據報道，中國空間站“天和號”核心艙很快將迎來首位客人，我國將發射“天舟2號”貨運飛船，與“天和”核心艙實現對接，為空間站提供貨物運輸。
隨着載人航天活動的不斷髮展，貨運飛船在載人航天領域的用途日益廣泛。為此，各國先後研製了各種貨運飛船。至今，全世界已發射過約200艘貨運飛船。今天，我們約請全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩為大家介紹世界貨運飛船的發展進程。
“天舟”貨運飛船在軌飛行示意圖。
問：人貨分運的專用貨運飛船是怎樣出現的？
答：貨運飛船是從載人飛船演變過來的。在20世紀70年代，蘇聯和美國開始發展體積大、壽命長和用途廣的空間站。剛開始時，蘇美兩國都是用人貨混裝的載人飛船為空間站提供少量補給，每艘載人飛船一次只能為空間站運去幾百千克的貨物，因而大大影響了空間站的運行壽命和站上航天員的在軌工作時間。
隨着蘇聯空間站的不斷髮展，對運貨量的要求也日益增加，於是蘇聯航天專家奇思妙想，從1978年開始把“聯盟號”載人飛船改裝成無人貨運飛船。實踐證明，這種人貨分開的運輸方式，既能增加貨物的運載量，又能降低成本，還很安全，可以説是蘇聯的一個創新。改裝後的貨運飛船稱為“進步”，每次飛行可為空間站送去2噸多物資。現在，俄羅斯每年向“國際空間站”發射“進步”系列貨運飛船，它們不僅運去貨物，還帶回大量的空間站垃圾，然後在再入大氣層時燒燬。
其實，貨運飛船還有許多其他用途。例如，由於空間站是在低地球軌道運行，會受到殘存大氣阻力的影響而逐漸降低軌道高度，所以在空間站軌道高度降低到一定程度時要提升它的軌道高度才行，而攜帶較多燃料的貨運飛船在空間站的軌道維持方面能發揮重要作用。
俄羅斯還曾兩次使用“進步”系列貨運飛船試驗人造月亮。該系列飛船在2001年“和平號”空間站壽終正寢的墜落中也發揮過重要作用。當時，與“和平號”對接的“進步”系列貨運飛船通過多次點火，使“和平號”空間站的飛行速度不斷降低，最終成功地把“和平號”推離原運行軌道墜入大氣層，落到南太平洋某一區域。
由此可見，貨運飛船的用途越來越廣。因此，現在有不少國家積極發展貨運飛船。
問：蘇俄“進步”貨用飛船經歷了怎樣的發展？
答：“進步”貨運飛船是在“聯盟”載人飛船基礎上改進研製的，即去掉了“聯盟”上的座椅、環境控制與生命保障、返回着陸和應急救生等與載人有關的系統，以便運送更多的貨物。它由貨物艙、補給艙和服務艙組成，總質量大約7噸，運貨質量2.3噸以上。其貨物艙構造與“聯盟”載人飛船軌道艙相似，可以裝貨物，當“進步”與空間站對接時，乘員進入貨物艙搬貨到空間站，在“進步”飛船脱離空間站之前，乘員可把空間站上垃圾轉移到貨物艙中，再入大氣層時隨飛船一起燒燬。
其補給艙取代了“聯盟”飛船的返回艙，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上的液體連接器轉移到空間站自身的推進系統中。
其服務艙與“聯盟”飛船的儀器/推進艙相同，用於貨運飛船與空間站的變軌對接、提高空間站的軌道高度。
第一艘“進步”貨運飛船是1978年1月20日升空的，飛往了“禮炮6號”空間站。1978—1990年期間，“進步”飛船一共發射了43艘，它們為“禮炮6號”“禮炮6號”空間站運送了大量的貨物補給，大大延長了這兩座空間站的工作壽命和航天員的在軌時間。
此後，蘇聯/俄羅斯又對“進步”貨運飛船進行了多次改型。1989年8月，在“進步”基礎上改進的“進步M”首次執行“和平號”空間站任務。在參與“國際空間站”項目後，為進一步增強補給能力，俄羅斯將“進步M”飛船改進為“進步M1”。2008年11月26日，俄羅斯發射了新改進的“進步M-M”。近年，俄羅斯又開始使用新改型的“進步 MS”貨運飛船，使飛船的總體性能進一步提高。
俄羅斯“進步M-M”貨運飛船與“國際空間站”對接。
問：歐洲的貨用飛船有什麼特點？
答：歐洲的貨運飛船叫“自動轉移飛行器”，運貨能力可達7噸，是迄今運載能力最大的貨運飛船，從2008年起到2014年共發射了5個，現已退役。
體積像雙層巴士一樣的“自動轉移飛行器”有四類用途：向空間站運送補給物資；在貨物卸載後，可以用作空間站的附加活動室；提升“國際空間站”的軌道；用作垃圾箱，把6.5噸空間站產生的廢棄物資帶回地球燒燬。
“自動轉移飛行器”由加壓艙、推進艙和電子設備艙組成，形狀像個大圓筒，全長10米，最大直徑為4.5米，重量約10噸。
在加壓艙中可放補給品、科學硬件、食物等貨物，還能放置飲用水以及為空間站運送的推進劑和空氣等液體罐和氣體罐。與空間站對接後，2名航天員穿上普通服裝就能進入飛船的加壓艙中把帶來的物資搬走,其中的液體罐和氣體罐與空間站的管道裝置連接，把液體、氣體輸入空間站的儲存設備中。
當貨物卸載任務完成後，“自動轉移飛行器”仍可作為一個實驗區，直到它離開空間站。其加壓艙的最前端是俄羅斯製造的對接設備和用於交會的測量裝置，用於實現飛船同“國際空間站”的自動對接。因為裏面通風風扇和空調設備的噪音低，所以空間站乘員常睡在加壓艙裏面，包括在裏面用日常的濕毛巾和洗髮精保持個人衞生。
其主推進系統是4台490牛發動機，姿態控制系統用28台220牛推進器。它們除在往返過程中使用外，還用於空間站的軌道維持、姿態控制、空間碎片規避機動。
電子設備艙是“自動轉移飛行器”的大腦，裝有計算機、陀螺儀、導航系統、控制系統和通信設備多個關鍵部件。其通信採用S頻段，通過GPS實施導航。
“自動轉移飛行器”外部裝有4個太陽電池翼，展開時呈X形，跨度達到22.28米，每個太陽電池翼的轉動機構是各自獨立的，可以實現最佳對日定向。
歐洲“自動轉移飛行器”（右）和“國際空間站”對接後航天員搬運貨物示意圖。
問：據説日本貨運飛船擅運“大件”，這是怎麼回事兒？
答：從2009年起，日本先後向“國際空間站”發射了多個名叫“H-2轉移飛行器”的貨運飛船。其滿載後總重16.5噸，貨物運載能力約為6噸，現已退役。
“H-2轉移飛行器”也呈圓柱形結構，由鋁合金製成，全長約10米，直徑約4.4米，自重10.5噸,由加壓貨艙、非加壓貨艙、電子設備艙和推進艙4部分組成。貨物補給裝在加壓貨艙以及非加壓貨艙的暴露貨架中；電子設備艙裝有電子設備、鋰電池和敏感器；推進艙內裝有4個推進劑貯箱、主推進裝置和反作用控制系統。
其特點是貨物運輸能力強。這是由於該飛船的艙門大，與空間站的接口各邊均加寬到約1.2米，所以可以搬運其他貨運飛船無法搬送的大型裝置。
另外，“H-2轉移飛行器”還是唯一一種可向“國際空間站”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。
它與空間站對接採用“停靠”方式，即當“H-2轉移飛行器”與空間站接近到10米距離時，兩相對速度接近零，“H-2轉移飛行器”不再被控制，而是呈自由飛行狀態，然後由空間站的機械臂將其捕獲與空間站對接。這種對接方式可減少飛船上對接系統的質量、成本和複雜性。
“H-2轉移飛行器”有三大用途：為“國際空間站”運送維修所需的消耗品和補給物品；為航天員運送所需的食品、醫療用品、生活用水和飲用水；為日本以及參加“國際空間站”計劃的其他國家運送實驗所需的實驗裝置和實驗材料。
日本“H-2轉移飛行器”飛向“國際空間站”。
問：據説美國貨運飛船都是由私營公司研製，其中一款可以運回物品，能否具體介紹一下？
答：與上述由政府投資研製的貨運飛船不同，美國有兩傢俬營公司投資研製了兩種商用貨運飛船，一種是美國太空探索技術公司研製的“載貨龍”飛船，另一種是美國軌道科學公司研製的“天鵝座”飛船。它們的最大特點是：由美國航空航天局選定的私營商業公司自行投資，研製用於“國際空間站”天地往返運輸的飛船和火箭，然後美國航空航天局以“打的”的模式租用飛船，把貨物運往“國際空間站”內，從而降低天地往返運輸的費用。
“載貨龍”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温安全降落，而其他飛船不具有熱防護罩，只能在再入大氣時燒燬。
目前使用的第二代“載貨龍”飛船是在“載人龍”飛船的基礎上改進的，有更大的運載能力。該飛船長5.9米，最大直徑3.6米，自重只有4.2噸，主要由前錐體、鈍角圓錐體彈道艙和非加壓段三部分組成。其運送載荷最大質量3噸多，返回載荷最大質量2噸多。它採用降落傘水上濺落的回收方式；使用高性能熱防護罩和側壁熱防護系統；與“國際空間站”的對接方式和日本的“H-2轉移飛行器”一樣。
美國軌道科學公司研製的“天鵝座”飛船於2013年9月18日進行了首次驗證飛行，此後正式投入使用。它由加壓貨物艙與通用服務艙組成，採用成熟技術，目的是降低成本、風險，減少研製週期。
其加壓貨物艙是基於意大利“多用途增壓後勤艙”研製的，有兩種構型，其中改進構型長4.86米，直徑3.07米，自重1.8噸，加壓容積27立方米，載貨質量2.5噸，返回時可裝載1.2噸垃圾。
該飛船與“國際空間站”的對接方式和日本的“H-2轉移飛行器”、美國第一代“載貨龍”基本一樣。
“天鵝座”貨運飛船與“國際空間站”交會示意圖。
問：最後，請詳細介紹一下中國“天舟”貨運飛船有什麼特色優勢？
答：我國曾在2017年發射過第一艘貨運飛船“天舟1號”，它進行了試驗性飛行。今年5月我國將發射“天舟2號”，進行業務性飛行，為“天和號”核心艙送去貨物。
“天舟”由貨物艙和推進艙組成，其中貨物艙用於放置各類貨物、設備，推進艙為貨運飛船提供電力能源、推進控制動力並裝載推進劑。其長為10.6米，最大直徑約3.35米，太陽電池翼展開後最大寬度14.9米，整船最大裝載狀態下重量達13.5噸。
它包括13個分系統，綜合採用了“天宮”的構型和“神舟”的一些技術，上行貨物運輸能力為6.5噸,是目前世界現役貨運飛船中最大的。其推進劑補加能力約為2噸，具備獨立飛行3個月的能力。
該飛船能以最小的結構重量達到最大的裝貨能力，貨運載荷比高達48%，居世界第一，所以可以少花錢、多辦事。
另外，“天舟”系列貨運飛船還有一個特點，就是採用了型譜化方案，設計了全密封貨物艙、半密封貨物艙、全開放貨物艙和推進艙4個模塊，形成全密封、半密封和全開放貨運飛船3種型譜，未來能滿足空間站不同貨物的運輸需求。
全密封貨運飛船主要用於運輸航天員消耗品、密封艙內設備與試驗載荷；半密封貨運飛船除了可以運輸密封艙內貨物外，還可以滿足包括太陽電池翼等艙外物資的運輸需求；全開放貨運飛船主要用於大型艙外貨物的運輸。
由於採用了高效承載貨架設計，“天舟”能夠實現大的承載。這種貨架和普通的書架類似，但由於採用了先進材料和結構，所以傳力效果好，結構與貨物重量比達到8%，可保證“天舟”穩固地運送貨物。為了運送許多精密的儀器設備和航天員用品，還新設計了“軟包裝”方式來實現裝載、運送。
來源：北京日報客户端 | 記者 王鴻良
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