貨運飛船家族大掃描

□ 邢強

貨運飛船家族大掃描

□ 邢強

2017年4月20日，中國第一艘貨運飛船“天舟一號”發射升空，并將開展一系列試驗。未來，“天舟”貨運飛船將承擔起為中國空間站運送貨物、在軌補加燃料的使命。

貨運飛船作為載人航天工程中的一環，承擔著重要的職責和使命。在中國“天舟一號”升空之際，回顧目前世界上幾種主要貨運飛船的發展歷程，了解其技術特點，分享其成功經驗，對中國貨運飛船的發展或許能提供某些有益的借鑒。

“進步”號蘇聯留給全人類的太空貨船

作為一款發展最早、技術上最為成熟、改進型號最多、親眼見證了“禮炮”6號、“禮炮”7號、“和平”號和國際空間站等大型航天器的成長歷程的飛船，進步號是值得我們送上祝福的。

總體設計

“進步”號貨運飛船的發展源自蘇聯的“聯盟”號載人飛船項目。“聯盟”號飛船是技術比較成熟、運營情況比較靠譜的一款載人飛船。早期的事故讓設計師和工程師對飛船的安全與可靠方面的性能更為用心。隨著蘇聯與俄羅斯大量太空探索項目的遍地開花，“聯盟”號飛船也逐漸成長為一個龐大的譜系。

空間站的發展，離不開能夠為空間站補充燃料、食物和飲用水以及實驗設備的太空貨船。如果把載人飛船的生命保障系統拿掉，把用于安全返回地面的系統也剔除的話，會節省出大量重量和空間，為運貨提供方便。由此，蘇聯無人貨運飛船的發展計劃開始實施，并隨著蘇聯空間站項目的發展而穩步推進。系出“聯盟”號載人飛船同門的“進步”號無人貨運飛船，自然也是聯盟譜系中的一員。“進步”號無人貨運飛船是由“聯盟”7K-OK的這一支脈發展而來的。而后來的“進步”M無人貨運飛船則與“聯盟”T載人飛船的技術有很大關聯。

一枚“聯盟”火箭正在發射“進步”M-11貨運飛船

“進步”號無人貨運飛船采用經典3艙布局，從頭到尾，依次為加壓貨艙、燃料艙和推進器艙。

早期的“進步”號貨運飛船，發射質量在7.021噸至7.249噸之間（由具體的載貨情況決定），最大載貨質量為2.3噸（“進步”1號到“進步”23號）或2.5噸（“進步”24號到“進步”42號）。

1978年1月20日，第一艘“進步”號無人貨運飛船搭乘R-7系列運載火箭發射升空。這款火箭后來更廣為人知的名字是“聯盟”火箭。“進步”號無人貨運飛船與“聯盟”號載人飛船使用同樣的火箭發射。

“進步”號飛船長7.94米（同時代的“聯盟”飛船長7.4米），比“聯盟”飛船稍長，這也是外觀上兩種飛船的一種區別：“進步”號更為苗條一些。兩種飛船的核心艙段的直徑都是2.2米。不過，到后來的“進步”MS飛船的時候，“進步”的長度減小到了7.23米，比起很長一段時期都維持在7.48米的“聯盟”飛船來說，短了一些。

“進步”號飛船的推進系統采用偏二甲肼/四氧化二氮液體燃料體系。其主發動機的燃燒室壓力為0.88MPa，擁有2.95千牛的推力。其軌道控制發動機可在太空中工作890秒。

進步M-52貨運飛船

不斷進步

如果不持續進行改進，不能讓性能持續進步的話，那就實在對不住“進步”這個名字了。而實際上，“進步”號飛船的改進的確是持續不斷的。

在基本型“進步”號無人貨運飛船發射了42艘之后，時間來到了1990 年5月份。隨著“和平”號空間站的逐步壯大，它對貨運飛船的要求也就越來越高。“進步”M飛船的改進計劃應運而生。

“進步”M飛船的貨艙容積為7.6立方米（基本款“進步”號為6.6立方米），擁有2.6噸的上行貨運能力（基本款“進步”號為2.5噸）。而制導控制系統的升級更是極大地增強了“進步”號飛船的在軌飛行能力：由原來的自主飛行3天的能力躍升為自主飛行30天。

就在“進步”號貨運飛船得到升級，準備大力推進蘇聯太空探索事業發展的時候，紅色帝國轟然倒塌，空留“和平”號空間站與“進步”號飛船在太空中孤零零地漂浮。不過，“進步”M飛船還是堅強的，它繼續為“和平”號空間站服務。

“進步”M飛船一共為“和平”號空間站運送了43次物資。可以說，如果沒有“進步”號飛船，“和平”號空間站是很難在軌維持正常運營的。蘇聯不在了，不過蘇聯留下來的這款小飛船與已顯老態的“和平”號空間站依然在支撐著那些曾經無比輝煌的太空夢想。

“進步”號系列無人貨運飛船為“禮炮”6號、“禮炮”7號以及“和平”號空間站執行了85次任務，全部發射成功，任務完成得不錯，僅在1994年、1996年和1997年出現了3次對接問題。

從2000年8月開始，“進步”號飛船開始積極參與國際空間站的建設。世界標準時間2000年8月8日20點12分56秒，“進步”M1-3貨運飛船對接在“星辰”號上。星辰號是國際空間站的核心艙段，通常又被稱作國際空間站的俄羅斯艙。從這時起，“進步”號貨運飛船開始獲得NASA的官方編號。為了向老前輩致敬，“進步”號在NASA序列中保留了進步這個名字。不過，編號有所變化。“進步”M1-3貨運飛船的NASA序列為“進步”1號，之后的飛船編號，以此類推。

貨運清單

“進步”貨運飛船的貨艙內，液體、固體貨物各自會有獨立的包裝，并且所有的貨物包裝都有防止亂跑的固定裝置，看上去，還是很有序的。以下為某次“進步”號貨運飛船執行任務時的清單，我們可以由此來得知該飛船的貨運能力和通常的貨運內容。

燃料艙有1175千克貨物：705千克空間站所需燃料；420千克水；28千克壓縮氧氣；22千克壓縮空氣。

加壓貨艙有1230千克貨物：318千克食品（另附餐巾紙、食物殘渣收集袋）；273千克水處理設備；148千克公共衛生用品（廁紙、固體排泄物袋子、垃圾袋、固液分離泵）；135千克個人衛生用品（內衣褲、藥品、手持空氣質量監測儀、清洗用品、急救包）；19千克溫度控制設備（另附空氣濾芯、替換的管路）；78千克電池設備；19千克氣罐；22千克導航控制設備備件；23千克維護工具套件。

31千克私人物品（便攜式播放器、電池、信封）；15千克科學實驗設備；5千克整理袋；83千克“曙光”號貨艙替換設備；39千克空間站熱交換器替換部件；22千克美國航天員貨物。

燃料艙1175千克貨物+加壓貨艙1230千克貨物=2405千克貨物。

“進步”號貨運飛船，展示了蘇聯太空探索技術的另外一面。在這里，對太空的向往不再是像N-1火箭那樣的近乎瘋狂，也不像“能源”火箭和“暴風雪”號航天飛機那樣給人留下無限的唏噓與感慨。不再難以復制，也不再無法預知，“進步”號貨運飛船以她的157次發射和出色的任務表現把踏實肯干、低調靠譜的精神展示得淋漓盡致。

歐洲自動運載器貨運飛船中的大個頭兒

說起貨運飛船，我們腦海中或許會爭先恐后地出現兩個型號：一個是代表著傳統飛船設計理念的“進步”飛船，另一個則是在近幾年嶄露頭角吸睛無數的太空探索公司的“龍”飛船。而實際上，老歐洲也有著自己的貨運飛船——“歐洲自動運載器”（ATV），而且，這款飛船是相當有特色的。

提升生活品質

“歐洲自動運載器”是目前在役的貨運飛船中個頭兒最大的。這個大圓桶長度9.794米，最大直徑4.481米，儼然就是一輛雙層巴士的大小。該飛船空重10.47噸，一次可將7.5噸重的物資運送到國際空間站。從外面看，展開了太陽能電池帆板的飛船，其“臂展”達到了22.281米，總面積達33.6平方米，可以為飛船提供4.8千瓦的電力。

一款貨運飛船能夠提升空間站航天員的生活品質？答案是肯定的。

“歐洲自動運載器”按設計有4個用途∶向空間站運送補給物資; 提升國際空間站的軌道;充當空間站的附加活動室;返回時作為垃圾箱使用。這4項用途可以說每一項都與航天員的生活品質息息相關。

“歐洲自動運載器”貨物的上行運載能力非常突出，其總載貨量接近俄羅斯“進步”系列飛船載貨量的3倍。以該系列飛船的第4艘阿爾伯特·愛因斯坦號為例。該飛船在2013年由“阿里安”火箭從庫魯航天中心發射升空。滿載貨物的“愛因斯坦”號的發射質量達到了20.19噸。要知道，提供了空間站一部分的生命保障系統、可供2名航天員長期在軌生活的國際空間站俄羅斯部分核心艙段星辰號的發射質量也就是20.32噸。一艘貨運飛船的發射質量能夠與國際空間站的重要艙段的質量相當，可見其運載能力之強。“愛因斯坦”號一口氣就給國際空間站的俄羅斯艙段運來了570千克的水，外加2.48噸的食物、衣物和儀器設備。如果單純依靠俄羅斯“進步”號飛船的話，按目前的發射密度，國際空間站上的航天員要多等上1年的時間才能收齊這些好吃的和好玩的。

“阿里安”5號火箭正在發射歐洲自動運載器飛船“愛因斯坦”號

“歐洲自動運載器”的自動對接和在軌加注方案繼承和發揚了俄羅斯的技術。這就使得該飛船成為了除“進步”號貨運飛船之外，唯一同時具備姿態控制、軌道提升和在軌補加3項重要技能的飛船。以第2艘歐洲自動運載器“約翰內斯·開普勒”號為例：2011年2 月24日，該飛船與國際空間站對接后，為國際空間站補充了850千克燃料。而身大力不虧的“開普勒號”自身仍攜帶有4.534噸的燃料。當年3月18日，“開普勒號”飛船的發動機點火啟動，在工作了14分鐘42秒后，成功地將國際空間站的軌道向上提升了3900多米。把這項工作交給該飛船來做，給國際空間站的航天員們省了不少麻煩。

而從提升生活質量的角度來說，最有用處的莫過于增大航天員們的生活空間了。“歐洲自動運載器”的內部空間有90%是加壓的，容積高達48立方米。航天員們裝卸貨物的時候，無需穿戴艙外航天服，這個設計很貼心。另外，該飛船的通風系統和空調系統的噪聲很小。喜歡寬敞和安靜的航天員可以在搬空貨物的貨運飛船里睡個好覺。對于女性航天員來說，這里更是好地方了。國際空間站的核心艙段中，設備密布，飲水和洗澡的時候要格外小心，要防止微重力環境中漂浮的水滴造成國際空間站出現短路事故。而在貨運飛船的船艙里，航天員則可以比較放心地用濕毛巾擦洗身體，甚至可以用一用在核心艙段內極少見到的洗發香波和沐浴露。在任意一艘“歐洲自動運載器”對接在國際空間站上的6個多月的時間里，國際空間站的航天員們都可以享受這個多出來的48立方米的安靜舒適且不用過分小心翼翼的空間。這段時光，會是他們日夜期盼，而后又會萬分留戀的。

寬敞的飛船在返回大氣層燒毀之前，航天員可以將臟衣物、廢棄的儀器設備以及不具備回收價值的其他物品塞到飛船里。這樣，這艘飛船離開國際空間站時還能順便帶走重達6.5噸的垃圾。

歐洲自動運載器貨運飛船內部有巨大的加壓空間，可以充當航天員的活動室和休息室

一艘歐洲自動運載器貨運飛船正在自動接近國際空間站

紀念科學先賢

“歐洲自動運載器”已經發射了5艘。這5艘飛船的名字是很有趣的，都是科學或者科幻事業的先賢。第1艘飛船叫儒勒·凡爾納號。生于法國的凡爾納被譽為“科幻小說之父”。他的作品對大型潛水艇、探月飛船等概念都有詳細的描繪，將其稱為預言家也不為過。第2艘飛船叫約翰尼斯·開普勒號。開普勒是德國天文學家、數學家，其開普勒三大定律奠定了軌道動力學的基礎。第3艘飛船叫愛德華多·阿瑪爾迪號。阿瑪爾迪是二戰后意大利物理學領軍人物，航天技術領域的先驅研究者。第4艘飛船叫阿爾伯特·愛因斯坦號。他創立了被認作是現代物理學兩大支柱之一的相對論，同時他也是質能等價公式的發現者。第5艘飛船叫喬治·勒梅特號。勒梅特是生于比利時的一位宇宙學家。

日本HTV貨運飛船運送大件有絕活

日本HTV貨運飛船1號機

日本當地時間2009年10月31日凌晨2點32分，裝有1.6噸垃圾的日本HTV飛船（轉移飛行器）脫離國際空間站。11月2日，HTV接收到再入指令后，墜入大氣層焚毀。這標志著日本自2009年9月11日發射的HTV系列飛船的首艘驗證飛行器完成了使命，也同時意味著日本繼美國、俄羅斯和歐空局之后，也開始正式加入無人貨運飛船俱樂部。

總體設計概況

HTV是日本獨立研制的無人貨運飛船，其主要任務是向國際空間站運送補給。在日本得知美國的航天飛機即將退役，而日本在國際空間站上的“希望”號艙段的實驗計劃與日俱增的情況下，日本對擁有自己的貨運飛船的渴望便愈發強烈。

2009年，HTV飛船的飛行試驗取得成功。該飛船基本上呈圓柱體外形，直徑4.4米，高約9.8米，空重10.5噸。HTV的上行載荷能力為6噸，約為俄羅斯“進步”號貨運飛船的2倍，比“歐洲自動運載器（ATV）”的7.5噸的運載能力略低。

不過，雖然日本HTV飛船的運力低于歐空局的ATV，但是在細節上的設計考慮使其在執行貨運任務時有比較獨特的競爭力。HTV飛船的貨艙艙口為1.27米×1.27米，比起和俄羅斯”進步”號飛船采用同源技術的歐空局ATV飛船的0.8米×0.8米尺寸的艙口來說，大了不少（面積為2.52倍）。這樣一來，盡管HTV的貨艙比ATV的要小一些，但是在運送大型試驗設備的時候，ATV的艙口就成為了瓶頸，而HTV則能夠把任務承接下來。

HTV飛船的龐大尺寸給日本的火箭帶來了不小的壓力。國際空間站的日本核心艙段”希望”號，是一個長11.2米、外徑4.4米、內徑4.2米的圓筒形狀模組。HTV飛船的外徑和希望號艙段相同，而長度僅僅短了1.4米，其發射質量高達14.5噸。因此，日本需要研制推力更強的火箭才行。

于是，H-IIB運載火箭應運而生。該火箭的研制與HTV貨運飛船的研制同步進行。而2009年9月11日的HTV飛船的首次飛行試驗同時也是日本H-IIB運載火箭的首次發射。H-IIB運載火箭是在H-IIA運載火箭的基礎上開發出來的。H-IIA火箭主要用來執行地球同步軌道衛星的發射任務，其同步軌道運載能力為4噸。H-IIB運載火箭在H-IIA火箭的基礎上，芯級增加了1臺LE-7A發動機，變為了2臺。助推器則由原來的2臺增加為4臺。這樣，H-IIB火箭的同步軌道運載能力比H-IIA提升了50%，同時，其近地軌道能力增至16.5噸，剛好可以用來滿足HTV飛船的發射。

對接自有特色

與歐空局的ATV飛船不同，日本的HTV飛船的對接系統沒有借用俄羅斯的技術，而是由三菱電機開發，嘗試走日本自己的技術路線。HTV飛船的對接系統由近傍通訊系統、PROX天線、PROX-GPS天線、PROX溝通設備以及硬件指令面板構成。HTV飛船依靠相對GPS定位技術飛到國際空間站下方。然后，在安裝在國際空間站的日本核心艙段希望號下方的接收會合激光的反射器和飛船的激光雷達的共同作用下，實施會合機動。

當HTV飛船與國際空間站的相對距離為10米時，飛船關閉姿軌控發動機，開始進入“自由飄浮”狀態，等待著被國際空間站上的航天員操縱的加拿大臂將自己捕獲，并隨后被拉到對接口位置實施對接。

實驗內容多樣

日本的HTV飛船是連接國際空間站日本核心艙段“希望”號與地球表面上的日本多所太空探索相關研究機構之間的紐帶。HTV飛船因此也就承擔了大量的實驗任務。

日本早稻田大學研制的用于研究宇宙射線與暗物質的“量能器電子望遠鏡”就是由HTV飛船送入太空的。該望遠鏡最終與“希望”號艙段連接成功。而以發射商業衛星起家的日本航天發射部門當然不會放過任何掙錢的機會。HTV飛船專門設計了帶載和釋放小衛星的機構。第5艘HTV飛船進入太空時，就順便釋放了歐空局的2顆立方星和巴西的1顆小衛星。

另外，HTV飛船還曾經把6種酒送入了國際空間站。當然，國際空間站是不提倡航天員在太空飛行的任務中飲用這么多白酒的。這些酒實際上是用來做太空環境靜置實驗的。6種酒在國際空間站被放置1年后，會交給專業的分析和測評機構，以便分析太空環境對酒類口味的影響。

HTV飛船6號機的實驗任務對未來的太空探索有比較積極的意義。該飛船攜帶了全套的太空垃圾清理設備。該設備由日本宇宙開發局研制。設備的核心部件是一根700米長的繩子。繩子一端系在HTV飛船上，另一端則在太空中漂浮。當航天員發現并追蹤到大塊的太空垃圾后，會設法用繩子將其和HTV飛船連到一起。這樣，隨著HTV飛船執行完任務再入大氣層燒毀的時候，也就能順便清理一些太空垃圾了。

日本HTV貨運飛船6號機

“龍”飛船在軌飛行示意圖

“龍”唯一可以往回運貨的飛船

近幾年來，美國太空探索公司研制的“獵鷹”1號運載火箭和“獵鷹”9號運載火箭以及“龍”飛船開始大量占據各大媒體的頭條。“龍”飛船是第一款由私人企業研制并由企業自己的火箭發射到近地軌道并成功返回的宇宙飛船，是首款為國際空間站進行貨運補給的私人航天公司飛船。橫向比較世界各國的貨運飛船，我們發現，“龍”飛船是目前唯一一款擁有下行運輸能力（從空間站上往地球發快遞）的貨運飛船。

總體設計

貨運版“龍”飛船是太空探索公司接下美國航宇局（NASA）向國際空間站運送貨物大單的主要載具。其高7.2米（早期為6.1米），直徑3.7米，飛船增壓艙部分的外墻有15°的傾斜角。飛船的增壓艙體積11立方米，非增壓艙14立方米，貨艙容積共25立方米。能夠運載3.31噸載荷到國際空間站，還能夠從國際空間站帶回3噸貨物。

和傳統的貨運飛船一樣，“龍”飛船也依靠遍布周身的不同朝向的噴口在太空中進行姿軌控。不過，該飛船四周的噴口比傳統的“進步”號貨運飛船多了一些。龍飛船一共用了18臺姿態控制推進器。這是冗余設計思想的又一個體現（“獵鷹”9號火箭的一級9臺發動機也是冗余設計）。18臺推進器中，任意2臺出現故障，都不會明顯影響“龍”飛船的姿軌控能力，飛船可繼續安全地執行任務。

“龍”飛船內的直流供電分為28伏和120伏兩種。飛船的供電來源以太陽能為主。在太空中展開后，“龍”飛船的一對太陽能電池帆板能夠為飛船提供1500瓦的平均功率（峰值功率4000瓦）。

“龍”飛船的增壓貨艙頂部有1個邊長為1.27米的正方形艙門。這個門對于這個個頭兒的飛船來說，算是很大了。其面積為“進步”號無人貨運飛船的2.5倍以上。這個設計方便了大型空間實驗設備的進出。

一臂之力

“龍”飛船是如何與國際空間站對接的呢？有趣的是，“龍”飛船并沒有使用經典的APAS-89異體同構周邊式對接系統，也沒有用LIDS低沖擊對接系統，而是充分借助了國際空間站的能力：用空間站的機械臂將自己抓住，然后慢慢與空間站對接。這個思路省去了太多中間過程，不過對國際空間站的航天員來說，壓力還是蠻大的。

不過，“龍”飛船在對接過程中并不是什么都不做的。除了要維持自身的軌道和姿態穩定之外，還要時刻向國際空間站的航天員提供自身與空間站的相對距離、相對速度和姿態等信息。而這些，是由“龍”飛船的龍眼系統提供的。

當一個國家或一個公司的航天運輸系統發展到一定程度的時候，其航天任務內容中就會有大量未雨綢繆提前規劃的事情。比如在“龍”飛船執行任務之前，NASA和太空探索公司就趁航天飛機尚未退役的時候，借助航天飛機對“龍”飛船的對接輔助系統進行了測試。2011年2月24日，“發現”號航天飛機在執行航天飛機第133次任務（退役前的倒數第3次任務）時，上面搭載了“龍”飛船系統的龍眼系統。

“龍”飛船上的龍眼系統本質上是一套激光雷達。激光雷達對物體距離的測量與通常所說的雷達類似，都是通過測量發送和接受到的脈沖信號的時間間隔來計算物體的距離。由于原理上的相似性，盡管雷達的準確定義是使用微波或無線電波等波長較長的電磁波進行測距的設備，但是激光雷達這一術語仍然被廣泛使用。

"龍"飛船的貨艙

另外，商業航天的發展也促使國際空間站進行升級改進。在“龍”飛船給國際空間站的貨運任務中，第9次任務裝載的是IDA 2對接環。這個對接環專門用來改善商業航天公司的飛船與國際空間站的對接情況。

“天鵝座”飛船成熟技術 降低成本

□ 諸葛文

“天鵝座”貨運飛船飛往“國際空間站”示意圖

美國軌道科學公司研制的“天鵝座”飛船于2013年9月18日進行了首次驗證飛行。此后，“天鵝座”飛船正式完成了幾次“國際空間站”商業補給服務任務，但在執行第3次商業補給服務任務時失敗。

“天鵝座”飛船的設計，繼承了軌道科學公司及其合作者經飛行驗證的航天器技術，由加壓貨物艙與通用服務艙組成。采用成熟技術目的是降低成本、風險和研制周期。

其加壓貨物艙由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司制造，它是基于意大利“多用途增壓后勤艙”研制的，長3.66（標準構型）～4.86米（改進構型），直徑3.07米，自重1.5（標準構型）～1.8噸，功率850千瓦，加壓容積18.9（標準構型）～27米3（改進構型），載貨質量2～2.5噸（改進構型），返回時可裝載1.2噸垃圾。它用于日常物資、備用部件、實驗設備等的裝載。

其服務艙由軌道科學公司制造，繼承了該公司的低軌衛星和地球靜止軌道衛星平臺的電子、推進和電源系統，重量1.8噸，裝有電子、推進和電源系統，其中電源系統包括2副砷化鎵太陽電池翼，可提供4千瓦的電力。

根據美國軌道科學公司與美國航宇局簽署的價值19億美元的商業補給服務合同，將發射8艘“天鵝座”飛船，向“國際空間站”運送20噸貨物任務。

近年，“天鵝座”飛船進行了改型，提高了性能。