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中国天舟一号咋样?国外货运飞船大比拼
2017-04-19 17:11:11  出处:科普中国  作者:诸葛文 编辑:上方文Q   点击可以复制本篇文章的标题和链接
 
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随着载人航天活动的不断发展,货运飞船在载人航天领域的用途也日益广泛,因此,俄罗斯、欧洲、日本和美国先后研制了“进步”、“自动转移飞行器”、H-2转移飞行器,以及商用载货型“龙”飞船和“天鹅座”货运飞船。

至今,全世界已发射过约180多艘货运飞船。

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“国际空间站”上的加拿大机械臂-2捕获载货型”龙“飞船,图片来源作者

用途广泛很受青睐

货运飞船是从载人飞船演变过来的。在20世纪70年代,苏联和美国开始发展体积大、寿命长、用途广的空间站。

开始都是用人货混装的载人飞船为空间站提供少量补给,每艘载人飞船1次只能为空间站运去几百千克的物资,因而大大影响了空间站的运行寿命和站上航天员在轨工作时间。

随着空间站的不断发展,对运货量的要求也日益增加,于是苏联航天专家奇思妙想,从1978年开始把联盟号载人飞船改装成无人货运飞船,即去掉了联盟号飞船上的座椅、环境控制与生命保障、返回着陆和应急救生等与载人有关的系统,以便运送更多的货物。

实践证明,这种人货分开的运输方式,既能增加货物的运载量,又能降低成本,还很安全,可以说是苏联的一个创新。

改装后的飞船称为进步号,每次飞行可为空间站送去2吨多物资。现在,俄罗斯每年向“国际空间站”发射4艘货运飞船,它们不仅为“国际空间站”运去货物,还带回大量的空间站垃圾,然后在再入大气层时烧毁。

其实,货运飞船还有许多其他用途。例如,由于空间站是在低地球轨道运行,会受到残存大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度,所以在空间站轨道高度降低到一定情况下要提升它的轨道高度才行,而携带较多燃料的货运飞船在空间站的轨道维持方面能发挥重要作用。

目前,“国际空间站”主要是靠货运飞船提升空间站的轨道高度,以抵消大气阻力的影响,并使“国际空间站”与将要与之对接的天地往返运输器处于最佳对接位置。

它有时也用于机动“国际空间站”轨道位置,以便躲避飞来的太空垃圾。

“进步”系列货运飞船还曾2次用于试验人造月亮。

俄罗斯的进步号系列货运飞船在2001年和平号空间站寿终正寝的坠落中也发挥过重要作用。

由此可见,货运飞船的用途越来越广,因此,欧洲、日本、美国也先后开始发展货运飞船。

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“国际空间站”航天员拍摄的俄罗斯进步M-M货运飞船,图片来源作者

货船“长子”不断进步

“进步”货运飞船是在“联盟”载人飞船基础上改进研制的,由货物舱、补给舱和服务舱组成,总质量大约7吨,有效载荷质量2.3吨以上。

其货物舱构造与“联盟”载人飞船轨道舱相似,可以装1.7吨以上的货物,当“进步”与空间站对接时,乘员进入货物舱搬货到空间站。

其补给舱取代了“联盟”返回舱,装有多个推进剂贮箱,其中一部分贮箱装有燃烧剂,另外一部分贮箱装有氧化剂,有的还装有1个水箱。

其服务舱与“联盟”飞船的仪器/推进舱相同,用于货运飞船与空间站的变轨对接、提高空间站的轨道高度。

第一艘“进步”货运飞船是1978年1月20日升空的,飞往了礼炮6号空间站。1978—1990年期间,共发射了43艘“进步”飞船,它们为礼炮6号、7号提供了大量的货物补给。

此后,随着技术的发展,苏联/俄罗斯对“进步”货运飞船进行了多次改型。

1989年8月,在“进步”基础上改进的进步M首次执行和平号空间站任务。它装有一副太阳电池翼,飞船可独立飞行30天;采用了新的服务舱,载货量比“进步”多100千克。

俄罗斯参与“国际空间站”项目后,为进一步增强补给能力,将进步-M飞船改进为进步M1。其补给舱内增加了几个推进剂贮箱,将12个装有氮和氧的贮箱放置在飞船外部,并把水箱移入货物舱,以增加推进剂携带量。

2008年11月26日,俄罗斯发射了改进的进步M-M,它配有运行速度更快的先进数字化控制系统,并应用了新的小型无线电遥测系统,使飞船的飞行控制系统更快、更有效。

近年,俄罗斯又开始使用新改进的进步MS货运飞船。

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欧洲自动转移飞行器(右)和“国际空间站”对接后航天员搬运货物示意图,图片来源作者

自动转移运力最大

欧洲的货运飞船叫自动转移飞行器,运货能力可达7吨,是迄今为止已发射使用的运载能力最大的专用货运飞船,从2008年起到2014年共发射了5个。

它有双层巴士大,用途有4类:

①向空间站运送补给物资;

②在货物卸载后,可以用作空间站的附加活动室;

③每隔10~45天提升一次“国际空间站”的轨道;

④能用作垃圾箱,把6.5吨空间站产生的废弃物资带回地球烧毁。

这种货运飞船由加压舱、推进舱和电子设备舱组成,形状像个大圆筒,外表呈蛋壳色,全长10米,最大直径为4.5米,质量约10吨。

在加压舱中可放1.5~5.5吨补给品、科学硬件、食物等货物;还能放置饮用水、为空间站运送的推进剂和空气(氧和氮)等液体罐和气体罐。

加压可居住容积14米,与空间站对接后,2名航天员穿上普通服装就能进入飞船的加压舱中把带来的物资搬走,其中的液体罐和气体罐与空间站的管道装置连接流往空间站的储存设备中。

飞行器主推进系统是4台490牛发动机,姿态控制系统是28台220牛推进器。它们除在往返过程中使用外,还用于空间站的轨道维持、姿态控制、空间碎片规避机动。

电子设备舱是自动转移飞行器的大脑,装有计算机、陀螺仪、导航系统、控制系统和通信设备多个关键部件。其通信采用S频段,通过GPS实施导航。

因为自动转移飞行器的通风风扇和空调设备的噪音低,所以空间站乘员可睡在加压舱里面;乘员也可在里面用日常的湿毛巾和洗发精保持个人卫生。

在发射了5艘后,欧洲自动转移飞行器已经退役了。不过,欧洲航天局将在自动转移飞行器基础上研制可以运送货物返回地球——“先进再入飞行器”货运飞船,它预计在2018年首飞。

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“国际空间站”机械臂捕获日本H-2转移飞行器,图片来源作者

运送大件独领风骚

从2009年起到2014年,日本先后向“国际空间站”发射了6个名叫H-2转移飞行器的货运飞船。这种飞船的货物运载能力约为6吨,最大特点是可运送体积较大的设备。

H-2转移飞行器呈圆柱形结构由加压后勤货舱、非加压后勤货舱、电子设备舱和推进舱四部分组成。

货物补给装在加压后勤货舱以及非加压后勤货舱的暴露货架中,电子设备舱装有电子设备、锂电池和敏感器。

推进舱内装有4个推进剂贮箱、主推进装置和反作用控制系统。其中加压舱载重量为4.5吨,可装8个国际标准货柜;非加压舱载重量为1.5吨,包括外露货盘和支撑结构。外露货盘能载3套外露货物。

其货物运输能力很强。这是由于它的舱门大,与空间站的接口各边均加宽到约1.2米,所以可以搬运其他货运飞船无法搬送的大型装置。例如,与欧洲自动转移飞行器相比,H-2转移飞行器能够运送更大的物体,如空间站内部书架大小的设备架,以及其它大型站外仪器与设备。

另外,与其他货运飞船相比,H-2转移飞行器是目前唯一一种可向空间站运送加压与非加压货物的无人飞行器,包括安装在站外的外部实验和在轨更换装置。

它还有独特的交会对接技术,与空间站采用“停靠”方式对接,即当H-2转移飞行器与空间站接近到10米距离时,两相对速度接近零,H-2转移飞行器不再被控制,而是呈自由飞行状态,然后由空间站的机械臂将其捕获,与空间站对接口实现对接,因此比较安全。

与欧洲类似,日本目前也在H-2转移飞行器基础上研制可从空间站带回货物的H-2转移飞行器-R,首个H-2转移飞行器-R计划在2018年发射。最终,日本将研制载人飞船。

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在海上回收“龙”飞船,图片来源作者

带回物体无与伦比

与俄欧日由政府投资研制的货运飞船不同,美国研制了2种由私营公司投资的商用货运飞船,一种是美国太空探索技术公司研制的载货型“龙”飞船,另一种是美国轨道科学公司研制的“天鹅座”飞船。它们都采用空间站的机械臂捕获方式与空间站对接口实现对接。

美国太空探索技术公司的“龙”飞船是所有货运飞船中唯一可以运回物品的货运飞船,这是因为盖飞船带有热防护罩,可在返回时耐受极高温安全降落,而其他飞船不具有热防护罩,只能在再入大气时烧毁。

该飞船长5.9米,最大直径3.6米,自重只有4.2吨,主要由前锥体、钝角圆锥体弹道舱和非加压段三部分组成。

其中前锥体内装对接机构,在上升阶段起保护作用;钝角圆锥体弹道舱一部分用于搭载加压货物,另一部分是服务段,装有电子设备、反作用控制系统、降落伞和其他支持设备;非加压段用于存储非加压货物,如轨道更换装置,并保障太阳电池翼和散热器的正常工作。其运送载荷约3吨多。

“龙”飞船采用具有广泛继承性的电子系统和由18台推力器组成的反作用控制系统;采用降落伞水上溅落的回收方式;使用烧蚀材料的高性能热防护罩和侧壁热防护系统。

其对接机构为“国际空间站”通用停靠机构,通过空间站机械臂捕获方式对接,这种对接方式可减少飞船上对接系统的质量、成本和复杂性,提高了对接安全性。

到2017年2月,“龙”飞船已完成9次商业补给任务,另有1次因火箭爆炸而失败。

根据太空探索技术公司与美国航空航天局签署的价值16亿美元的商业补给服务合同,在2017年前,将发射12艘“龙”飞船,向“国际空间站”运送20吨货物任务,并从“国际空间站”带回样品。此后还将增加发射8艘。

2018年,将用新研制的载人型“龙”飞船运送航天员到“国际空间站”并返回。

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美国“天鹅座”货运飞船飞往“国际空间站”示意图,图片来源作者

成熟技术降低成本

美国轨道科学公司研制的“天鹅座”飞船于2013年9月18日进行了首次验证飞行。此后,“天鹅座”飞船正式完成了几次“国际空间站”商业补给服务任务,但在执行第3次商业补给服务任务时失败。

“天鹅座”飞船的设计,继承了轨道科学公司及其合作者经飞行验证的航天器技术,由为加压货物舱与通用服务舱组成。采用成熟技术目的是降低成本、风险和研制周期。

其加压货物舱由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司制造,它是基于意大利“多用途增压后勤舱”研制的,长3.66(标准构型)~4.86米(改进构型),直径3.07米,自重1.5(标准构型)~1.8吨,功率850千瓦,加压容积18.9(标准构型)~27m?(改进构型),载货质量2~2.5吨(改进构型),返回时可装载1.2吨垃圾。它用于日常物资、备用部件、实验设备等。

其服务舱由轨道科学公司制造,继承了该公司的低轨卫星和地球静止轨道卫星平台的电子、推进和电源系统,重量1.8吨,装有电子、推进和电源系统,其中电源系统包括2副砷化镓太阳电池翼,可提供4千瓦的电力。

根据美国轨道科学公司与美国航空航天局签署的价值19亿美元的商业补给服务合同,将发射8艘“天鹅座”飞船,向“国际空间站”运送20吨货物任务。

近年,“天鹅座”飞船进行了改型,提高了性能。

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