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太力航天資訊 | 各具特色的貨運飛船——各國貨船大揭秘
日期:2021-06-07 | 分類:航天資訊

貨運飛船是執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,協助提升空間站軌道等,包括航天員用過后的廢棄物、垃圾等,也都會由貨運飛船帶回來。在沒有貨運飛船之前,在軌空間基礎設施尚不完備,早期的空間站由于沒有燃料補給、人員缺少食品供給,運行壽命較短,不能實現人在太空的長期駐留。貨運飛船的出現,解決了這一問題,實現了人類長期在軌駐留、空間站長期運營的夢想。

目前,世界航天大國已相繼全面掌握了向大型空間基礎設施提供物資補給、加注燃料和提升空間站軌道的能力。從1978年蘇聯發射首艘貨運飛船至今,貨運飛船運載能力從2噸多發展到7噸多,可靠性不斷提高,艙內容積也有了較大提高,并從一次性使用向可重復使用方向發展。

截至2020年底,國外共成功發射并入軌的貨運航天器220個,分別為俄羅斯“進步”系列飛船、歐洲的“自動轉移飛行器”(ATV)、日本的“H2轉移飛行器”(HTV)、美國的“龍”和“天鵝座”飛船,它們完成了對禮炮號空間站、和平號空間站、國際空間站的貨物、人員補給以及軌道提升。目前,國外在役的貨運飛船包括俄羅斯的“進步MS”、日本的HTV、美國的“龍”和“天鵝座”飛船等4種型號,完成對世界上最大的在軌載人航天器——“國際空間站”(ISS)的補給、軌道提升。


(一)美國開創商業貨運飛船運輸補給先河
自2008年起,NASA向商業公司授予一系列商業補給服務合同,用于向“國際空間站”運送貨物和補給品。目前,共有SpaceX、軌道科學和內華達山脈3家公司獲得了該合同。已服役的貨運飛船是SpaceX公司“龍”飛船和軌道科學公司的“天鵝座”飛船,內華達山脈的“追夢者”尚未正式服役。

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“龍”飛船


美國于2012年和2013年先后發射了首艘“龍”和“天鵝座”商業貨運飛船,兩種型號均由私營公司設計、研制和運營,是NASA商業貨運和乘員運輸計劃下的產品。兩種飛船運載能力分別為6噸和2~2.7噸,采用全自主、空間站機械臂捕獲方式實現與空間站的交會對接。其中,“龍”飛船可攜帶貨物返回并在海上回收,成為世界上首艘可部分重復使用的貨運飛船。商業飛船的成功發射,開創了美國低地球軌道載人航天商業運輸先河,彌補了航天飛機退役后ISS貨物運輸的斷檔。

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“天鵝座”貨運飛船


(二)俄羅斯率先掌握成熟的貨運飛船技術
從1973年開始,禮炮號空間站的研制方TsKBEM(現俄羅斯S.P.科羅廖夫能源火箭航天集團公司)先后研制并發射了“進步”、“進步M”和“進步M1”三種型號的“進步”飛船。之前使用的“進步M-M”是“進步M”的子型號,于2008年首飛,10月1日發射了“進步M-M”型號最后一艘飛船——進步M-29M。2015年12月,俄羅斯發射了新型號“進步MS”的第一艘飛船——進步MS-01。相比上一型號,更換了飛船上的遙測系統、無線電通信系統和飛行控制系統,并配備了“全球定位系統”(GPS)和“全球導航衛星系統”(GLONASS)接收器;外部加裝立方體衛星部署機構,從進步MS系列第3艘飛船開始每次可攜帶24顆立方體衛星。飛船采用三艙設計,發射質量約7噸,貨艙容積6.6立方米,運載能力2.6噸(含1噸燃料),能夠獨立飛行30天,每年發射3~4次,完成向ISS運送貨物和燃料、運走廢棄物以及ISS的軌道維持任務。總體而言,俄羅斯的貨運飛船技術高度成熟,并具備每年多艘的生產制造與發射能力。
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“進步”號貨運飛船

(三)歐洲掌握貨運飛船高度自主和安全飛行技術


ATV于2008年首次發射,是歐洲航天局(ESA)研制的一次性使用貨運飛船,它是迄今運載能力最大的貨運飛船。ATV目前是除俄羅斯“進步”飛船以外,唯一能夠提供燃料補給、姿態控制和軌道提升的航天器,貨物運載能力約為7噸。ATV采用了模塊化設計技術、高精度導航和先進的自主控制技術,可在較少地面控制的情況下進行軌道機動、交會及與ISS的對接。

截至目前,歐洲航天局向“國際空間站”發射了5艘“自動轉移飛行器”(ATV),全面掌握了貨運飛船技術。ATV計劃現已終結,歐洲目前不具備獨立研制載人飛船的能力,將通過國際合作發展載人飛船技術。ATV退役之前,NASA與ESA達成協議,由ESA在ATV的基礎上為“獵戶座”第一次“探索任務”(EM-1)提供服務艙,稱為“歐洲服務艙”。

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“自動轉移飛行器”(ATV)


(四)日本貨運飛船采用模塊化設計,注重成本控制
HTV于2009年首次發射,是日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)研制的一次性使用貨運飛船,用于向ISS運送貨物并攜帶空間站垃圾返回再入大氣層燒毀,運載能力約6噸。HTV采用標準模塊和國際通用部件,突出了高可靠性和模塊化設計。HTV采用獨特的交會對接方式:ISS機械臂捕獲停靠對接方式。當HTV與ISS接近到10米距離時,兩相對速度接近零,HTV不再控制,呈自由飛行狀態,由ISS的機械臂將其捕獲對接,提高了對接安全性。

截至2020年底,日本已經向“國際空間站”發射9艘HTV貨運飛船,全面掌握了貨運飛船技術。HTV貨運飛船在2020年完成第9次任務后宣告退役。根據日本宇宙開發戰略本部在2020年公布的修改版《航天基本計劃》,日本將在2022年使用HTV-X飛船替代HTV飛船執行“國際空間站”貨物補給任務。HTV-X飛船將在保持現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并合并為服務艙,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。HTV-X未來還可能替換其貨運部分用于月球探測等任務。

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HTV貨運飛船
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太力與航天結緣

從神舟五號楊利偉上天開始,中國進入載人航天時代,有了第一代生命保障系統支撐,航天員的生活也應運產生了新的需求。而后的神舟每上天一次,都會在航天員的生活保障方面登上一個臺階。
而隨著駐留時間的變長,駐留人員人數的變化和增多,航天器搭載的環境控制與生命保障系統是突破航天員從短期在軌駐留,到長期駐留的關鍵所在。就在這時,太力產品被選中成為航天飛船殘留食品處理用品,從此與中國航天結下不解之緣。

新聞素材來源:
      “太空夢想”——《航天員》雜志官方公眾號,太力集團官方合作伙伴

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