“天鹅再展翅”——“天鹅座”货运飞船复飞任务成功发射

郭筱曦 （北京空间科技信息研究所）



“天鹅再展翅”——“天鹅座”货运飞船复飞任务成功发射

郭筱曦 （北京空间科技信息研究所）

Cygnus Cargo Spacecraft Returns to Flight Successfully

美国东部时间2015年12月6日16时44分，宇宙神－5（Atlas－5）火箭从卡纳维拉尔角空军基地发射，成功将轨道-阿连特技术系统公司（以下简称轨道-ATK公司）执行第4次“商业补给服务”合同任务（OA－4任务）的“天鹅座”（Cygnus）货运飞船送入轨道。此次任务从发射开始就创造了多项纪录：它是继2014年10月第3艘“天鹅座”飞船发射失败后，轨道-ATK公司的首次“国际空间站”货运补给任务，也是首次由“宇宙神”火箭发射，还是首次升空的增强型“天鹅座”。

船箭分离后，飞船进入近地点234.1km、远地点237.4km、倾角51.65°的轨道。之后依靠自身推力器调整轨道高度，于2015年12月9日与“国际空间站”交会，由站上航天员斯科特·凯利和谢尔·林德格列操纵机械臂捕获飞船并停靠。此艘“天鹅座”飞船成为近8个月以来第一艘到站的美国货运飞船，也是第一艘停靠至团结号节点舱天底对接口的货运飞船。“天鹅座”飞船预计在站上停靠2个月。

宇宙神－5火箭发射“天鹅座”飞船

1 任务背景

2006年1月，美国航空航天局（NASA）启动“商业轨道运输服务”（COTS）计划，其直接目标是在航天飞机退役后为“国际空间站”寻求备选货物运输方案。同年，轨道科学公司（现已更名为轨道-ATK公司)和太空探索技术公司共同获得“商业轨道运输服务”合同。2008年12月，轨道科学公司和太空探索技术公司共同获得NASA“商业补给服务”（CRS）合同，要在2012－2016年为“国际空间站”提供20次货运服务。

2014年10月28日，轨道-ATK公司执行第3次“商业补给服务”合同任务的安塔瑞斯－130 （Antares－130）火箭从美国弗吉尼亚州中大西洋地区航天发射中心点火发射，但火箭在升空后6s发生爆炸，火箭落回发射台时又引起了二次爆炸，火箭及其运载的“天鹅座”飞船随即损毁。

2014年11月，NASA为独立调查第3次“商业补给服务”合同任务事故原因而组建独立审查团队，对“安塔瑞斯”火箭发射之前、之中所收集到的遥测数据及捕捉到发射和失败画面的照片及视频资料进行了详细分析和审查。基于分析，确定出“安塔瑞斯”火箭发射失利的直接原因是安装在主发动机－1位置的AJ26火箭发动机内部发生爆炸。具体地说就是，E15液氧涡轮泵发生爆炸，随后损毁了安装在主发动机－2位置上的AJ26火箭发动机。爆炸导致发动机丧失推力，运载火箭落回并撞击地面，从而导致船箭俱毁。独立审查团队确定出3个可信的技术性根本原因，其中的一个或若干个原因导致了E15起火和爆炸：①AJ26液氧液压平衡组件和“安塔瑞斯”涡轮端轴承设计鲁棒性不足；②E15液氧涡轮泵中有外物碎片；③E15液氧涡轮泵存在制造或其他工艺缺陷。

2 复飞任务情况

暂时使用美国主力火箭宇宙神－5

“安塔瑞斯”火箭爆炸后6周，轨道-ATK公司就与联合发射联盟公司敲定了购买第一枚宇宙神－5火箭的协议，2015年8月宣布采购第二枚火箭。联合发射联盟公司与轨道-ATK公司之间的财务条款并未对外披露。仅知道“宇宙神”火箭的单价超过1亿美元。

火箭/飞船组合体结构示意图

第4次“商业补给服务”合同任务合作伙伴及其职责

自2002年首飞以来，宇宙神－5火箭各型号共发射59次（在此次任务之前），全部成功，其中23次为美国国防部任务，12次为美国国家侦察局（NRO）任务，12次为NASA任务，另有12次为商业发射任务。OA－4任务是宇宙神－5火箭的第60次发射，代表联合发射联盟公司第一次执行“国际空间站”货运发射任务。

标准型（左）和增强型（右）“天鹅座”飞船构型对比

增强型“天鹅座”飞船

升级为增强型“天鹅座”飞船

“天鹅座”飞船采用低风险设计，继承了轨道-ATK公司及其合作伙伴经飞行验证的航天器技术。飞船不具备返回能力，可装载废弃物再入大气层烧毁。飞船包括加压货物舱和服务舱两部分，分别由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司和轨道-ATK公司建造。服务舱继承了“低地球轨道星”（LEOStar）平台和“地球静止轨道星”（GEOStar）平台的电子系统以及地球静止轨道通信卫星的推进和电源系统。加压货物舱基于空间站多功能后勤舱设计，可装载日常物资、备用部件和试验设备等。

增强型“天鹅座”飞船参数

“天鹅座”飞船本身设计就兼容多种运载火箭。这种兼容能力让轨道-ATK公司能够在事故后较短时间内开展复飞任务，以响应NASA的空间站后勤要求。在此次任务中，“天鹅座”飞船升级了服务舱和加压货舱。升级型服务舱采用经过飞行验证的电子设备和通信系统，并更换了新型太阳电池翼及优化的推进系统和结构。增强型加压货舱相较标准加压货舱，内部空间增加了约25%，货运能力提升到3500kg以上，而此前最大能力为2300kg。

“天鹅座”飞船与整流罩

调整火箭飞行方案，尽最大可能在第一天发射

此前的“国际空间站”货运任务发射窗口通常为“零窗口”或者不超过5～10min，因为“零窗口”是完成与近地目标（如“国际空间站”）交会任务的标准方式。这种方式的弊端就是极大限制了按时发射的可能性。针对此次任务，联合发射联盟公司和轨道-ATK公司团队合作制定了任务方案，充分发挥“宇宙神”火箭设计的内在能力，密切配合“天鹅座”飞船交会飞行方案，将发射窗口扩展到30min。OA－4发射设计方法考虑了空间站在发射前不久变轨的可能性，包括常规轨道调整和临时碎片规避。然而，尽管放宽了发射窗口，此次任务还是因天气原因连续推迟3天。

向空间站运送站上乘员急需的有效载荷

此艘“天鹅座”飞船是近8个月以来第一艘到站的美国货运飞船，因此携带了更多站上美国乘员急需的物品，包括将在第45和46批长期考察组期间使用的近250件科学研究和技术试验设备。

此艘“天鹅座”飞船携带的科学有效载荷主要包括空间自动化生物制品实验室（SABL）、填充床反应器实验设备（PBRE）、固体燃烧和扑救-米利肯（BASS－M）等；携带的技术有效载荷主要包括Kaber卫星部署器和超集成卫星，以及17颗立方体卫星，其中包括12颗鸽群－2E对地观测卫星。

此外，“天鹅座”飞船还运送了一些替换货物，包括一套供NASA“伙伴”（Sidekick）项目使用的微软全息眼镜设备，美国舱外机动装置的通用硬件和工具（一件新的舱外活动简易救援装置、航天服手套和电池、液冷通风服及工具包），要接入站上空气供应网络的高压氮气瓶和氧气瓶。

OA－4“天鹅座”飞船主要货物质量分配

3 结束语

事故发生后的1年多以来，轨道-ATK公司经历了艰难的复原过程。作为一家专门为军、商、政府客户设计、制造和发射中小型空间系统和火箭系统的宇航企业，也曾在事故当天市值下跌2.66亿美元，如今已经完成与军工企业阿连特技术系统公司的合并。新公司将继承两家之长，为今后的发展注入新的活力。此次任务的成功发射有助于增强NASA的信心，稳固轨道-ATK公司在美国载人航天商业化进程中的地位。