別了，歐洲貨運(yùn)飛船！—最后一個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”升空

2014年7月29日，阿里安－5ES火箭成功將歐洲航天局（ESA）的第5個(gè)、也是最后一個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV－5）送入目標(biāo)初始軌道，執(zhí)行“國(guó)際空間站”（ISS）貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)，開啟“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系列的謝幕之旅。飛船用自身推力器提升軌道，8月12日與“國(guó)際空間站”交會(huì)，自動(dòng)停靠在星辰號(hào)服務(wù)艙的對(duì)接口上。對(duì)接前，飛船已自由飛行逾6×106km。

此次任務(wù)中，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”共向“國(guó)際空間站”運(yùn)送超過6.5t食物、水、衣物、備用硬件和科學(xué)材料，而它自重亦達(dá)13t，ESA官員介紹說，滿載的自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5是阿里安－5火箭投入使用以來發(fā)射過的質(zhì)量最大的有效載荷，亦是2011年美國(guó)航天飛機(jī)退役后質(zhì)量最大的“國(guó)際空間站”到訪航天器。任務(wù)預(yù)計(jì)持續(xù)到2015年1月。

此次任務(wù)的亮點(diǎn)除了是“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系列的謝幕之旅外，還試驗(yàn)了新型交會(huì)敏感器。

1 “自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”計(jì)劃回顧

自1987年起，歐洲工業(yè)界就在ESA領(lǐng)導(dǎo)下進(jìn)行“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的概念和系統(tǒng)研究工作。早在1988年，幾個(gè)歐洲國(guó)家與美國(guó)和其他“國(guó)際空間站”合作伙伴簽訂了“政府間協(xié)議”，承諾參與“國(guó)際空間站”計(jì)劃。1992年，ESA開始與美國(guó)航空航天局（NASA）聯(lián)合研究。1994年，在俄羅斯加入“國(guó)際空間站”計(jì)劃后，ESA決定建造“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”。1995年10月舉行的部長(zhǎng)級(jí)ESA會(huì)議正式批準(zhǔn)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的全面研制計(jì)劃。在“國(guó)際空間站”合作伙伴中，ESA代表涉及“國(guó)際空間站”計(jì)劃的10個(gè)歐洲國(guó)家（比利時(shí)、丹麥、法國(guó)、德國(guó)、意大利、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典和瑞士），同時(shí)包括哥倫布號(hào)實(shí)驗(yàn)艙和“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”項(xiàng)目。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”計(jì)劃涉及這10個(gè)歐洲國(guó)家的許多公司及數(shù)以千計(jì)的技術(shù)人員和工程師，主承包商為空客防務(wù)與航天公司[前歐洲航空航天防務(wù)集團(tuán)（EADS）]，管理著來自這10個(gè)歐洲國(guó)家的30多家分承包商及約2000名技術(shù)專家和工程師。同時(shí)參與合作的還有8家俄羅斯公司，主要由俄羅斯能源火箭航天集團(tuán)（RKK Energia）牽頭，負(fù)責(zé)建造“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”對(duì)接機(jī)構(gòu)、燃料補(bǔ)加系統(tǒng)和相關(guān)電子設(shè)備。空客防務(wù)與航天公司和法國(guó)政府的共有企業(yè)阿里安航天公司是全球首家商業(yè)空間運(yùn)輸公司，研制了專用于“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的阿里安－5ES火箭。

與“國(guó)際空間站”對(duì)接的自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5

ESA按比例向NASA償付的“國(guó)際空間站”運(yùn)行成本中，大部分是以實(shí)物抵資（包括“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”）的方式，而非貨幣支付。ESA在13年間用于“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”計(jì)劃研制的預(yù)算約13億歐元，包括建造地面設(shè)施、第1個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”及其首航，后續(xù)每個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”建造成本約4.53億歐元，足夠償付2017年前的“國(guó)際空間站”運(yùn)行成本。

命名

ESA將每個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”都以歐洲科學(xué)家和思想家的名字命名。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－1名為“儒勒·凡爾納”（Jules Verne），19世紀(jì)法國(guó)科幻作家和預(yù)言家。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－2得名于17世紀(jì)德國(guó)天文學(xué)家約翰尼斯·開普勒（Johannes Kepler），任務(wù)時(shí)間為2011年2-6月。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－3為紀(jì)念意大利物理學(xué)家愛德華多·阿瑪爾迪（Edoardo Amaldi），2012年3－10月在軌。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－4以偉大的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）的名字命名，2013年6－11月在軌。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5在2012年2月獲名“喬治·勒梅特”（Georges Lema?tre），以紀(jì)念這位比利時(shí)天文學(xué)家和宇宙學(xué)家，他被認(rèn)為是宇宙起源“大爆炸理論”之父。

越來越完善

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的設(shè)計(jì)可靠性非常高，ESA稱其執(zhí)行預(yù)定任務(wù)的成功率可達(dá)98%。對(duì)接時(shí)，至少有三道防線保護(hù)“國(guó)際空間站”及其乘員。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－1首航標(biāo)志著歐洲航天器在“國(guó)際空間站”補(bǔ)給任務(wù)中的首次交會(huì)對(duì)接。從那以后，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”一直在改進(jìn)。首次任務(wù)完成，飛行后的分析工作指出了130項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)建議，其中約有30項(xiàng)納入到后續(xù)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”設(shè)計(jì)當(dāng)中。從電氣故障和卡住的通信天線支臂，到分離的隔熱層和拒不工作的風(fēng)扇，每個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”都有一堆不危及任務(wù)的小缺陷。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”團(tuán)隊(duì)對(duì)于每次任務(wù)都進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)過程，并及時(shí)商定糾正和應(yīng)急措施，由業(yè)界和合作伙伴進(jìn)行評(píng)審是工作的一部分。挑戰(zhàn)是在每次任務(wù)中升級(jí)有關(guān)系統(tǒng)，更要應(yīng)對(duì)千變?nèi)f化的貨物艙單。從前一次任務(wù)結(jié)束到下一次“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)射通常為半年，因此實(shí)施更新的時(shí)間就剩下得很少。

充分利用博客

ESA網(wǎng)站上為“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”開辟的專欄博客（blogs.esa.int）已成為該計(jì)劃的一大特色且高度成功?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”博客是非常受歡迎的消息來源，現(xiàn)在被眾多頂級(jí)媒體、航天愛好者網(wǎng)站及社交媒體永久鏈接并經(jīng)常引用。

自2010年以來，ESA的“臉書”（Facebook）主頁差不多有621000的頁面訪問量，證實(shí)了它的成功準(zhǔn)則：以友好而非正式的文體發(fā)布的語錄、采訪、視頻和評(píng)論帶來“人情味”。博客贏得了任務(wù)更新權(quán)威來源的口碑，連“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)主管都直接回復(fù)博客訪者。

自2013年以來，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”社交媒體覆蓋已擴(kuò)展到包括流行的@esaoperations推特頻道。這已額外產(chǎn)生了3500萬來自庫魯、“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心和“國(guó)際空間站”的新聞和實(shí)時(shí)更新瀏覽量。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)的所有方面都一一報(bào)道，從發(fā)射準(zhǔn)備、航天員訓(xùn)練、點(diǎn)火升空、對(duì)接直到再入，博客在關(guān)鍵任務(wù)階段提供了快速、實(shí)時(shí)的更新。

2 運(yùn)輸系統(tǒng)

運(yùn)載火箭

阿里安－5是由阿里安航天公司運(yùn)營(yíng)的一次性運(yùn)載火箭。阿斯特留姆公司（前歐洲航空航天防務(wù)集團(tuán)子公司，現(xiàn)屬空中客車集團(tuán)）是火箭的主承包商，并負(fù)責(zé)組裝火箭。阿里安－5用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道和近地軌道有效載荷?；鸺龔姆▽俟鐏喣菐祠敽教熘行陌l(fā)射。阿里安－5火箭在ESA和法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）授權(quán)下制造。

自1996年首次發(fā)射以來，阿里安－5已累計(jì)發(fā)射73次。憑借這一紀(jì)錄，它已成為歐洲航天發(fā)射市場(chǎng)的主力軍，并將至少運(yùn)行至2015年。火箭久經(jīng)飛行考驗(yàn)，成功69次，失敗2次，另外2次被認(rèn)定為部分失敗。

阿里安－5是“阿里安”系列的第5種火箭，但并不是直接衍生自早先型號(hào)的產(chǎn)品。阿里安－5ES具有阿里安－ECA火箭相對(duì)于早先阿里安－5所做的所有提升改進(jìn)，但僅用于發(fā)射“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”入軌。

固體火箭助推器參數(shù)

阿里安－5ES入軌精度

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5任務(wù)

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”貨運(yùn)飛船

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”主體是一個(gè)圓柱體，長(zhǎng)10.3m，直徑4.5m，“X”形太陽電池翼翼展22.3m，外部覆有鋁箔層和微流星體防護(hù)板。“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”采用模塊化設(shè)計(jì)，可將不同的艙段、模塊平行集成、測(cè)試，同時(shí)考慮后續(xù)任務(wù)，可兼容不同的模塊。“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”在結(jié)構(gòu)上分為集成貨運(yùn)艙和服務(wù)艙兩個(gè)艙段。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與“國(guó)際空間站”對(duì)接、?？繒r(shí)間長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月，期間可為“國(guó)際空間站”提升軌道高度，執(zhí)行姿態(tài)控制和軌道碎片規(guī)避機(jī)動(dòng)。

作為歐洲迄今最復(fù)雜的航天器，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”具有高度自主導(dǎo)航和自主交會(huì)對(duì)接的能力。其精確性讓它在軌表現(xiàn)出色，自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器-4的對(duì)接極其精準(zhǔn)，飛船只偏離對(duì)接目標(biāo)中心11mm，甚至沒有接觸到周圍的對(duì)接錐體。除俄羅斯和中國(guó)飛船以外，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”是另一種能夠自動(dòng)對(duì)接的飛船。

3 任務(wù)運(yùn)行

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”自動(dòng)導(dǎo)航、飛行、與“國(guó)際空間站”對(duì)接，但確實(shí)需要一些地面支持，一次“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)需要分散在世界各地的空間機(jī)構(gòu)之間復(fù)雜交會(huì)并分擔(dān)責(zé)任。任務(wù)運(yùn)行是一套非常復(fù)雜的成文規(guī)則和規(guī)程，對(duì)于“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”這樣的復(fù)雜任務(wù)至關(guān)重要，主要目標(biāo)是維持與“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的實(shí)時(shí)不間斷交互。這項(xiàng)重要工作對(duì)于任務(wù)是必需的，并需要即時(shí)處理飛船的所有遙測(cè)數(shù)據(jù)、參數(shù)及其他數(shù)據(jù)。因?yàn)椤白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”高度自動(dòng)化，所以地面控制人員基本上只是監(jiān)視它的飛行，并在預(yù)先確定的步驟向飛船發(fā)送“Go”指令，然后執(zhí)行下一條預(yù)編程序列。具體到“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”，任務(wù)運(yùn)行涉及：

1）庫魯發(fā)射場(chǎng)，ESA位于法屬圭亞那，阿里安－5ES火箭從這里發(fā)射“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”。

2）“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心（ATVCC），位于法國(guó)圖盧茲，地面團(tuán)隊(duì)在這里控制“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)?？刂浦行呐c“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”聯(lián)通以控制和監(jiān)視其運(yùn)行狀況和性能，并在需要時(shí)發(fā)送指令?？刂浦行呐c“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”之間的通信由美國(guó)中繼衛(wèi)星或歐洲中繼衛(wèi)星[“阿蒂米斯”（Artemis）]傳輸，兩條路徑都隨時(shí)可用。

3）莫斯科任務(wù)控制中心（MCC-M），因“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與“國(guó)際空間站”的俄羅斯段對(duì)接，所以在“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與“國(guó)際空間站”保持對(duì)接的6個(gè)月內(nèi)，大部分時(shí)間由該控制中心控制。

4）休斯頓任務(wù)控制中心（MCC-H），負(fù)責(zé)整個(gè)“國(guó)際空間站”的任務(wù)控制，并協(xié)調(diào)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”和“國(guó)際空間站”的整體運(yùn)行。

5）乘員，在交會(huì)和貨物轉(zhuǎn)移期間負(fù)責(zé)監(jiān)控。

每個(gè)團(tuán)隊(duì)都有各自的工具：

1）飛行規(guī)則對(duì)飛行指揮官的決策有決定性影響；

2）飛行運(yùn)行規(guī)劃由“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心飛行控制人員用于在地面執(zhí)行兩類程序：僅與“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”相關(guān)的程序及地面控制后勤的一套程序；

國(guó)外在役貨運(yùn)飛船性能對(duì)比

3）多元規(guī)程和操作接口規(guī)程是分配給各個(gè)控制中心及其接口的工作；

4）船載數(shù)據(jù)文件由在軌操作“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的航天員使用。

任務(wù)控制中心

在法國(guó)圖盧茲航天中心典雅、現(xiàn)代的“費(fèi)爾馬大樓”中，CNES根據(jù)與ESA在2003年簽訂的合同，開拓并運(yùn)營(yíng)著一個(gè)專用于處理“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”在軌任務(wù)的控制中心。在ESA授權(quán)下，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心負(fù)責(zé)準(zhǔn)備和校驗(yàn)30名任務(wù)控制人員在飛行過程中所用的監(jiān)控工具?？刂浦行倪€負(fù)責(zé)實(shí)施已編制的任務(wù)規(guī)劃，如果需要的話還要落實(shí)變更。

在任務(wù)進(jìn)行的全過程中，飛船由“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心監(jiān)控和指揮?？刂浦行臅円构ぷ?，并與位于俄羅斯和美國(guó)的其他控制中心密切配合，所有指令都在與“國(guó)際空間站”合作伙伴協(xié)調(diào)一致的基礎(chǔ)上運(yùn)行?？刂浦行呢?fù)責(zé)管理飛行中的操作并協(xié)調(diào)地面資源；負(fù)責(zé)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的定軌和定位，并監(jiān)視其接近“國(guó)際空間站”的過程，這是富有挑戰(zhàn)的工作，需要有很高的專門技術(shù)能力。在各種飛行控制和領(lǐng)航能力之中，控制中心還指引“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與“國(guó)際空間站”的對(duì)接解除過程，之后可以指揮“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”留在“國(guó)際空間站”附近，最多可達(dá)8個(gè)星期，如果需要，還能執(zhí)行二次對(duì)接。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”所有的地面控制指令都從控制中心發(fā)出。為在任務(wù)中與其他控制中心持續(xù)協(xié)調(diào)并與“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”不間斷聯(lián)系，控制中心依靠建在德國(guó)空間運(yùn)行中心的地面互聯(lián)子網(wǎng)絡(luò)；控制中心與主管“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)射和調(diào)度的圭亞那航天中心協(xié)作；在交會(huì)、對(duì)接和離站階段，控制中心與莫斯科和休斯頓的任務(wù)控制中心密切配合；控制中心還直接連到哥倫布控制中心，起ESA合作伙伴通信網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點(diǎn)的作用。

乘員在任務(wù)飛行控制中的作用

在任務(wù)過程中，“國(guó)際空間站”上的乘員不參與駕駛“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”，但需要在俄羅斯星辰號(hào)服務(wù)艙內(nèi)用獨(dú)立設(shè)備認(rèn)真監(jiān)控“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的狀態(tài)。在任何時(shí)刻，只要他們認(rèn)為安全受到威脅，都可以隨時(shí)中斷飛船的抵近。除容錯(cuò)設(shè)計(jì)外，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制人員還通過遙測(cè)技術(shù)監(jiān)控“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”。

（1）交會(huì)操作

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與“國(guó)際空間站”之間的距離為40～50km時(shí)，無線通信鏈路一建立，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”遙測(cè)數(shù)據(jù)就顯示給航天員。萬一發(fā)生異常或故障，他們可以啟動(dòng)避碰機(jī)動(dòng)，讓飛船遠(yuǎn)離“國(guó)際空間站”。距離約250m時(shí)，進(jìn)入最后30min的抵近過程，航天員用視頻系統(tǒng)主動(dòng)檢查“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”是否運(yùn)轉(zhuǎn)正常。在獲得航天員批準(zhǔn)后，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心的控制人員向“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”發(fā)出指令走完最后幾米。航天員仔細(xì)檢查“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的慢動(dòng)作接近過程，一旦“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”沒有停留在虛擬接近走廊內(nèi)，航天員可以拒絕它繼續(xù)接近。

（2）電視屏幕

航天員使用一塊電視屏幕和一個(gè)16鍵控制面板監(jiān)視操作。因?yàn)闆]有舷窗能直接看到“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”，航天員只能依靠這個(gè)利用攝影機(jī)的2種變焦模式和“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”前錐光學(xué)對(duì)準(zhǔn)設(shè)備的簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的系統(tǒng)。航天員可通過電視屏幕監(jiān)視“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的位置和姿態(tài)，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的必要遙測(cè)數(shù)據(jù)也顯示在屏幕上。

航天員的監(jiān)視作用在關(guān)鍵時(shí)刻非常重要，因?yàn)橐坏┌l(fā)生故障他們可以隨時(shí)插進(jìn)?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，與此同時(shí)，在地面上的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”控制中心飛行主管也可以中斷“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”抵近，即使航天員沒有看到任何干擾因素。飛行控制人員可以利用更多參數(shù)分析“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的運(yùn)行狀況和性能。

航天員可以用4種不同方式中斷“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的抵近過程：保持（HOLD）、撤回（RETREAT）、逃逸（ESCAPE）或中止（ABORT），取決于異常類型。

（3）對(duì)接后的操作

被“國(guó)際空間站”的對(duì)接機(jī)構(gòu)捕獲后，對(duì)接密封件加固，電氣和流體連接建立。在經(jīng)過幾次檢查后，航天員打開艙門，可以進(jìn)入“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的加壓貨物段。

裝在包袋、抽屜和機(jī)柜中的干貨由航天員搬運(yùn)，并由美國(guó)休斯頓任務(wù)控制中心監(jiān)督?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”上加載的空氣由航天員從貨艙手動(dòng)釋放到“國(guó)際空間站”機(jī)艙中，淡水也從地面帶上來。站上廢液由閥門和軟管轉(zhuǎn)移到飛船上，廢液還可用軟塑折疊容器裝。航天員有規(guī)律地向飛船內(nèi)裝填站上不再需要的廢物和材料?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的推進(jìn)劑貯箱在對(duì)接時(shí)自動(dòng)連到“國(guó)際空間站”本身的管道上。

在“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”與“國(guó)際空間站”對(duì)接的全程中艙門都保持開啟，乘員唯一的工作就是執(zhí)行需要?jiǎng)邮值陌徇\(yùn)活動(dòng)，每次最多有2名航天員同時(shí)工作，卸載補(bǔ)給品和進(jìn)行試驗(yàn)，他們不負(fù)責(zé)軌道提升、姿態(tài)控制或加注管理。

4 新交會(huì)敏感器及其交會(huì)試驗(yàn)飛行方案

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”導(dǎo)航現(xiàn)基于合作目標(biāo)交會(huì)技術(shù)，ESA已將其后續(xù)航天器發(fā)展目光投向與非合作目標(biāo)（如軌道碎片或火星樣品盒）的交會(huì)。為開發(fā)非合作目標(biāo)交會(huì)技術(shù)，ESA開發(fā)了新型敏感器、圖像處理，以及制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制算法。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5為新技術(shù)和新硬件的空間試驗(yàn)及與現(xiàn)有導(dǎo)航敏感器之間的比較提供了難得機(jī)會(huì)，將成為實(shí)現(xiàn)空間非合作目標(biāo)交會(huì)的第一步。

激光紅外成像敏感器

激光紅外成像敏感器（LIRIS）設(shè)計(jì)用于未來與非合作目標(biāo)的交會(huì)，意味著只有追蹤航天器需要導(dǎo)航敏感器，而目標(biāo)不需要任何構(gòu)建合作系統(tǒng)基礎(chǔ)的敏感器、反射器或交會(huì)無線電天線。

ESA承包商空客防務(wù)與航天公司及其合作伙伴提出利用自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5驗(yàn)證這一新方案，以提高非合作目標(biāo)交會(huì)敏感器和制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制的技術(shù)成熟度。LIRIS驗(yàn)證機(jī)由兩部分組成，紅外相機(jī)由法國(guó)Sodern公司提供，激光雷達(dá)由德國(guó)Jena-Optronik公司提供。

新敏感器安裝在“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”外部，記錄裝置存放在加壓貨艙內(nèi)部，它們記錄的數(shù)據(jù)不會(huì)被“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”使用，但會(huì)在軌存儲(chǔ)供以后下載、分析。當(dāng)設(shè)計(jì)第1個(gè)“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”時(shí)，相關(guān)結(jié)構(gòu)就已預(yù)備容納此類有效載荷，電纜也已從加壓艙鋪設(shè)到飛船外部。

LIRIS的數(shù)據(jù)記錄儀將從“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”上拆下，并由“聯(lián)盟”飛船帶回地球。

交會(huì)試驗(yàn)飛行方案

此次驗(yàn)證將覆蓋交會(huì)的全過程，從至少30km外直到對(duì)接。可見光/紅外（VIS/IR）相機(jī)敏感器將從遠(yuǎn)程運(yùn)行至對(duì)接，而激光雷達(dá)敏感器從約3.5km的近程運(yùn)行至對(duì)接。在400m以內(nèi)，可見光/紅外敏感器還可用于收集目標(biāo)飛行器圖像，然后用熟悉對(duì)象形狀的計(jì)算機(jī)處理，推斷出追蹤器與目標(biāo)之間的六自由度幾何結(jié)構(gòu)。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5在2014年8月8日近距離飛越“國(guó)際空間站”的過程中進(jìn)行了其中一部分試驗(yàn)，用LIRIS收集了一些數(shù)據(jù)，完成了本次飛行中的演示驗(yàn)證。在8月12日的最后抵近過程中進(jìn)行了另外一部分試驗(yàn)。為更加全面地測(cè)試新型敏感器，飛船還在對(duì)接之前根據(jù)計(jì)劃繞飛“國(guó)際空間站”。

在飛船抵近過程中，它使用4臺(tái)R－4D－11主發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行較大的軌道調(diào)整點(diǎn)火，用28臺(tái)姿態(tài)控制系統(tǒng)推力器執(zhí)行較小的機(jī)動(dòng)。自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5經(jīng)過S1/S2航路點(diǎn)（“國(guó)際空間站”后方39km、下方5km處），標(biāo)志著與“國(guó)際空間站”的交會(huì)階段正式起始。剛過S1/S2航路點(diǎn)后不久，LIRIS驗(yàn)證有效載荷的激光雷達(dá)系統(tǒng)啟動(dòng)，開始收集導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在S2航路點(diǎn)，自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5啟動(dòng)LIRIS紅外成像儀，打開飛船的外部燈光，并啟動(dòng)“國(guó)際空間站”上的“航向”（KURS）系統(tǒng)，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”上的“航向”裝置已提前通電。離開S2航路點(diǎn)前，自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5過渡到對(duì)地指向姿態(tài)，讓LIRIS繼續(xù)指向“國(guó)際空間站”，方便導(dǎo)航數(shù)據(jù)收集?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”并不沿直線飛向“國(guó)際空間站”，而是選取節(jié)能路線，沿一條低于“國(guó)際空間站”軌道的弧線追趕，然后再次提升軌道進(jìn)入“國(guó)際空間站”正后方的位置。

Sodern公司紅外敏感器（左）和Jena-Optronik公司激光雷達(dá)光度頭（右）

交會(huì)方式大不同

目前，世界上有美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本和中國(guó)研制的飛行器分別完成了與運(yùn)行在地球軌道上目標(biāo)飛行器的交會(huì)對(duì)接。迄今為止，全世界共計(jì)進(jìn)行了370多次交會(huì)對(duì)接，其中美國(guó)和俄羅斯共占了340多次。美、俄的交會(huì)對(duì)接技術(shù)已經(jīng)成熟并在“國(guó)際空間站”和載人登月中發(fā)揮了重要作用，兩國(guó)交會(huì)對(duì)接技術(shù)也具有近距交會(huì)段分別以手控和自控為主的鮮明特色。以下簡(jiǎn)要介紹各國(guó)飛船的交會(huì)方式，其中，只有俄羅斯和中國(guó)的飛船實(shí)現(xiàn)過載人交會(huì)對(duì)接。

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”接近“國(guó)際空間站”時(shí)LIRIS捕捉圖像示意圖

俄羅斯“聯(lián)盟”和“進(jìn)步”飛船。俄羅斯“聯(lián)盟”和“進(jìn)步”系列飛船采用自動(dòng)化“航向”系統(tǒng)與“國(guó)際空間站”交會(huì)，“遙操作模式控制”（TORU）系統(tǒng)作為備份，緊急情況下切換到手動(dòng)控制。一般情況下俄羅斯飛船可靠性很高，不常換用手控模式，最近一次是2013年11月的進(jìn)步 M－21M任務(wù)，在測(cè)試改進(jìn)型“航向”系統(tǒng)時(shí)出現(xiàn)小故障，導(dǎo)致自動(dòng)對(duì)接失敗，由站上航天員手控對(duì)接成功。

中國(guó)“神舟”飛船。在交會(huì)經(jīng)驗(yàn)方面，中國(guó)正在快速追趕，2011年發(fā)射天宮－1目標(biāo)飛行器后進(jìn)行了多次自動(dòng)、手動(dòng)交會(huì)對(duì)接操作試驗(yàn)，最近一次是由神舟－10飛船執(zhí)行的載人交會(huì)對(duì)接任務(wù)。

日本“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”?！癏-2轉(zhuǎn)移飛行器”在抵近“國(guó)際空間站”的過程中應(yīng)用“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”交會(huì)飛行軟件（RVFS）。首先執(zhí)行交會(huì)點(diǎn)火接近站體，然后用位于“國(guó)際空間站”日本實(shí)驗(yàn)艙里的鄰近通信（PROX）系統(tǒng)與“國(guó)際空間站”通信，先后執(zhí)行一次抵近初始（AI）點(diǎn)火和一次R-bar入軌（RI）點(diǎn)火，完成后即進(jìn)入“國(guó)際空間站”阻進(jìn)區(qū)域（KOS）。接近到10m距離時(shí)呈自由飛行狀態(tài)，由站上機(jī)械臂將其捕獲并?？俊?/p>

美國(guó)“天鵝座”飛船?！疤禊Z座”使用Jena激光雷達(dá)（LIDAR，光探測(cè)和測(cè)距）敏感器與“國(guó)際空間站”交會(huì)。針對(duì)交會(huì)過程中的近距導(dǎo)航，結(jié)合使用“三角測(cè)量和激光雷達(dá)自動(dòng)交會(huì)與對(duì)接”（TriDAR）視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)由加拿大Neptec公司在NASA和加拿大航天局（CSA）支持下研制，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標(biāo)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，通過軟件與目標(biāo)航天器的已知外形進(jìn)行對(duì)比，從而引導(dǎo)飛船飛向?qū)涌?。該系統(tǒng)曾作為航天飛機(jī)的“分別禮物”成功進(jìn)行過3次試驗(yàn)，即發(fā)現(xiàn)號(hào)的STS－128和131任務(wù)以及阿特蘭蒂斯號(hào)的STS－135任務(wù)。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5交會(huì)飛行方案

美國(guó)太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船。在“龍”飛船最近一次任務(wù)中，飛船利用絕對(duì)GPS進(jìn)行高度調(diào)整點(diǎn)火與共橢圓機(jī)動(dòng)點(diǎn)火，到達(dá)距“國(guó)際空間站”2.5km處，從絕對(duì)GPS切換至相對(duì)GPS。經(jīng)過一系列點(diǎn)火和檢查點(diǎn)之后，飛船在距離站體250m處懸停，在此完成激光雷達(dá)和熱成像儀的最后調(diào)整和驗(yàn)證。距“國(guó)際空間站”200m時(shí)，進(jìn)入“國(guó)際空間站”阻進(jìn)區(qū)域。在距“國(guó)際空間站”10m處開始自由漂移，由站上機(jī)械臂捕獲。敏感器系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵組成部分曾在發(fā)現(xiàn)號(hào)STS－133任務(wù)中接受過試驗(yàn)。

歐洲“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”。不同于“天鵝座”、“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”和“龍”飛船，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”直接與“國(guó)際空間站”對(duì)接?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”導(dǎo)航現(xiàn)基于合作目標(biāo)交會(huì)技術(shù)。遠(yuǎn)程交會(huì)時(shí)使用相對(duì)GPS導(dǎo)航，基于來自“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”和“國(guó)際空間站”的GPS接收機(jī)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)。近程導(dǎo)航使用“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”上的光學(xué)敏感器（視程儀和無線電測(cè)向儀），反射測(cè)量“國(guó)際空間站”上的一系列交會(huì)目標(biāo)，即后向反射器。交會(huì)階段，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”完全自主飛行，地面沒有任何輸入。隨著飛船靠近“國(guó)際空間站”，其內(nèi)部導(dǎo)航先從使用星敏感器切換至絕對(duì)GPS，在距離“國(guó)際空間站”30km處切換至相對(duì)GPS，在距離250m處切換至激光鏈路，最后使用視頻目標(biāo)系統(tǒng)。

（4）交會(huì)技術(shù)未來發(fā)展

美國(guó)“獵戶座”（Orion）飛船對(duì)交會(huì)對(duì)接的自動(dòng)性和自主性提出了更高的要求。關(guān)鍵技術(shù)包括自動(dòng)交會(huì)算法、自主任務(wù)管理、自動(dòng)相對(duì)導(dǎo)航敏感器技術(shù)、先進(jìn)捕獲和對(duì)接機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂組裝技術(shù)。這些技術(shù)中許多已經(jīng)成熟，關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是要將這些技術(shù)進(jìn)行集成。

與小行星等天體交會(huì)相關(guān)的工作也在推進(jìn)，NASA團(tuán)隊(duì)期望在下一個(gè)10年之初與一顆被捕獲、重定向的小行星載人交會(huì)。

同樣，先進(jìn)科學(xué)概念（ASC）3D LIDAR測(cè)距相機(jī)已被“起源、光譜解譯、資源鑒別和防護(hù)-風(fēng)化層探測(cè)器”（OSIRIS-REx）行星科學(xué)任務(wù)選中。該任務(wù)計(jì)劃于2016年發(fā)射，2023年將返回一件取自碳質(zhì)小行星1999 RQ36的樣品。

航天器在軌道上“看到”目標(biāo)的技術(shù)進(jìn)步也使地球上的人受益，LIDAR和TriDAR技術(shù)應(yīng)用已拓展到農(nóng)業(yè)和軍事領(lǐng)域。

5 貨運(yùn)能力突出

“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”目前是除俄羅斯“進(jìn)步”貨運(yùn)飛船以外，唯一能夠同時(shí)提供燃料補(bǔ)給、姿態(tài)控制和軌道提升的航天器，也是迄今為止已發(fā)射使用的運(yùn)載能力最大的專用貨運(yùn)飛船?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系列飛船貨物上行能力突出，其總載貨量約為俄羅斯“進(jìn)步”系列飛船載貨量的3倍，比日本“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”載貨量也多150kg。

除運(yùn)送多種多樣的貨物之外，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”還能滿足后期裝貨要求。“國(guó)際空間站”的需求時(shí)常變化，任務(wù)控制中心、航天員和科學(xué)家經(jīng)常在最后關(guān)頭還有新想法。從自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－2任務(wù)開始，可以在發(fā)射前幾星期內(nèi)向飛船中加裝干貨。從自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－4任務(wù)起，庫魯航天中心安裝了全新的后期裝貨專用通道（LCAM）設(shè)備，這是一部帶有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和伸縮式裝卸臂的專用升降機(jī)，用于裝載更多后期貨物到“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”加壓艙的各個(gè)角落中。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5運(yùn)送的貨物總質(zhì)量6555kg，液體貨物3933kg，包括補(bǔ)加的推進(jìn)劑860kg、水855kg、加壓氣體100kg及由科學(xué)試驗(yàn)材料、衣物和食物、乘員個(gè)人物品、各種“國(guó)際空間站”系統(tǒng)的維護(hù)物與日常生活所需的標(biāo)準(zhǔn)供給品組成的干貨2622kg。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5攜帶了860kg用于再加注的推進(jìn)劑，未來可由“國(guó)際空間站”星辰號(hào)服務(wù)艙推力器用于“國(guó)際空間站”軌道提升、碎片規(guī)避機(jī)動(dòng)及姿態(tài)機(jī)動(dòng)。站上推力器使用的四氧化二氮氧化劑和偏二甲肼燃料可從“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”輸送至“國(guó)際空間站”貯箱。在“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”和“國(guó)際空間站”上，輸送管路都不穿過乘員隔艙，保證乘員不會(huì)接觸到有毒推進(jìn)劑。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5飛船帶了一些有意思的科學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，其中一個(gè)是ESA的設(shè)備觸覺－1（Haptics－1），將在站上安裝一個(gè)高科技手柄，航天員能用它玩簡(jiǎn)單的電子游戲。這個(gè)試驗(yàn)?zāi)軒椭芯咳藛T更好地了解失重如何影響人類的運(yùn)動(dòng)控制功能。此外，還運(yùn)送了ESA的“電磁懸浮裝置”，將在站上加熱金屬再快速冷卻，研究原子在熔化和凝固的過程中如何排列和重新排列（在地球上難以研究這種基礎(chǔ)物理）。

自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－4與“國(guó)際空間站”之間的合作目標(biāo)導(dǎo)航示意圖

6 貨運(yùn)飛船落幕，歐洲載人航天何以為繼

早在2012年，ESA就宣布有意在自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器－5任務(wù)后關(guān)閉“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”生產(chǎn)線。隨著“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系列接近尾聲，ESA不得不在建造第6艘或開發(fā)新系統(tǒng)之間做出抉擇，最終選擇了面向未來的演進(jìn)。

在完成為“國(guó)際空間站”補(bǔ)給的使命之后，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”將迎來第二次生命，它與眾不同的“X”形太陽電池翼并不會(huì)從航天史上消失。2013年1月，ESA與NASA共同決定正式就“獵戶座”多用途乘員飛行器（MPCV）展開合作研制，由ESA為NASA的“獵戶座”設(shè)計(jì)和建造服務(wù)艙，仍將是ESA對(duì)“國(guó)際空間站”合作伙伴關(guān)系的實(shí)物出資償付方式。

ESA此舉是準(zhǔn)備迎接載人航天的新挑戰(zhàn)。這將是ESA與NASA在近地軌道以遠(yuǎn)乘員運(yùn)輸飛行器上的首次合作，不僅使歐洲航天工業(yè)可以繼續(xù)利用“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的技術(shù)，還能極大精簡(jiǎn)NASA的研發(fā)和生產(chǎn)成本。同時(shí)，這個(gè)項(xiàng)目將在歐洲創(chuàng)造大量高技術(shù)就業(yè)機(jī)會(huì)，用“獵戶座”發(fā)射歐洲航天員當(dāng)然也是歐洲航天界樂見的事。

“獵戶座”的首次飛行是2014年12月的無人探索飛行試驗(yàn)－1（EFT－1），飛船由德爾他－4（Delta－4）重型火箭發(fā)射，將飛到地面以上約5800km的高度，是40年來載人航天器飛得最遠(yuǎn)的一次。首航的目標(biāo)是以高再入速度測(cè)試乘員艙。這一次飛船上沒有航天員，并用轉(zhuǎn)接器模擬服務(wù)艙的結(jié)構(gòu)。

2017年，歐洲服務(wù)艙將參與完成“獵戶座”飛船與“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的首次組合飛行，即首次“探索任務(wù)”（EM－1），它是一次無人月球飛掠任務(wù)，飛船將以11km/s的最高再入速度返回地球大氣層。

歷次“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”任務(wù)的貨物上行能力對(duì)比

“獵戶座”飛船上的歐洲服務(wù)艙結(jié)構(gòu)

“獵戶座”歐洲服務(wù)艙將全面沿用“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的主體設(shè)計(jì)和多年研制過程中獲取的專門技術(shù)，位于乘員艙正下方，也有“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”標(biāo)志性的“X”形太陽電池翼。歐洲服務(wù)艙將向乘員艙提供四方面主要系統(tǒng)功能：推進(jìn)、動(dòng)力、熱控和重要資源，如水和可呼吸的大氣。所有這些基本功能和其他一些組件與“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”上所用的相同。歐洲服務(wù)艙還存放“獵戶座”軌道轉(zhuǎn)移、姿態(tài)控制和高空上升中止所需的主發(fā)動(dòng)機(jī)、推力器和燃料。

在歐洲航天史上，“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”計(jì)劃的持續(xù)時(shí)間、所分配的資源和技術(shù)復(fù)雜程度都無可匹敵。建造和運(yùn)行“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”得到的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)已衍生出數(shù)量龐大的專有技術(shù)?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”技術(shù)可用于諸如控制空間碎片或服務(wù)其他在軌航天器等自動(dòng)化任務(wù)；還可發(fā)展為無人自由飛行實(shí)驗(yàn)室乃至太空拖船，攜帶數(shù)噸補(bǔ)給品到達(dá)月球或火星軌道。美國(guó)公司也已從“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”傳承中獲益，軌道科學(xué)公司建造的商業(yè)貨運(yùn)飛船“天鵝座”在執(zhí)行“國(guó)際空間站”任務(wù)中采用了“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”系統(tǒng)?！白詣?dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”的成功離不開近20年的國(guó)際合作伙伴，與不同工程文化和團(tuán)隊(duì)之間的密切合作是難能可貴的經(jīng)驗(yàn)，為未來幾十年里的載人空間探索聯(lián)合項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。

郭筱曦 許國(guó)彩/文