航天员亲,您的快递到了!

作者:秦彧来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-04-18

各国空间站的最强后援团,航天大国们的货运飞船大观!压轴菜是咱们最新出炉的“天舟一号”哦!

  “天舟一号”货运飞船即将发射的消息,让一众中国航天粉很是兴奋。不少吃瓜群众却有点蒙圈:既然有了神舟载人飞船,为了给“天宫二号”送个“快递”,还用得着费劲研制“天舟一号”吗?

  其实,货运飞船这些太空快递员可不简单了,它们堪称是各国空间站的最强后援团。货运飞船既能给航天员送去饮水氧气食品等生活物资,补充空间站维持运行轨道高度所消耗的推进剂,也能递送空间站使用的仪器、设备和材料,运送建设、维修空间站的各种零部件。除了送货之外,货运飞船还能从空间站带走各种垃圾,安全负责地把空间站的科研产品送回地球。

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国际空间站需要大量物资支持运转,空间科研的产品以及各种弃物也必须及时运走。

图片来源:www.esa.int

  作为十项全能的太空运输专家,货运飞船的运载能力和运输成本也完爆载人飞船。更加重要的是,有了能干的无人驾驶货运飞船,航天员就不用承担辛苦而危险的太空送货工作了。只需时不时地收发个太空快递,人们就能在空间站愉快地长期工作生活下去。

  20世纪70年代,史上第一种“进步”号货运飞船在前苏联诞生。随着国际空间站的开建,货运飞船更是迎来了全盛时代,欧空局、日本和美国纷纷成为了货运飞船玩家。细细盘点各具特色的现役货运飞船,或许能让我们更好地了解自家的“天舟一号”。

 

  太空老字号:“进步”号货运飞船

  玩起空间站之后,海量的太空运输要求很快让前苏联的航天人有点吃不消。使用载人飞船送货不仅效率低下、成本高昂,还给航天员的生命安全带来了很大风险。纠结了几年之后,航天专家们突然福至心灵:不就是送个太空快递嘛,干嘛不搞个一次性无人货运飞船呢?

  作为货运飞船家族的开山怪,“进步”号完全以“联盟”号载人飞船为蓝本,大致就是去除了所有载人飞行相关设备的极简版“联盟”号。“进步”号飞船长度超过7米,发射重量超过7吨,由密封加压货舱、燃料舱和推进舱组成,拥有约2.5吨的低轨道太空货运能力。

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前苏联和俄罗斯的“进步”号系列飞船,堪称货运飞船的开山鼻祖。

图片来源:commons.wikimedia.org

  1978年1月20日,首艘“进步”号货运飞船发射升空,把史上第一单太空快递送上了“礼炮”6号空间站。到2016年底为止,“进步”号及其改型系列飞船共完成了155次太空飞行,其中只有3次失败记录。凭借这份霸气的成绩单,外观朴实的“进步”号铸就了不朽的航天传奇。

  现役“进步-M”系列货运飞船使用Probe-Cone接口与国际空间站自主对接,可以定期为空间站补给物资和燃料。在一次飞行任务中,它可以运输约1.7吨物资,或是为空间站注入约1.9吨火箭推进剂。卸货后的“进步”号用货舱带走空间站的垃圾,重返大气层化为一团熊熊烈火。(有点悲伤……)

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前方的“联盟”号载人飞船和后方的“进步”号货运飞船,同时与国际空间站对接,看起来如同双胞胎一般相似。

图片来源:www.nasa.gov

  由于体积和对接口的限制,“进步”号系列飞船的运载能力比起后来者已经相形见绌。服务过多个前苏联和俄罗斯空间站,为国际空间站立下汗马功劳的“进步”号,如今令人颇有廉颇老矣的感慨。

 

  欧洲大力士:欧空局的ATV

  加入国际空间站项目之后,欧洲小伙伴们分到了补充燃料和运输科研物料的任务,也要顺便送点清水氧气辣条火腿肠之类的小件。为了不辱使命,欧洲空间局组织研发了简称ATV的自动转移飞行器(Automated Transfer Vehicle)。

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欧空局研制的ATV-4 “阿尔伯特.爱因斯坦”号货运飞船。

图片来源:commons.wikimedia.org

  ATV是货运飞船中的巨无霸,长度超过10米,直径达到了4.5米,形如带着一个尖头的大圆筒。大如双层巴士的ATV,拥有傲视同侪的大型加压货舱和燃料舱,可以携带重达7.6吨的货物冲上太空。ATV也使用Probe-Cone接口与国际空间站完成自主对接,一次最多可以补给5.5吨物资,或是补充4.5吨火箭燃料。

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ATV-5与国际空间站对接的3D示意图。

图片来源:www.axmpaperspacescalemodels.com

  2008年3月9日, ATV-1飞船从法属圭亚那的库鲁航天发射场顺利升空,浪漫的法国人把科幻大师儒勒•凡尔纳的名字赋予了这艘飞船。ATV系列飞船设计优良,可惜ATV和发射它的阿丽亚娜火箭都很昂贵,完成一次发射的花费超过5亿美元。2015年2月15日,ATV-5为计划中的五次飞行任务画上了圆满的句号,欧空局“太空快递公司”也暂时停业。

 

  东瀛宅急送:“鹳”货运飞船

  根据本国运载火箭H-II的特点,日本宇宙航空研究开发机构量身定制了简称为HTV(H-II Transfer Vehicle)的货运飞船。2009年9月10日,首艘HTV-1从日本种子岛航天发射场升空。

  HTV也被称为“鹳”货运飞船,然而HTV 几乎就是一个长9.8米、直径4.4米的圆柱体,似乎叫“罐”飞船更加合适。满载货物的HTV重达16.5吨,可以一次派送6吨太空快递。

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遨游太空的日本HTV-1“鹳”货运飞船。

图片来源:commons.wikimedia.org

  HTV无法与国际空间站自动交会对接,必须先是靠泊在空间站10米之外,用空间站的机械臂抓取后再使用CBM接口对接。CBM接口是边长127厘米的圆角正方形,通过能力远超直径80厘米的圆形Probe-Cone接口,HTV因此可以运输国际空间站所需的大件物品。不过,没有Probe-Cone接口的HTV不能进行推进剂补给,因此只有一个加压货舱和一个运输空间站舱外设备的非加压货舱。

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国际空间站的机械臂正在抓取靠泊的HTV-6“鹳”货运飞船。

图片来源:www.nasa.gov

  已经发射的六艘“鹳”飞船都获得了成功,派送快递之余还进行了一些重要的科学实验。未来,HTV和它的改进版版货运飞船,还将一次次派送从地面到太空的单程快递。

 

  起大早,赶晚集:“龙”与“天鹅座”

  财大气粗的美国国家航空航天局(NASA)对货运飞船一直不太上心,然而在全部航天飞机退役之后,他们才如梦方醒地发现:美国既没有了能载人的航天器,也没有了能送货的飞船!一番谋划之后,NASA决定把送快递的粗活委托给私营航天公司,“龙”飞船和“天鹅座”飞船就此粉墨登场。

  美国太空探索技术公司(SpaceX)善于搞大新闻,他们的“龙”飞船知名度极高。其实,长度6.1米、最大直径3.7米的“龙”飞船相当小巧,飞船主体形如截去了尖端的子弹。“龙”飞船拥有一个加压舱和一个非加压舱,理论上可以运载6吨物资。

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SpaceX公司的“龙”货运飞船。

图片来源:commons.wikimedia.org

  “龙”飞船也是靠泊式对接的货运飞船,也无法为国际空间站加注推进剂。不过,“龙”飞船却开辟了别无分号的往返快递业务。它的密封货舱能够带上约3.3吨有效载荷再入大气层,使用减速降落伞平稳着陆,是当下唯一能够从国际空间站运回货物的飞船。

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成功回收的“龙”飞船返回舱。

图片来源:www.nasa.gov

  2012年5月22日,“龙”飞船以世界第一艘靠泊国际空间站的私营商业飞船永载史册。在一系列后继发射中,“龙”飞船和运载它的“猎鹰”9火箭多次仆街。不过SpaceX并没有从此缩手缩脚,正在积极研发载人和货运两个版本的 “龙”飞船2。

  在私营货运飞船市场上,美国轨道科学公司(ATK)的“天鹅座”飞船可以与“龙”飞船分庭抗礼。成本导向的“天鹅座”飞船和它的配套火箭使用了大量来自俄罗斯、乌克兰的廉价部件,外观简陋得像一个铁皮罐头,飞船内部也只有一个密封加压货舱。

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靠泊在国际空间站的第一艘“天鹅座“货运飞船。

图片来源:commons.wikimedia.org

  标准型“天鹅座”飞船有5.1米的长度和3.07米的直径,运载能力约为1.7吨。从第五次飞行任务开始,ATX简单粗暴地把飞船加长1.2米,推出了极限运载能力3.5吨的增强型“天鹅座”飞船。

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增强型“天鹅座”飞船正在接近国际空间站。

图片来源:www.nasa.gov

  2013年9月18日,第一艘“天鹅座”货运飞船顺利升空。“天鹅座”也是靠泊式货运飞船,因而同样不能为空间站补充推进剂。迄今为止,“天鹅座”飞船取得了七次发射六次成功的不错成绩,未来还将每年为国际空间站送两次快递。

 

  红色五星快递:“天舟一号”

  见识过五位个性十足的货运飞船前辈,各位蝌蚪看官是否对“天舟一号”更感兴趣了?运抵文昌航天发射中心等待发射升空的“天舟一号”,又究竟是一艘什么样的货运飞船呢?

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“天舟一号”货运飞船生产车间。

图片来源:中国航天科技集团微信

  即将于2017年4月20日左右发射升空的“天舟一号”,是我国自主研制的第一艘货运飞船。“天舟一号”以“天宫”系列航天器为蓝本设计,是一型一次性使用的全密封货运飞船。“天舟一号”的全长约10.6米,起飞质量达到了13吨,是我国目前体积最大、重量最重的航天器。如果与其他国家的现有货运飞船相比,“天舟一号”算得上是一位重量级选手。

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“天舟一号”货运飞船的太空飞行3D示意图。

图片来源:www.cmse.gov.cn

  “天舟一号”的外观像两个连接在一起的圆柱体,由前部直径3.35米的大型密封加压货舱,以及后部直径约2.8米的动力舱组成。它可以为“天宫二号”空间实验室运送消耗物品、推进剂、维修设备、维修器材和试验载荷设备,下行坠毁之前还能带走约6吨“天宫二号”产生的废弃物。“天舟一号”能够携带约6.5吨物资,其中包括2吨用于补给的火箭推进剂,运载能力相当于“神舟”载人飞船的20倍以上。由于设计优秀,“天舟一号”具备“薄皮大馅”的优点,有效载荷接近发射重量的48%,如此强悍的运载能力在货运飞船大家族中名列前茅。

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“天舟一号”货运飞船有着优越的载货比。

图片来源:中央电视台新闻频道截图

  作为中国货运飞船的开路先锋,“天舟一号”的主要任务是为后来者积累实践经验。在为期三个多月的太空飞行中,“天舟一号”将与“天宫二号”先后进行三次自主交会对接,其中包括第一次尝试的6小时自主快速交会对接。与“天宫二号”对接为组合体的飞行过程中,“天舟一号”还将完成三次“太空加油”,为“天宫二号”进行三次在轨推进剂加注。除此之外,“天舟一号”还搭载了N多科研设备,将在独自飞行期间完成一系列空间科学实验。

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“天舟一号”货运飞船与“天宫二号”空间实验室进行自主交会对接的3D示意图。

图片来源:www.cmse.gov.cn

  如果“天舟一号”的使命能够顺利完成,中国载人航天工程“三步走”战略就基本走完了“第二步”,中国将按计划开建自己的空间站。为了配合空间站的建设和运行,在设计研制“天舟”货运飞船的过程中,我国航天专家们采用了型谱化方案,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四个模块,"天舟一号"的接班人中将出现全密封、半密封和全开放三种型谱的货运飞船,成为更加强大贴心的全能太空快递专家。

  由于众所周知的政治原因,中国被排除在国际空间站项目之外,我们自己的空间站和货运飞船也姗姗来迟。如今,“天舟一号”货运飞船终于整装待发,中国航天事业也即将进入一个全新的时代。相信在不久的将来,安居“天宫”和空间站的中国航天员们,将会经常听到一句欢快的吆喝:亲,注意查收“天舟”送来的快递哟。

 

  参考资料:

1、 www.cmse.gov.cn

2、 www.nasa.gov

3、 www.esa.int

4、 http://tech.qianlong.com/2017/0410/1584655_6.shtml

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