國外貨運飛船概 覽

Overview of Foreign Cargo Spacecraft

王霄 張蕊 郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

貨運飛船是執(zhí)行向地球大氣層以外的宇宙空間運送貨物等任務的航天器。貨運飛船擁有較大的貨艙體積，可比載人飛船攜帶更多的貨物，主要用途是向地外空間定期補給食品、燃料、儀器設備等物資，協(xié)助提升空間站軌道等。貨運飛船主要有一次性使用貨運飛船和可重復使用貨運飛船2種類型。

蘇聯(lián)/俄羅斯在“聯(lián)盟”（Soyuz）載人飛船的基礎上發(fā)展出了“進步”（Progress）系列貨運飛船；美國的太空探索技術公司（SpaceX）和軌道-ATK公司分別研發(fā)了“龍”（Dragon）和“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船；歐洲研發(fā)了5艘“自動轉移飛行器”（ATV）；日本研發(fā)了“H-2轉移飛行器”（HTV）。

目前，國際上現(xiàn)役的貨運飛船包括俄羅斯的進步 MS、日本的“H-2轉移飛行器”、美國的“龍”和“天鵝座”。

截至2017年3月31日，全球共成功發(fā)射并入軌的貨運航天器181個，分別為俄羅斯“進步”系列飛船、歐洲的“自動轉移飛行器”、日本的“H-2轉移飛行器”、美國的“龍”和“天鵝座”飛船，它們完成了對禮炮號（Salyut）空間站、和平號（Mir）空間站和“國際空間站”（lSS）的貨物、人員補給以及軌道提升。

1 俄羅斯“進步”飛船—貨運飛船領域的“長子”

概況

20世紀70年代，蘇聯(lián)和美國開始發(fā)展體積大、壽命長的空間站，起初兩國都是使用人貨混裝的載人飛船為空間站提供少量補給。隨著蘇聯(lián)空間站的不斷發(fā)展，蘇聯(lián)航天專家將“聯(lián)盟”載人飛船改裝，去掉了載人飛船上的座椅、環(huán)控生保系統(tǒng)與應急救援等與載人有關的系統(tǒng)，成為“進步”貨運飛船。

“進步”飛船是俄羅斯不可重復使用的貨運航天器。首艘“進步”貨運飛船于1978年1月20日由“聯(lián)盟”火箭發(fā)射升空。此后，禮炮號空間站的研制方實驗機械制造中央設計局（現(xiàn)俄羅斯科羅廖夫能源火箭航天集團）又研制并發(fā)射了進步 M和進步M1等型號的“進步”系列貨運飛船。

“進步”飛船貨物艙構造與“聯(lián)盟”軌道艙相似，負責運送貨物和裝回垃圾，再入大氣層時隨飛船一起燒毀。補給艙裝有多個推進劑貯箱，其中一部分貯箱裝有燃燒劑，另外一部分貯箱裝有氧化劑，有的還裝有1個水箱，燃燒劑和氧化劑通過對接環(huán)上的液體連接器轉移到空間站自身的推進系統(tǒng)中。服務艙用于貨運飛船與空間站的變軌對接、提高空間站的軌道高度。

從禮炮-6空間站時期開始，“進步”飛船就為蘇聯(lián)空間站運送燃料和其他補給品，現(xiàn)在用于補給“國際空間站”，每年約有3～4艘“進步”飛船飛往“國際空間站”。每艘飛船與“國際空間站”保持對接直到下一艘“進步”或“聯(lián)盟”到來的前幾天，期間飛船被填滿廢物，之后解除對接、分離、離軌，再入大氣層中燒毀。2015年12月升級為進步 MS型號繼續(xù)執(zhí)行“國際空間站”貨運任務。“進步”系列貨運飛船運送貨物的成本為22000～25000美元/千克。

截至2017年3月31日，“進步”貨運飛船共發(fā)射157艘，其中，進步 M-12M、進步 MS-04發(fā)射失敗，進步 M-27M任務失敗。對接故障發(fā)生過10次，其中1次對接失?。ㄟM步 M-33飛船與和平號空間站），其余9次故障中，有2次對接故障造成“進步”飛船與和平號空間站碰撞。

主要性能指標

“進步”貨運飛船基于“聯(lián)盟”載人飛船設計，采用三艙設計，包括貨物艙、補給艙和服務艙?？傎|量大約7t，有效載荷質量2.3t以上。能夠獨立飛行30天，每年發(fā)射3～4次。

進步 M是“進步”原型飛船的改進型，設計特點為：采用新的服務艙，改進了飛行控制系統(tǒng)，并增大了運輸能力。進步 M有1幅太陽電池翼，飛船可獨立飛行30天。飛船采用新型對接系統(tǒng)，即“遙控操作交會單元”，該系統(tǒng)可由空間站內的航天員操作，控制飛向空間站的進步 M飛船。

進步 M1在進步 M的基礎上特別為“國際空間站”進行了改進，增大了推進劑攜帶量，將水箱移入貨物艙，將12個裝有氮和氧的貯箱放置在飛船外部。其他改進方面包括采用數(shù)字飛控系統(tǒng)，用航向-MM（Kurs-MM）交會雷達系統(tǒng)取代之前的“航向”系統(tǒng)。除了向“國際空間站”運送貨物和燃料，進步 M1還作為空間拖船，將退役的和平號空間站拖入地球大氣層。

進步 M-M在進步 M1基礎上進行了改進，主要設計特點如下：①為新型載人飛船聯(lián)盟TMA-M更新系統(tǒng)進行飛行試驗；②進一步改進“進步”貨運飛船的性能，提高運輸能力。進步 M-M裝有現(xiàn)代化的TsVM-101數(shù)字飛行控制系統(tǒng)，并應用新的小型無線電遙測系統(tǒng)。這些更新不僅使飛行控制系統(tǒng)更快、更有效地運作，而且船上電子器件的總質量減少了75kg。

與進步 M-M飛船相比，現(xiàn)役的進步 MS飛船的升級細節(jié)包括：將烏克蘭制造的帶有饋線天線的量子-V無線電通信系統(tǒng)更換為新的“統(tǒng)一指揮遙測系統(tǒng)”（EKTS），結束了俄羅斯依賴烏克蘭為其生產制造天線、饋線和通信電子產品的歷史。另一個通信升級是在交會期間與空間站建立了一個接近通信鏈路，以使相對導航作為導航數(shù)據(jù)的額外來源。新飛船配備有GPS和GLONASS接收器，以確定準確時間，進行狀態(tài)向量的計算和定軌，使得機動目標更精確，甚至飛船本身都不用再依賴雷達跟蹤，雷達跟蹤職能在通過地面站時進行。飛船控制系統(tǒng)、機載軟件和通信系統(tǒng)上所做出的改進使得從模擬到數(shù)字視頻傳輸能夠實現(xiàn)，從而在近旁操作過程中改進視頻質量。此外，現(xiàn)有的航向-A交會對接設備將升級為使用俄羅斯國產現(xiàn)代化電子元器件的航向-NA系統(tǒng)。

2 美國“龍”飛船—開啟載人航天商業(yè)化新紀元

概況

與其他政府投資研制的民用貨運飛船不同，美國的“龍”飛船是由太空探索技術公司研制并運營的商業(yè)軌道飛行器，有載貨型和載人型兩種構型。載貨型“龍”飛船任務飛行方案多變并可作為重復使用航天器，裝有防熱罩和降落傘，任務結束后在洋面上濺落回收。

“龍”貨運飛船是目前所有貨運飛船中唯一可以運回物品的，這是因為該飛船帶有熱防護罩，可在返回時耐受極高溫安全降落，而其他飛船只能在再入大氣時燒毀。

“龍”飛船參數(shù)

“龍”貨運飛船任務執(zhí)行情況

2006年1月，美國航空航天局（NASA）啟動“商業(yè)軌道運輸服務”（COTS）計劃，其直接目標是在航天飛機退役后為“國際空間站”尋求備選貨物運輸方案。同年，軌道-ATK公司和太空探索技術公司共同獲得“商業(yè)軌道運輸服務”合同，分別在3次發(fā)射機會之內演示驗證“安塔瑞斯”（Antares）火箭/“天鵝座”飛船和獵鷹-9（Falcon-9）火箭/“龍”飛船進入太空、執(zhí)行任務的能力。2008年12月，軌道-ATK公司和太空探索技術公司共同獲得NASA“商業(yè)補給服務”（CRS）合同。這兩家公司要在2012-2016年為“國際空間站”提供20次貨運服務。

主要性能指標

“龍”貨運飛船干質量4200kg，長6.1m，最大直徑3.81m，運送載荷最大質量6000kg（但目前實際只載不到3000kg），返回載荷最大質量3000kg?！褒垺憋w船的最大特點是可重復使用，其所有結構和機構均設計為能夠支持乘員運輸，任務持續(xù)時間為1周至2年。該飛船主要由三部分組成：①頭錐，在上升階段起保護作用，內裝對接機構；②鈍角圓錐體彈道艙，一部分用于搭載乘員和/或加壓貨物，另一部分是服務艙，裝有電子設備、反作用控制系統(tǒng)、降落傘和其他支持設備；③非加壓段，用于存儲非加壓貨物，如軌道替換單元，并保障太陽電池翼和散熱器的正常工作。

載貨型“龍”飛船裝備有1 8臺“天龍”（Draco）推力器，分為4組，其中2組各包含5臺推力器，另外2組各包含4臺推力器，每臺推力器可提供400N推力，用于在軌機動、姿態(tài)控制和長時間離軌點火，燃燒時間可變，使用四氧化二氮/甲肼作為推進劑?！褒垺憋w船的反作用控制系統(tǒng)在所有軸上提供雙冗余，任意2臺推力器失靈都不會影響任務。“龍”飛船所用的防熱罩由NASA設計、太空探索技術公司制造，材料為PICA-X，是在NASA原酚碳熱燒蝕板（PICA）基礎上研制而成的高性能產品。PICA-X設計承受月球任務返回時的熱量，遠超近地軌道返回再入的防熱要求。

“龍”貨運飛船對接機構為“國際空間站”通用停靠機構（CBM），采用空間站機械臂捕獲方式，這種對接方式減少了航天器上對接系統(tǒng)的質量、成本和復雜性，提高了對接安全性。未來需要時，可支持低沖擊對接系統(tǒng)和異體同構周邊式對接系統(tǒng)（APAS）。交會對接敏感器采用名為“龍眼”（DragonEye）的激光成像與測距系統(tǒng)（LIDAR）。

“龍”貨運飛船是首個從軌道返回地球的商業(yè)航天器，也是首個到訪“國際空間站”的商業(yè)航天器。2010年12月8日，獵鷹-9火箭把第一艘“龍”飛船成功送上太空，并在繞地球軌道2圈后安全降落。2012年5月，太空探索技術公司用獵鷹-9火箭成功發(fā)射“龍”飛船，并與“國際空間站”對接，率先完成“商業(yè)軌道運輸服務”的首次演示驗證任務。2016年4月9日，“龍”飛船成功執(zhí)行其第8次“商業(yè)補給服務”合同任務，即爆炸事故之后的復飛任務。

太空探索技術公司原計劃于2017年首次執(zhí)行載人航天任務，但由于2016年9月發(fā)射臺爆炸事故，該計劃被推遲到2018年，非載人演示發(fā)射仍按原計劃于2017年進行。

“龍”貨運飛船后續(xù)飛行計劃

3 美國“天鵝座”飛船

概況

“天鵝座”飛船是由美國軌道-ATK公司研制的貨運飛船，用于“國際空間站”貨物補給。軌道-ATK公司與NASA的合作包括在“商業(yè)軌道運輸服務”計劃下完成“國際空間站”驗證飛行，以及依據(jù)“商業(yè)補給服務”合同在2012-2016年利用“安塔瑞斯”火箭/“天鵝座”飛船向“國際空間站”運送質量達20t的貨物。原計劃發(fā)射8艘專用“天鵝座”飛船。

主要性能指標

“天鵝座”飛船采用低風險設計，繼承了軌道-ATK公司及其合作伙伴經飛行驗證的航天器技術。“天鵝座”飛船不具備返回能力，但類似俄羅斯“進步”貨運飛船，可裝載廢棄物再入大氣燒毀。

“天鵝座”飛船由通用服務艙和加壓貨艙組成。服務艙由軌道-ATK公司研制，繼承了該公司的LEOStar和GEOStar衛(wèi)星平臺的電子系統(tǒng)，以及GEOStar通信衛(wèi)星的推進和電源系統(tǒng)。加壓貨艙由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司（TAS）研制，基于“國際空間站”多功能后勤艙設計，可裝載日常物資、備用部件、實驗設備等?！疤禊Z座”飛船標準構型長2.66m，直徑3.07m，干質量1500kg，加壓容積18.9m3，載貨質量2000kg（滿載）；增強構型長4.86m，干質量1800kg，加壓容積26.2m3，載貨質量3500kg（滿載）；兩種構型返回時均可裝載1200kg廢物和站上不再需要的物品，再入大氣層燒毀。

針對交會過程中的近距導航，飛船裝備有“三角測量和激光雷達自動交會與對接”（TriDAR）系統(tǒng)，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標點的三維數(shù)據(jù)，通過軟件與目標航天器的已知外形進行對比，從而引導飛船飛向對接口。飛船由站上乘員使用站上機械臂捕獲，并裝有標準的通用?？繖C構。

2013年9月18日，“天鵝座”飛船首次驗證飛行任務成功發(fā)射，9月29日與空間站對接，10月22日脫離空間站并在再入大氣層過程中燒毀，圓滿結束此次驗證任務。2014年1-2月，成功執(zhí)行首次“商業(yè)補給服務”合同任務，使軌道-ATK公司成為繼太空探索技術公司之后第二家向“國際空間站”發(fā)射常規(guī)貨運飛船的商業(yè)公司。

4 歐洲“自動轉移飛行器”—太空大力神

概況

“自動轉移飛行器”是歐洲航天局（ESA）研制的一次性使用貨運飛船，它是歐洲有史以來研制的最大航天器。貨物運載能力可達7t，是迄今運載能力最大的貨運飛船。

“自動轉移飛行器”飛抵“國際空間站”并完成對接共需3天，也可在停泊軌道上停留8周后與“國際空間站”對接?！白詣愚D移飛行器”在“國際空間站”?？繒r間達6個月，期間可為“國際空間站”提升軌道高度，進行姿態(tài)控制和空間碎片規(guī)避機動?！白詣愚D移飛行器”?？吭凇皣H空間站”期間，航天員能把其加壓艙作為實驗區(qū)使用。飛船離軌時帶走空間站的廢棄物，再入大氣層燒毀。航天飛機退役后，“自動轉移飛行器”成為“國際空間站”貨運能力最大的航天器。由于未來可能發(fā)展成為載人航天器，因此，“自動轉移飛行器”在設計時要求具有高性能，并滿足嚴格的安全性要求。飛行控制的全自動操作、高度自主性以及嚴格的飛行安全性是“自動轉移飛行器”的主要特點。截至目前，歐洲已成功發(fā)射5艘“自動轉移飛行器”。

主要性能指標

“自動轉移飛行器”為帶有前、后錐段的圓柱體，長約10.3m、直徑約4.5m，質量約10t，載貨能力約7t。采用模塊化設計，包括貨運艙段和服務艙段。

貨運艙段位于“自動轉移飛行器”前部，由俄羅斯對接系統(tǒng)、加壓艙和外艙組成。用于向“國際空間站”運送全部再供給有效載荷，其最大承載量為6.6t，可與“國際空間站”直接對接。貨運艙段外部安裝光學交會傳感器、星跟蹤器、測距器和S頻段天線等儀器。加壓艙符合NASA載人航天器規(guī)范要求，航天員可著便裝在貨物艙段內工作。

服務艙段位于“自動轉移飛行器”尾部，為非加壓艙，裝有推進、姿控、電源、通信和大部分電子設備?！白詣愚D移飛行器”對接機構采用俄羅斯的“桿-錐”式對接機構，對接方式采用自動控制交會對接方式，自主交會系統(tǒng)使用一系列敏感器進行精確導航和精確對接。在交會飛行階段的遠距離交會期間，“自動轉移飛行器”應用GPS導航方式；在最終逼近期間，應用“視頻儀”，以及來自無線電測向儀的附加數(shù)據(jù)，與“國際空間站”的俄羅斯星辰號（Zvezda）服務艙對接?！白詣愚D移飛行器”交會飛行自主導航系統(tǒng)可使飛行器在脫離地面控制的情況下，實現(xiàn)自主交會對接與解除對接后的分離。為增強交會對接操作穩(wěn)定性與靈活性，地面和“國際空間站”上的乘員可在必要時介入飛行控制。它共飛行了5次，現(xiàn)已退役。

“自動轉移飛行器”任務的貨物上行能力對比

“自動轉移飛行器”任務執(zhí)行表

早在2012年，ESA就宣布有意在自動轉移飛行器-5任務后關閉“自動轉移飛行器”生產線。隨著“自動轉移飛行器”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。在完成為“國際空間站”補給的使命之后，“自動轉移飛行器”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”設計和建造服務艙，仍將是ESA對“國際空間站”合作伙伴關系的實物出資償付方式。ESA此舉是準備迎接載人航天的新挑戰(zhàn)。這將是ESA與NASA在近地軌道以遠乘員運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“自動轉移飛行器”的技術，還能極大精簡NASA的研發(fā)和生產成本。同時，這個項目將在歐洲創(chuàng)造大量高技術就業(yè)機會。

2017年，歐洲服務艙將參與完成“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”（EM-1），它是一次無人月球飛掠任務，飛船將以11km/s的最高再入速度返回地球大氣層。

“獵戶座”歐洲服務艙將全面沿用“自動轉移飛行器”的主體設計和多年研制過程中獲取的專門技術，在乘員艙正下方，也有“自動轉移飛行器”標志性的“X”形太陽電池翼。歐洲服務艙將向乘員艙提供四方面主要系統(tǒng)功能：推進、動力、熱控和重要資源，如水和可呼吸的氧氣。所有這些基本功能和其他一些組件與“自動轉移飛行器”上所用的相同。歐洲服務艙還存放“獵戶座”軌道轉移、姿態(tài)控制和高空上升中止所需的主發(fā)動機、推力器和燃料。

5 日本“H-2轉移飛行器” —交會對接方式獨特

概況

“H-2轉移飛行器”又名“鶴”，是日本宇宙航空研究開發(fā)機構（JAXA）研制的一次性使用貨運飛船，主承包商是三菱重工業(yè)公司，用于向“國際空間站”運送貨物并攜帶空間站垃圾返回再入大氣層燒毀。與其他貨運飛船相比，“H-2轉移飛行器”還是目前唯一一種可向空間站運送加壓與非加壓貨物的無人飛船，包括安裝在站外的外部實驗和在軌更換裝置。

“H-2轉移飛行器”主要完成3個目標：①實現(xiàn)日本在“國際空間站”項目中的作用；②驗證日本的空間工程技術；③積累研制載人航天飛行系統(tǒng)的技術。

“H-2轉移飛行器”還有獨特的交會對接技術，與空間站對接采用“?？俊狈绞?，即當其與空間站接近到10m距離時，相對速度接近零，“H-2轉移飛行器”不再被控制，而是呈自由飛行狀態(tài)，然后由空間站的機械臂將其捕獲，與空間站對接口實現(xiàn)對接，此法比較安全。

截至2017年3月31日，已發(fā)射6艘“H-2轉移飛行器”，6次任務全部成功。H-2轉移飛行器-1于2009年9月10日首次執(zhí)行“國際空間站”任務，驗證了自動和手動控制飛行能力，并向“國際空間站”運送了4.5t貨物補給。

主要性能指標

“H-2轉移飛行器”呈圓柱形結構，由加壓后勤貨艙、非加壓后勤貨艙、電子設備艙和推進艙4部分組成。長10m、直徑4.4m、質量16.5t，每次最多可向軌道運送6t補給物資。貨物補給裝在加壓后勤貨艙以及非加壓后勤貨艙的暴露貨架中，“H-2轉移飛行器”可根據(jù)貨運任務需要選用加壓型或加壓/非加壓混合型貨艙結構。

加壓后勤貨艙。內有空氣調節(jié)管道和照明燈，實現(xiàn)與“國際空間站”其他加壓艙段相同的乘組活動環(huán)境；安裝有“國際空間站”標準有效載荷機柜和飛船補給機柜，為“國際空間站”乘員提供所需的飲用水和衣物等。

非加壓后勤貨艙。內裝暴露貨架，用于裝載非加壓有效載荷和“國際空間站”電池以及在軌更換裝置，承載能力1.4t。在“國際空間站”遙操作系統(tǒng)和飛船試驗模塊遙操作系統(tǒng)的控制下，通過手抓可以實現(xiàn)飛船與“國際空間站”的貨物轉移。

電子設備艙。內裝導航和電子系統(tǒng)，包括制導、導航與控制分系統(tǒng)部件，指令與數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)以及通信分系統(tǒng)，用于進行導航控制、通信和能源供給。電子設備艙表面安裝天線、敏感器等部件。飛船可以通過地面控制和自主控制兩種方式實現(xiàn)飛行控制。另外，電子設備艙負責給飛船的各個部分分配能源。

推進艙。位于飛船尾部，主要安裝有推進劑貯箱和發(fā)動機，提供自主飛行時的軌控、姿控推力。4個貯箱利用氦氣給主發(fā)動機和反作用控制系統(tǒng)推力器加注燃料。推進分系統(tǒng)采用高效的混合推進系統(tǒng)（NTO/MMH），可提供飛船全部飛行階段所需的各種功能和沖量。

2015年，日本文部科學省還公布了未來“H-2轉移飛行器”的改進方案，將改進型飛船命名為H-2轉移飛行器-X（HTV-X）。新型飛船將在保持現(xiàn)有運力的基礎上大幅減輕飛船質量，將推進艙和電子設備艙合并為服務艙，將貼在機身上的太陽能電池片改為太陽能電池翼，并將制造費用從目前的200億日元（約合1.66億美元）減少至100億日元（約合0.83億美元）左右。這種改進型“H-2轉移飛行器”有望應用于日本發(fā)往“國際空間站”的最后一艘飛船，未來還可能替換其貨運部分用于月球探測等任務。

6 結語

在當今世界主要航天國家的航天活動中，幾種貨運飛船爭奇斗艷，它們的作用也絕非僅僅是“運貨”這么簡單。目前，“國際空間站”已經明確要延壽至2024年，未來各國貨運飛船還將繼續(xù)承擔重任，大顯身手。值得注意的是，新興的商業(yè)航天公司以其嶄新的運行模式、設計理念、技術路線讓人耳目一新，也必將成為載人航天領域的主力軍。