為滿足長期駐留在“國際空間站”的航天員正常生活和工作需要，以及維護和更新“國際空間站”內的系統和實驗設備，參加“國際空間站”的主要國家定期發射為向“國際空間站”運送補給物資的飛船。日本根據簽訂的“國際空間站國際合作協議（1988年9月）”規定，承擔物資運送分配義務，并研制了物資補給飛船—HTV。自2009年發射HTV－1以來，日本已向“國際空間站”發射了4艘HTV飛船，圓滿完成飛行任務。

HTV－5原計劃于2014年發射，但由于需要搭載的美國設備沒按計劃進度準備好等原因，才推遲至今年8月發射。歐洲的“自動轉移飛行器”退役后，HTV成為“國際空間站”貨運飛船中運載能力最強的貨運飛船，增壓艙和暴露艙總計可攜帶6t貨物，并且可同時運載若干個“國際空間站”大型標準機柜和ISS艙外平臺上使用的大型實驗裝置。

日本宇宙航空研究開發機構研制HTV－3時對硬件做了很大的改動，如以石川島播磨重工業公司研制的主發動機取代了從美國采購的產品，脈沖轉發器及雙工器也改用日本電氣公司研制的，進而實現了部件全部國產化。HTV的改造也基本完成，因此HTV－5僅針對裝載貨物的要求以及HTV－4發射和運用過程中發現的問題進行些細微改動。

盡管HTV貨倉的容積一直沒有改變，但是通過精確計算，合理碼放，使HTV的貨物搭載運送能力不斷得到提升。HTV－5可搭載的貨物轉移袋（CTB）數量從HTV－1的208個提高到HTV－5的242個，運送能力增加了15%。此外，“速遞”（臨近發射的貨物裝載）能力也得到很大提升。普通貨物在發射前4個月就需要將搭載貨物預先裝入貨倉中，而“速遞”運載包括需嚴格保證運送質量的生物系列的實驗用試樣、太空食品，以及應對“國際空間站”發生機械故障需緊急運送急需要更換的部件等，就是在發射前10天，乃至發射前80h都可緊急裝載。

HTV－5的改動部分

此次HTV－5發射正值俄、美兩國的貨運飛船剛剛發射失敗不久，所以“速遞”運載方式顯示出其必要。美國就請求日本緊急調整貨物清單，利用HTV－5的“速遞”優勢能力幫助美國運載因上次發射失敗而無法送遞的貨物，包括水再生系統部件等，共計210kg。HTV－5的“速遞”搭載的貨物轉移袋數多達92個，單個貨物轉移袋最大質量也由HTV－3以前的20kg提升至50kg、體積則從100L提升至240L，達到世界最高水平。

2 發射及飛行計劃

原計劃HTV－5于2015年8月16日發射，但由于天氣環境惡劣，為避免發射時遭雷擊等影響，日本宇宙航空研究開發機構兩次調整了發射計劃，最終于8月19日20點50分成功完成發射。調整后，飛船于8月24日晚接近“國際空間站”，日本航天員操作機械臂夾持HTV－5完成停靠、對接，接著，完成一系列操作，包括航天員進入增壓艙取出增壓艙內堆放的物資、使用機械臂將暴露艙的物資碼放到艙外平臺內、將計劃廢棄的實驗設備和各種廢棄物裝回貨架上，然后，HTV－5與“國際空間站”分離和再入大氣層等。

HTV－5發射及飛行計劃

HTV－5的運用計劃

續 表

3 執行的主要任務

物資運送任務

HTV－5向“國際空間站”共運送5.5t物資，其中4.5t裝在增壓艙內，1t裝載在暴露艙內。增壓艙內所有的物資均收納到8個HTV補給機柜（HRR）中。HTV－5靈活地利用了增壓艙的拱形空間，新設置了適合底部空間的機柜（HRR Type-D）。食品、系統用補給品、日用品和小型衛星均置于大小不同的各種貨物轉移袋內打包后裝載于補給機柜內。為了最大限度地提高裝載容積，在補給機柜的前部還會捆綁貨物轉移袋。暴露艙搭載的艙外物資是日本的高能電子、伽馬射線觀測裝置（CALET）。增壓艙物資中有4/5是美國航空航天局的物資，僅1/5是日本宇宙航空研究開發機構物資，包括食品、日用品、飲用水、實驗相關設備和系統用補給品。

增壓艙攜帶的物資

HTV－5增壓艙內機柜搭載狀況

艙內物資的搭載實例

機柜前面搭載貨物轉移袋的實例

搭載的主要設備

（1）系統補給物資

水再生系統用的組成部件：由于“龍”飛船發射失敗，7月末美國航空航天局緊急請求日本使用HTV－5向“國際空間站”運送水再生系統所使用的組成部件，包括1套流體控制泵（FCPA，是具備將航天員尿液處理使之成為蒸餾水功能的尿液處理裝置中的組成部件）、兩個多層過濾網（WFB，是一種將尿液處理裝置中生成的蒸餾水和ISS的空調設備回收的冷凝水處理，使之變為飲用水的處理裝置的組成部件）。

艙內廚房機柜：含給水裝置和食物加熱裝置（烤箱）等，將設置于節點1號艙的餐桌附近。

航天服高壓氣體推進裝置（SAFER）：航天服高壓氣體推進裝置具備使因錯誤指令等致使航天員被錯誤釋放到艙外的情況下使航天員能夠獨自返回空間站內的小型推進裝置，它安裝于航天服后背上的生保裝置下部，僅限緊急情況下使用。航天服高壓氣體推進裝置上使用的是充滿氮氣的小型推進器，需（在達到使用壽命前）定期更換。

艙內各類物資的重量和體積占比

日本希望號實驗艙艙外實驗平臺配電箱（FEPDB）: 希望號日本實驗艙艙外實驗平臺配電箱是日本希望號實驗艙艙外實驗平臺電力系統用的設備，HTV－5運送來的是備用件，作為故障時的替換件。

小動物飼養裝置

靜電懸浮爐

（2）與應用實驗相關的設備

小動物飼養裝置（MHU）：人等哺乳類動物長期在太空駐留會出現骨質疏松、肌肉萎縮和免疫力下降等“衰老現象”，太空是難得的可以觀察到生物體加速“衰老現象”的環境。日本計劃靈活地運用希望號，將其作為研究平臺，利用小動物飼養裝置進行飼養老鼠實驗，為研究和掌握伴隨時間增加生物體態變化情況做貢獻；同時也為構建這一戰略研究環境做貢獻。小動物飼養裝置能夠同時飼養12只老鼠，飼養時間約30天，并設定在太空飼養過程中人造重力（1G）條件，并可研究和精密地比較微重力的影響，這也是首次在“國際空間站”上對哺乳類生物進行人造重力實驗。

靜電懸浮爐（ELF）：靜電懸浮爐的一個顯著特點是在微重力環境下即便不使用容器仍可固定液體位置使之處于一種非接觸狀態，因此可以高精度測量超過2000℃的高熔點材料在熔融狀態下的物理特性；由于能夠抑制容器出現核生成等現象，故可達到深度過冷卻之目的，用其可探索新的實驗；靜電懸浮爐是世界上少數可以測量從金屬到絕緣體的寬范圍高溫熔體物理特性并獲取數據的實驗裝置之一。利用其特性可以取得目前尚未掌握的高溫熔融體的物理特性數據，為未來改良材料制造工藝做出貢獻。

多用途實驗機柜-2（MSPR-2）：多用途實驗機柜-2主要是一種可向實驗器材提供電力和通信接口等資源，可提供與普通實驗室有相近應用感覺的操作空間的多用途機柜，目前希望號內已經擁有一臺這樣的機柜—多用途實驗機柜-1。靜電懸浮爐就設置在多用途實驗機柜-2的上部。

簡易暴露實驗裝置（圖左為實驗試樣，圖右為正樣）

HTV－5攜帶的立方體衛星

簡易暴露實驗裝置（ExHAM）：簡易暴露實驗裝置是不參與艙外活動，僅有效地利用氣閘艙和機械臂進行科學暴露實驗的裝置。利用氣閘艙和機械臂可以簡潔且高頻度地把實驗材料放置到簡易暴露實驗裝置內在艙外進行暴露實驗，可在地面回收，用戶可對回收后的試樣進行分析。利用簡易暴露實驗裝置的這一特點，向日本企業和大學提供實驗機會，進行航天用新材料的品質和可靠性評價。HTV－5攜帶了簡易暴露實驗裝置-2和計劃在簡易暴露實驗裝置上進行實驗的試樣，包括輕型高精度反射鏡、太空環境對用于太陽帆的新型高性能薄膜影響評價用試樣、暴露中空間環境下的PEEK材料等。

（3）立方體衛星

日本希望號實驗艙是既有氣閘艙，又有機械臂的艙段，也是“國際空間站”中唯一能夠向太空釋放超小型衛星的艙段。迄今，利用希望號實驗艙不僅把日本的多顆立方體衛星，還把包括美國、越南、巴西、秘魯和立陶宛等國家的88顆立方體衛星釋放到運行軌道上。此次，HTV－5又攜帶了計劃釋放的兩顆立方體衛星。

（4）暴露艙物資

目前，“暗物質”問題是物理界急需解決的問題之一。“暗物質”難以觀測，是根據星系轉動速度、重力透鏡效應和對宇宙背景輻射的觀測等推測出來的不發光的未知物質。根據觀測得知，宇宙中可觀測到的質量僅占5%，其余的95%都是無法觀測的暗物質和暗能量。

要確認暗物質的存在就需要詳細研究宇宙射線和高能伽馬射線。此次，暴露艙將攜帶高能電子、伽馬射線觀測裝置（CALET）。伽馬射線觀測裝置用可視化技術精確觀測高能宇宙射線，其搭載的檢測器可以測定射線的種類、到來方向和能量。通過伽馬射線觀測裝置可以了解高能宇宙輻射和伽馬射線的起源及其加速機理；宇宙射線在星系內傳播的機理以及通過觀測高能電子、伽馬射線了解暗物質的本質。

廢棄物品

搭載廢棄實驗設備的暴露平臺

HTV－5攜帶的觀測裝置

HTV－5返回時最多可搭載6t的廢棄物，再入大氣層過程中燒毀后廢棄。目前，僅有HTV具備將“國際空間站”艙外物資帶回在再入過程中燒毀廢棄的功能。此次，HTV－5計劃搭載美、日兩國已在軌執行完任務的3種艙外實驗設備：①希望號艙外平臺上搭載的亞厘米波超導邊緣放射器（SMILES）；②多任務共用實驗裝置（MCE）；③美國艙外實驗裝置（ELC-1）上搭載的執行氣象觀測等實驗任務的空間試驗計劃-休斯頓4（STP-H4）。此次是HTV首次執行搭載多臺艙外裝置返回再入后廢棄任務，因此在暴露平臺上還設置了固定廢棄設備用的固定裝置。

有效地利用儲備技術開展實驗

“國際空間站”上配備了等離子接觸單元（PCU），不僅可起到使空間站本體的電位與周邊的等離子電位保持基本相同，且有將空間站的帶電電位控制在安全范圍的作用。航天員在進行艙外活動時，必須設法降低空間站與航天員間的電位差，空間站還必須與具備獨自發電功能的航天器HTV等進行對接；等離子接觸單元本身就具備降低空間站與之對接的航天器間的電位差的功能。

具備獨自發電功能的航天器HTV在與“國際空間站”對接之前，要搞清楚HTV的電位有那些變化，以及HTV在駐留階段對空間站的電位都有那些影響，這對確保空間站穩定運行極其重要，因此在HTV－4上搭載了表面電位傳感器，進行了數據設計。

HTV－5有效地利用了上述這些儲備技術，在表面電位傳感器的基礎上開發并搭載了發展型測量裝置—空間環境測量裝置（KASPER）。空間環境測量裝置配備表面電位傳感器外，還安裝了兩種測量裝置：用于評估帶電電位的等離子電流測量裝置和監測軌道碎片撞擊用的監測裝置。

4 HTV的未來發展

根據日本宇宙開發戰略本部在2015年公布的最新版《航天基本計劃》，日本未來還將向“國際空間站”發射4艘HTV飛船。文部科學省8月20日公布了HTV的改良方針，按此方針HTV將在保持現有運送能力的基礎上大幅減輕飛船的質量，并將制造費用從目前的200億日元減少至100億日元左右。這種改良型HTV有望應用于日本發往國際空間站的最后一艘飛船上，未來還可能替換其貨運部分應用于月球著陸器等。