“天舟”飞船即将造访“天和号”核心舱 ， 载货比世界第一
据报道 ， 中国空间站“天和号”核心舱很快将迎来首位客人 ， 我国将发射“天舟2号”货运飞船 ， 与“天和”核心舱实现对接 ， 为空间站提供货物运输 。
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日益广泛 。 为此 ， 各国先后研制了各种货运飞船 。 至今 ， 全世界已发射过约200艘货运飞船 。 今天 ， 我们约请全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩为大家介绍世界货运飞船的发展进程 。
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“天舟”货运飞船在轨飞行示意图 。
问：人货分运的专用货运飞船是怎样出现的？
答：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、寿命长和用途广的空间站 。 刚开始时 ， 苏美两国都是用人货混装的载人飞船为空间站提供少量补给 ， 每艘载人飞船一次只能为空间站运去几百千克的货物 ， 因而大大影响了空间站的运行寿命和站上航天员的在轨工作时间 。
【核心|“天舟”飞船即将造访“天和号”核心舱，载货比世界第一】随着苏联空间站的不断发展 ， 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 。 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 。 改装后的货运飞船称为“进步” ， 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“进步”系列货运飞船 ， 它们不仅运去货物 ， 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程度时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 。
俄罗斯还曾两次使用“进步”系列货运飞船试验人造月亮 。 该系列飞船在2001年“和平号”空间站寿终正寝的坠落中也发挥过重要作用 。 当时 ， 与“和平号”对接的“进步”系列货运飞船通过多次点火 ， 使“和平号”空间站的飞行速度不断降低 ， 最终成功地把“和平号”推离原运行轨道坠入大气层 ， 落到南太平洋某一区域 。
由此可见 ， 货运飞船的用途越来越广 。 因此 ， 现在有不少国家积极发展货运飞船 。
问：苏俄“进步”货用飞船经历了怎样的发展？
答：“进步”货运飞船是在“联盟”载人飞船基础上改进研制的 ， 即去掉了“联盟”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 。 它由货物舱、补给舱和服务舱组成 ， 总质量大约7吨 ， 运货质量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 ， 在“进步”飞船脱离空间站之前 ， 乘员可把空间站上垃圾转移到货物舱中 ， 再入大气层时随飞船一起烧毁 。
其补给舱取代了“联盟”飞船的返回舱 ， 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 ， 燃烧剂和氧化剂通过对接环上的液体连接器转移到空间站自身的推进系统中 。
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 ， “进步”飞船一共发射了43艘 ， 它们为“礼炮6号”“礼炮6号”空间站运送了大量的货物补给 ， 大大延长了这两座空间站的工作寿命和航天员的在轨时间 。
此后 ， 苏联/俄罗斯又对“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 。 在参与“国际空间站”项目后 ， 为进一步增强补给能力 ， 俄罗斯将“进步M”飞船改进为“进步M1” 。 2008年11月26日 ， 俄罗斯发射了新改进的“进步M-M” 。 近年 ， 俄罗斯又开始使用新改型的“进步 MS”货运飞船 ， 使飞船的总体性能进一步提高 。
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俄罗斯“进步M-M”货运飞船与“国际空间站”对接 。
问：欧洲的货用飞船有什么特点？
答：欧洲的货运飞船叫“自动转移飞行器” ， 运货能力可达7吨 ， 是迄今运载能力最大的货运飞船 ， 从2008年起到2014年共发射了5个 ， 现已退役 。
体积像双层巴士一样的“自动转移飞行器”有四类用途：向空间站运送补给物资；在货物卸载后 ， 可以用作空间站的附加活动室；提升“国际空间站”的轨道；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 。
“自动转移飞行器”由加压舱、推进舱和电子设备舱组成 ， 形状像个大圆筒 ， 全长10米 ， 最大直径为4.5米 ， 重量约10吨 。
在加压舱中可放补给品、科学硬件、食物等货物 ， 还能放置饮用水以及为空间站运送的推进剂和空气等液体罐和气体罐 。 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 ， 把液体、气体输入空间站的储存设备中 。
当货物卸载任务完成后 ， “自动转移飞行器”仍可作为一个实验区 ， 直到它离开空间站 。 其加压舱的最前端是俄罗斯制造的对接设备和用于交会的测量装置 ， 用于实现飞船同“国际空间站”的自动对接 。 因为里面通风风扇和空调设备的噪音低 ， 所以空间站乘员常睡在加压舱里面 ， 包括在里面用日常的湿毛巾和洗发精保持个人卫生 。
其主推进系统是4台490牛发动机 ， 姿态控制系统用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 。
“自动转移飞行器”外部装有4个太阳电池翼 ， 展开时呈X形 ， 跨度达到22.28米 ， 每个太阳电池翼的转动机构是各自独立的 ， 可以实现最佳对日定向 。
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 。
问：据说日本货运飞船擅运“大件” ， 这是怎么回事儿？
答：从2009年起 ， 日本先后向“国际空间站”发射了多个名叫“H-2转移飞行器”的货运飞船 。 其满载后总重16.5吨 ， 货物运载能力约为6吨 ， 现已退役 。
“H-2转移飞行器”也呈圆柱形结构 ， 由铝合金制成 ， 全长约10米 ， 直径约4.4米 ， 自重10.5吨,由加压货舱、非加压货舱、电子设备舱和推进舱4部分组成 。 货物补给装在加压货舱以及非加压货舱的暴露货架中；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 。
其特点是货物运输能力强 。 这是由于该飞船的舱门大 ， 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 。
另外 ， “H-2转移飞行器”还是唯一一种可向“国际空间站”运送加压与非加压货物的无人飞船 ， 包括安装在站外的外部实验和在轨更换装置 。
它与空间站对接采用“停靠”方式 ， 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 。 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 。
“H-2转移飞行器”有三大用途：为“国际空间站”运送维修所需的消耗品和补给物品；为航天员运送所需的食品、医疗用品、生活用水和饮用水；为日本以及参加“国际空间站”计划的其他国家运送实验所需的实验装置和实验材料 。
日本“H-2转移飞行器”飞向“国际空间站” 。
问：据说美国货运飞船都是由私营公司研制 ， 其中一款可以运回物品 ， 能否具体介绍一下？
答：与上述由政府投资研制的货运飞船不同 ， 美国有两家私营公司投资研制了两种商用货运飞船 ， 一种是美国太空探索技术公司研制的“载货龙”飞船 ， 另一种是美国轨道科学公司研制的“天鹅座”飞船 。 它们的最大特点是：由美国航空航天局选定的私营商业公司自行投资 ， 研制用于“国际空间站”天地往返运输的飞船和火箭 ， 然后美国航空航天局以“打的”的模式租用飞船 ， 把货物运往“国际空间站”内 ， 从而降低天地往返运输的费用 。
“载货龙”是目前所有货运飞船中唯一可以运回物品的 ， 这是因为该飞船带有热防护罩 ， 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 。
目前使用的第二代“载货龙”飞船是在“载人龙”飞船的基础上改进的 ， 有更大的运载能力 。 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 。 其运送载荷最大质量3吨多 ， 返回载荷最大质量2吨多 。 它采用降落伞水上溅落的回收方式；使用高性能热防护罩和侧壁热防护系统；与“国际空间站”的对接方式和日本的“H-2转移飞行器”一样 。
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 ， 此后正式投入使用 。 它由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 ， 减少研制周期 。
其加压货物舱是基于意大利“多用途增压后勤舱”研制的 ， 有两种构型 ， 其中改进构型长4.86米 ， 直径3.07米 ， 自重1.8吨 ， 加压容积27立方米 ， 载货质量2.5吨 ， 返回时可装载1.2吨垃圾 。
该飞船与“国际空间站”的对接方式和日本的“H-2转移飞行器”、美国第一代“载货龙”基本一样 。
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“天鹅座”货运飞船与“国际空间站”交会示意图 。
问：最后 ， 请详细介绍一下中国“天舟”货运飞船有什么特色优势？
答：我国曾在2017年发射过第一艘货运飞船“天舟1号” ， 它进行了试验性飞行 。 今年5月我国将发射“天舟2号” ， 进行业务性飞行 ， 为“天和号”核心舱送去货物 。
“天舟”由货物舱和推进舱组成 ， 其中货物舱用于放置各类货物、设备 ， 推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂 。 其长为10.6米 ， 最大直径约3.35米 ， 太阳电池翼展开后最大宽度14.9米 ， 整船最大装载状态下重量达13.5吨 。
它包括13个分系统 ， 综合采用了“天宫”的构型和“神舟”的一些技术 ， 上行货物运输能力为6.5吨,是目前世界现役货运飞船中最大的 。 其推进剂补加能力约为2吨 ， 具备独立飞行3个月的能力 。
该飞船能以最小的结构重量达到最大的装货能力 ， 货运载荷比高达48% ， 居世界第一 ， 所以可以少花钱、多办事 。
另外 ， “天舟”系列货运飞船还有一个特点 ， 就是采用了型谱化方案 ， 设计了全密封货物舱、半密封货物舱、全开放货物舱和推进舱4个模块 ， 形成全密封、半密封和全开放货运飞船3种型谱 ， 未来能满足空间站不同货物的运输需求 。
全密封货运飞船主要用于运输航天员消耗品、密封舱内设备与试验载荷；半密封货运飞船除了可以运输密封舱内货物外 ， 还可以满足包括太阳电池翼等舱外物资的运输需求；全开放货运飞船主要用于大型舱外货物的运输 。
由于采用了高效承载货架设计 ， “天舟”能够实现大的承载 。 这种货架和普通的书架类似 ， 但由于采用了先进材料和结构 ， 所以传力效果好 ， 结构与货物重量比达到8% ， 可保证“天舟”稳固地运送货物 。 为了运送许多精密的仪器设备和航天员用品 ， 还新设计了“软包装”方式来实现装载、运送 。
来源 北京日报客户端| 采访人员 王鸿良
编辑 蔡文清
流程编辑 刘伟利
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