浅析货运飞船井喷式发展

Everett

美国东部时间2014年4月18日15时25分，太空探索技术公司（SpaceX）在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射场使用“猎鹰”9号运载火箭成功发射了“龙”式货运飞船。大约10分钟后飞船与火箭分离，进入预定轨道。20日，国际空间站宇航员使用机械臂成功抓取了“龙”式飞船。该飞船为空间站送去了2.3吨的物资，包括食物、舱外行走的设备以及多达150项各类科学实验的仪器。这也是该飞船执行的第3次国际空间站补给任务。经过4周的对接停泊后，“龙”式飞船脱离空间站，再入大气层后坠毁在太平洋。

近几年，宇宙飞船开始逐渐恢复，尤其是美国本土的飞船业出现了“井喷式”发展。比如太空探索技术公司（SpaceX）的“龙”式飞船、轨道科学公司的“天鹅座”飞船，还有被寄予厚望的“猎户座”多用途宇宙飞船等。除了美国本土之外，欧洲和日本也在近年来发展了各自的货运飞船。

货运飞船的技术状态与载人飞船较为相似，但是没有一系列复杂的生命保障系统和再入隔热系统，其任务是执行向近地轨道运输货物，上行运载能力在数吨不等。目前，货运飞船的用途较为单一，几乎全部被用于执行空间站任务，向国际空间站补给食物、燃料以及科学仪器等。事实上，货运飞船的功能是相当强大的。虽然补给是其主要任务，但有些货运飞船也“客窜”了空间实验室。当对接空间站后，宇航员可以在飞船内进行相关实验，也可在靠泊期间拓展空间站舱室面积。此外，还可以用于提升空间站的轨道高度，辅助变轨也是货运飞船的拿手好戏之一。2001年，俄罗斯对“和平”号空间站进行了变轨措施，使用的就是货运飞船。当前，在载人飞船技术愈加成熟的前提下，货运飞船技术也不断升级，货运能力也从早期的2吨左右提升到现在的6～7吨，从以往的一次性使用发展到可重复使用。

老牌货运飞船仍然是苏/俄的“进步”系列。从1978年“礼炮”6号空间站的建设开始，苏联使用“进步”系列飞船运输空间站所需要的燃料等物资，同年共发射了4艘“进步”系列飞船。后续的“礼炮”7号空间站和“和平”号空间站的建设仍然由“进步”系列运货飞船来完成。到目前为止，俄罗斯仍然继续改进“进步”系列，其中包括后续的衍生型号“进步”M、“进步”M1/2等，主要为国际空间站运输燃料、物资、轨道维持以及装载空间站的废弃物进入地球大气层烧毁。为了维持国际空间站的运行，俄罗斯每年要发射3～4艘“进步”系列货运飞船。当欧美因为克里米亚半岛事件而宣布对俄罗斯实施制裁时，普京也曾以“进步”系列货运飞船为筹码进行反击。

由于货运飞船相当于“简配”后的载人飞船，不需要保障宇航员的生命，一次性使用后再入大气层烧毁。因此，运货飞船一般来自载人飞船的改进型。“进步”系列飞船与“联盟”飞船就有着非常相似的特点，其仍然采用了三舱结构。其中，装载空间站日常用品的货物舱类似于联盟飞船的轨道舱，体积可满足1～1.7吨的物资。“联盟”飞船中部的返回舱被改为燃料补给舱。以“进步”M1为例，其内部拥有存储燃料的液体储存罐，这些燃料在对接后用来提升空间站的轨道高度。因此，每艘“进步”飞船的对接时间会稍微长一些，有助于空间站内的宇航员开展各种空间实验和维持空间站的轨道运行或姿态调整。这个动作在300～400千米轨道上显得尤为重要，可以规避一些突如其来的轨道碎片。第三部分仍然与“联盟”号飞船一样，为推进舱，里面有飞船上的各种仪器和推进系统。该舱也存储了一些燃料，专门用于“进步”飞船与空间站的对接。一般情况下，如果对接顺利就可以节省较多的燃料，结余部分可以用于空间站的轨道提升。

与早期的“进步”飞船相比，“进步”M2飞船已经有了很大的提高。比如，1978年状态的“进步”飞船甚至没有太阳能电池板，使用电池维持飞船的用电需求，而80年代中期的“进步”飞船有了很大的改进，被命名为“进步”M。到了2000年，“进步”M1开始发挥重大作用，开启了一个新的时代与尘封了一个旧的时代。第一个是建设国际空间站，首次对接国际空间站；第二个是将“和平”号空间站“推入”坠毁轨道。到2014年年初，“进步”系列飞船经过近35年的发展，已经制造了超过140艘。最新的“进步”M-23M货运飞船在4月已经与国际空间站对接，也是目前技术最为成熟的运货飞船。

从安全性上看，“进步”系列飞船保持了较好的记录。但是，2011年8月，“进步”飞船从哈萨克斯坦拜科努尔发射场升空后没能进入预定轨道，最后在俄罗斯远东地区坠毁。这也是“联盟”火箭1978年以来第一次“严重的失败”，该起事故也从侧面说明俄航天制造与监管上存在较多的问题，比如标准降低使得航天器质量没有得到保证。苏联时代的航天优先权已被大幅削弱，这一局面还直接反应到取代“进步”飞船的俄罗斯新一代货运飞船上。2006年，俄航天局长曾信誓旦旦地称俄罗斯下一代货运飞船将在2009年首次发射，并且建立全新的太空运输系统，甚至包括了太空拖船这类非常科幻的航天器。但事实上，俄罗斯目前依然使用改进型的“进步”飞船，而且在国际空间站货运补给中的地位已经有所削弱。美国本土制造的飞船如同雨后春笋般涌出，最典型的要数已经参与空间站货运补给的“龙”式飞船与“天鹅座”飞船。

“龙”式飞船作为SpaceX公司的主打产品，同时也是私营商业公司“统治”近地轨道的一个标志。2012年5月，“龙”式飞船首次与国际空间站实现对接，并将半吨左右的物资运抵空间站。本次飞行属于SpaceX公司与美国宇航局之间签署的价值16亿美元合同的一部分，“龙”式飞船将完成12次空间站补给任务。作为第一艘商业性质的货运飞船，SpaceX公司赋予了其可重复使用的特点。与苏/俄的“进步”飞船相比，“龙”式飞船在结构上有着很大的区别，但仍然设有3个主要功能部分，最下面的是非加压舱，用于装载非加压货物，还能支持飞船的电源系统等；中段为圆锥形的弹道结构，这也是飞船上最复杂的舱室，内部设置了货物模块和服务模块，飞船上的电子设备、再入支持系统都放在这里，同时也具备加压功能，因此一些需要加压存放的物体会置于这个舱中，未来“龙”式飞船的载人模块也会放置在这里；第三部分就是最前面的整流锥体，用来保护飞船。endprint

龙式飞船高约6米，直径3.7米，最大有效载荷为6吨，与“进步”飞船相当，可分别提供大约10～14立方米的空间加压和不加压货舱空间，外部敷设了高性能隔热装置与热防护系统，整体技术水平比“进步”飞船先进。此外，“龙”式飞船在研制过程中也考虑了载人的问题，中部的圆锥弹道结构可以可以容纳7名宇航员，为上下分布结构，上面设4个座椅，下面设3个座椅，人员运载能力与航天飞机相当，远远超过“联盟”飞船的3名宇航员。SpaceX公司在成功研制“龙”式飞船后名声大噪，要知道飞船这样的天地往返平台都是国家级工程，不论是俄罗斯“联盟”和“进步”飞船、美国“水星”和“双子”座飞船，还是我国的“神舟”飞船，都算是一项大工程。而一家民间航天企业能研制出一整套的飞船、火箭系统确实有其过人之处，实现了私营企业具备航天器发射、重返大气层的运营能力。

美国东部时间2014年1月9日，轨道科学公司使用“安塔瑞斯”号运载火箭搭载“天鹅座”飞船从瓦勒普斯岛美国航天局基地发射升空，为空间站带去了1.26吨的货物。这标志着“天鹅座”货运飞船正式开始为国际空间站提供货运服务，也是继SpaceX公司之后又一种加入空间站货运队伍的飞船。美国宇航局与轨道科学公司签署的合同金额为19亿美元，共完成8次空间站补给任务，提供大约20吨货物。事实上，“天鹅座”飞船是真正意义上的货运飞船，没有载人的拓展模块和设计，与“龙”式飞船相比其任务单一，货运量也较小，运送物资吨位为2～2.7吨。从外观上看，“天鹅座”飞船有两个主要部分，分别为加压货舱和轨道服务舱，18立方米的加压货舱由泰利斯阿莱尼亚航空航天公司制造，服务舱使用了成熟的卫星平台设计，电力由两侧砷化镓太阳能电池板提供，靠泊能力为30天，下行载荷质量为1.2吨。

欧洲空间局的货运飞船技术也是非常先进的，其研制的ATV自动货运飞船是欧洲所发射的最大质量的航天器。ATV飞船隶属于欧洲空间局，欧洲工业集团与EADS公司为主要承包商，其任务目的也是向国际空间站运输燃料、食物以及科学仪器。ATV飞船沿用了传统货运飞船的主要功能舱，为经典的双舱布局，加压货舱位于飞船的前段，对接机构也位于飞船的加压货舱模块内，加压货舱容积达到了45立方米，内设铝合金标准货架，设计参考了哥伦布实验舱的总体结构；后部的服务模块为推进系统、控制系统的集成区、欧洲空间局赋予了ATV飞船极强的轨道自主飞行能力，因此其飞行控制系统和推进系统可以满足自动对接的需要，配备了4台主发动机和28台姿态控制发动机，4块大型太阳能电池板可提供接近5000瓦的电力供应，能够在轨道上进行长时间的无人飞行，甚至是规避轨道碎片。

ATV飞船与“天鹅座”飞船一样，都不具备可重复使用的能力，补给任务完成后携带一定质量的空间站垃圾再入大气层烧毁。但是，欧洲空间局仍然希望将ATV飞船打造成可载人的宇宙飞船，方案是将前段的货运舱改造成返回舱，在外敷设隔热防护系统，这样可以让飞船再入大气层后安全溅落，可携带数百千克的货物返回地球。其次是将加压模块改造成可载人的返回舱，嵌入生命保障等系统。

值得一提的是，日本自动转移飞行器HTV飞船被列为世界上最大的货运飞船之一。其全长达到10米，直径4.4米，上行携带物资能力为6吨，可以运送庞大的构件。自2010年美国航天飞机退役后，HTV飞船是唯一一种能运输大型物件的货运飞船。HTV飞船造型独特，像一个巨大的“圆筒”，连太阳能电池板都覆盖在中部的非增压舱外侧。从结构上看仍然为三段式，尾部为仪器舱和推进器舱，中段是非增压舱，前段为增压舱，对接口位于增压舱外侧。全飞船净质量为10吨，加压舱上行载荷能力为4.5吨，非加压舱为1.5吨，在轨停留时间可以超过7天，对接空间站的停泊时间在30天。

HTV飞船也是一种一次性使用的货运飞船，是日本航天技术的集中体现。自1997年日本发射“试验卫星”-7号以来，实现了空间交会对接。HTV-1在2009年发射升空，到目前为止日本共发射了4艘HTV货运飞船，其中HTV-4在2013年8月升空，为空间站带去了5.4吨的物资。日本航天机构计划在国际空间站任务框架下发射7艘HTV飞船。日本成功研发HTV飞船说明其掌握了载人航天工程中航天器交会对接与停靠技术，为后续发展载人飞船进行技术储备。

事实上，当前货运飞船的用途是支持空间站的建设，苏/俄以及美国空间站发展都使用了货运飞船。当然，航天飞机凭借其巨大的载荷能力可以运输更大的构件，但从经济性上看，货运飞船在空间站的后期运营中则效能则非常突出，可以做到定期定量进行补给，空间站在轨长期运行由于近地摄动导致的轨道高度降低也需要货运飞船来定期提升。

货运飞船的发展与空间站的建设是密不可分的。空间站在建造、运行、在轨任务拓展以及寿命末期都需要使用货运飞船。从空间站的运营上看，在轨操作、在轨维持以及航天员驻留是三大关键因素。其中，在轨操作还包含了空间站的组装建设、轨道、姿态等控制；而在轨维修主要涉及后期的维护、平台检查等。宇航员的驻留则与载人飞船有关，一些空间应用需要宇航员介入，这三大环节都需要货运飞船支持。

根据货运飞船与空间站之间的补给方案，补给时间应该选择在空间站上物资储备接近最低限度的时候。比如推进剂和宇航员必备的生活物资数量，只要有一项物资接近最低值，就要安排货运飞船进行补给。目前，国际空间站的物资补给由5种型号的货运飞船完成，欧洲、俄罗斯、日本各1艘，另外2艘来自美国本土。补给任务需要考虑1艘货运飞船发射失败后是否具备再次补给的能力，比如2011年“进步”M-12M飞船失事后不仅导致了宇航员正常任务难以开展，也使得下一轮“联盟”飞船执行的人员轮换也往后顺延。此外，货运飞船的发射还受到发射窗口的约束，空间站与货运飞船之间都有各自的约束条件。需要指出的是，空间站每次轮转补给需要货运飞船先发射，然后再发射载人飞船，这也印证了那句老话：兵马未动，粮草先行。

经历航天飞机时代后，美国本土航天发展重新回到飞船这条老路上，但是飞船平台的运载能力大大下降，航天飞机可运输超大型构件，运载能力接近30吨，这是区区6至7吨运载能力的货运飞船所不能比拟的。随着航天飞机的退役，美国开始尝试利用商业轨道运输模式来降低近地轨道运输成本，由此引发了美国本土飞船的井喷式发展，从中可以看出，未来一段时间的货运飞船发展倾向于多次可重复使用，并且能与载人飞船建立更多的通用性。

（编辑/一翔）endprint