郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

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“天鵝再展翅”——“天鵝座”貨運(yùn)飛船復(fù)飛任務(wù)成功發(fā)射

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

Cygnus Cargo Spacecraft Returns to Flight Successfully

美國東部時(shí)間2015年12月6日16時(shí)44分，宇宙神－5（Atlas－5）火箭從卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射，成功將軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（以下簡(jiǎn)稱軌道-ATK公司）執(zhí)行第4次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)（OA－4任務(wù)）的“天鵝座”（Cygnus）貨運(yùn)飛船送入軌道。此次任務(wù)從發(fā)射開始就創(chuàng)造了多項(xiàng)紀(jì)錄：它是繼2014年10月第3艘“天鵝座”飛船發(fā)射失敗后，軌道-ATK公司的首次“國際空間站”貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)，也是首次由“宇宙神”火箭發(fā)射，還是首次升空的增強(qiáng)型“天鵝座”。

船箭分離后，飛船進(jìn)入近地點(diǎn)234.1km、遠(yuǎn)地點(diǎn)237.4km、傾角51.65°的軌道。之后依靠自身推力器調(diào)整軌道高度，于2015年12月9日與“國際空間站”交會(huì)，由站上航天員斯科特·凱利和謝爾·林德格列操縱機(jī)械臂捕獲飛船并?？?。此艘“天鵝座”飛船成為近8個(gè)月以來第一艘到站的美國貨運(yùn)飛船，也是第一艘?？恐翀F(tuán)結(jié)號(hào)節(jié)點(diǎn)艙天底對(duì)接口的貨運(yùn)飛船?！疤禊Z座”飛船預(yù)計(jì)在站上停靠2個(gè)月。

宇宙神－5火箭發(fā)射“天鵝座”飛船

1 任務(wù)背景

2006年1月，美國航空航天局（NASA）啟動(dòng)“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）計(jì)劃，其直接目標(biāo)是在航天飛機(jī)退役后為“國際空間站”尋求備選貨物運(yùn)輸方案。同年，軌道科學(xué)公司（現(xiàn)已更名為軌道-ATK公司)和太空探索技術(shù)公司共同獲得“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”合同。2008年12月，軌道科學(xué)公司和太空探索技術(shù)公司共同獲得NASA“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同，要在2012－2016年為“國際空間站”提供20次貨運(yùn)服務(wù)。

2014年10月28日，軌道-ATK公司執(zhí)行第3次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)的安塔瑞斯－130 （Antares－130）火箭從美國弗吉尼亞州中大西洋地區(qū)航天發(fā)射中心點(diǎn)火發(fā)射，但火箭在升空后6s發(fā)生爆炸，火箭落回發(fā)射臺(tái)時(shí)又引起了二次爆炸，火箭及其運(yùn)載的“天鵝座”飛船隨即損毀。

2014年11月，NASA為獨(dú)立調(diào)查第3次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)事故原因而組建獨(dú)立審查團(tuán)隊(duì)，對(duì)“安塔瑞斯”火箭發(fā)射之前、之中所收集到的遙測(cè)數(shù)據(jù)及捕捉到發(fā)射和失敗畫面的照片及視頻資料進(jìn)行了詳細(xì)分析和審查。基于分析，確定出“安塔瑞斯”火箭發(fā)射失利的直接原因是安裝在主發(fā)動(dòng)機(jī)－1位置的AJ26火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生爆炸。具體地說就是，E15液氧渦輪泵發(fā)生爆炸，隨后損毀了安裝在主發(fā)動(dòng)機(jī)－2位置上的AJ26火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。爆炸導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喪失推力，運(yùn)載火箭落回并撞擊地面，從而導(dǎo)致船箭俱毀。獨(dú)立審查團(tuán)隊(duì)確定出3個(gè)可信的技術(shù)性根本原因，其中的一個(gè)或若干個(gè)原因?qū)е铝薊15起火和爆炸：①AJ26液氧液壓平衡組件和“安塔瑞斯”渦輪端軸承設(shè)計(jì)魯棒性不足；②E15液氧渦輪泵中有外物碎片；③E15液氧渦輪泵存在制造或其他工藝缺陷。

2 復(fù)飛任務(wù)情況

暫時(shí)使用美國主力火箭宇宙神－5

“安塔瑞斯”火箭爆炸后6周，軌道-ATK公司就與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司敲定了購買第一枚宇宙神－5火箭的協(xié)議，2015年8月宣布采購第二枚火箭。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司與軌道-ATK公司之間的財(cái)務(wù)條款并未對(duì)外披露。僅知道“宇宙神”火箭的單價(jià)超過1億美元。

火箭/飛船組合體結(jié)構(gòu)示意圖

第4次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)合作伙伴及其職責(zé)

自2002年首飛以來，宇宙神－5火箭各型號(hào)共發(fā)射59次（在此次任務(wù)之前），全部成功，其中23次為美國國防部任務(wù)，12次為美國國家偵察局（NRO）任務(wù)，12次為NASA任務(wù)，另有12次為商業(yè)發(fā)射任務(wù)。OA－4任務(wù)是宇宙神－5火箭的第60次發(fā)射，代表聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司第一次執(zhí)行“國際空間站”貨運(yùn)發(fā)射任務(wù)。

標(biāo)準(zhǔn)型（左）和增強(qiáng)型（右）“天鵝座”飛船構(gòu)型對(duì)比

增強(qiáng)型“天鵝座”飛船

升級(jí)為增強(qiáng)型“天鵝座”飛船

“天鵝座”飛船采用低風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，繼承了軌道-ATK公司及其合作伙伴經(jīng)飛行驗(yàn)證的航天器技術(shù)。飛船不具備返回能力，可裝載廢棄物再入大氣層燒毀。飛船包括加壓貨物艙和服務(wù)艙兩部分，分別由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和軌道-ATK公司建造。服務(wù)艙繼承了“低地球軌道星”（LEOStar）平臺(tái)和“地球靜止軌道星”（GEOStar）平臺(tái)的電子系統(tǒng)以及地球靜止軌道通信衛(wèi)星的推進(jìn)和電源系統(tǒng)。加壓貨物艙基于空間站多功能后勤艙設(shè)計(jì)，可裝載日常物資、備用部件和試驗(yàn)設(shè)備等。

增強(qiáng)型“天鵝座”飛船參數(shù)

“天鵝座”飛船本身設(shè)計(jì)就兼容多種運(yùn)載火箭。這種兼容能力讓軌道-ATK公司能夠在事故后較短時(shí)間內(nèi)開展復(fù)飛任務(wù)，以響應(yīng)NASA的空間站后勤要求。在此次任務(wù)中，“天鵝座”飛船升級(jí)了服務(wù)艙和加壓貨艙。升級(jí)型服務(wù)艙采用經(jīng)過飛行驗(yàn)證的電子設(shè)備和通信系統(tǒng)，并更換了新型太陽電池翼及優(yōu)化的推進(jìn)系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。增強(qiáng)型加壓貨艙相較標(biāo)準(zhǔn)加壓貨艙，內(nèi)部空間增加了約25%，貨運(yùn)能力提升到3500kg以上，而此前最大能力為2300kg。

“天鵝座”飛船與整流罩

調(diào)整火箭飛行方案，盡最大可能在第一天發(fā)射

此前的“國際空間站”貨運(yùn)任務(wù)發(fā)射窗口通常為“零窗口”或者不超過5～10min，因?yàn)椤傲愦翱凇笔峭瓿膳c近地目標(biāo)（如“國際空間站”）交會(huì)任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)方式。這種方式的弊端就是極大限制了按時(shí)發(fā)射的可能性。針對(duì)此次任務(wù)，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司和軌道-ATK公司團(tuán)隊(duì)合作制定了任務(wù)方案，充分發(fā)揮“宇宙神”火箭設(shè)計(jì)的內(nèi)在能力，密切配合“天鵝座”飛船交會(huì)飛行方案，將發(fā)射窗口擴(kuò)展到30min。OA－4發(fā)射設(shè)計(jì)方法考慮了空間站在發(fā)射前不久變軌的可能性，包括常規(guī)軌道調(diào)整和臨時(shí)碎片規(guī)避。然而，盡管放寬了發(fā)射窗口，此次任務(wù)還是因天氣原因連續(xù)推遲3天。

向空間站運(yùn)送站上乘員急需的有效載荷

此艘“天鵝座”飛船是近8個(gè)月以來第一艘到站的美國貨運(yùn)飛船，因此攜帶了更多站上美國乘員急需的物品，包括將在第45和46批長(zhǎng)期考察組期間使用的近250件科學(xué)研究和技術(shù)試驗(yàn)設(shè)備。

此艘“天鵝座”飛船攜帶的科學(xué)有效載荷主要包括空間自動(dòng)化生物制品實(shí)驗(yàn)室（SABL）、填充床反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)設(shè)備（PBRE）、固體燃燒和撲救-米利肯（BASS－M）等；攜帶的技術(shù)有效載荷主要包括Kaber衛(wèi)星部署器和超集成衛(wèi)星，以及17顆立方體衛(wèi)星，其中包括12顆鴿群－2E對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星。

此外，“天鵝座”飛船還運(yùn)送了一些替換貨物，包括一套供NASA“伙伴”（Sidekick）項(xiàng)目使用的微軟全息眼鏡設(shè)備，美國艙外機(jī)動(dòng)裝置的通用硬件和工具（一件新的艙外活動(dòng)簡(jiǎn)易救援裝置、航天服手套和電池、液冷通風(fēng)服及工具包），要接入站上空氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的高壓氮?dú)馄亢脱鯕馄俊?/p>

OA－4“天鵝座”飛船主要貨物質(zhì)量分配

3 結(jié)束語

事故發(fā)生后的1年多以來，軌道-ATK公司經(jīng)歷了艱難的復(fù)原過程。作為一家專門為軍、商、政府客戶設(shè)計(jì)、制造和發(fā)射中小型空間系統(tǒng)和火箭系統(tǒng)的宇航企業(yè)，也曾在事故當(dāng)天市值下跌2.66億美元，如今已經(jīng)完成與軍工企業(yè)阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司的合并。新公司將繼承兩家之長(zhǎng)，為今后的發(fā)展注入新的活力。此次任務(wù)的成功發(fā)射有助于增強(qiáng)NASA的信心，穩(wěn)固軌道-ATK公司在美國載人航天商業(yè)化進(jìn)程中的地位。