日本第5个“H-2转移飞行器”成功抵达“国际空间站”

肖武平 （北京空间科技信息研究所）

2015年8月19日20：50：49（东京时间），日本H-2B火箭成功地将第5个 “H-2转移飞行器”（HTV－5）送入预定的轨道。HTV－5向“国际空间站”送去了饮用水、食物、日用品和实验器材等共计5.5t补给物资。它也是日本研制的最后一个“H-2转移飞行器”。

由于欧洲“自动转移飞行器”（ATV）在今年2月以后退役，目前负责给“国际空间站”运送物资的国家仅剩美国、俄罗斯和日本。俄、美两国货运飞船在今年早些的4月、6月相继发射失败，使得此次任务受到格外的关注。

1 HTV－5概要

为满足长期驻留在“国际空间站”的航天员正常生活和工作需要，以及维护和更新“国际空间站”内的系统和实验设备，参加“国际空间站”的主要国家定期发射为向“国际空间站”运送补给物资的飞船。日本根据签订的“国际空间站国际合作协议（1988年9月）”规定，承担物资运送分配义务，并研制了物资补给飞船—HTV。自2009年发射HTV－1以来，日本已向“国际空间站”发射了4艘HTV飞船，圆满完成飞行任务。

HTV－5原计划于2014年发射，但由于需要搭载的美国设备没按计划进度准备好等原因，才推迟至今年8月发射。欧洲的“自动转移飞行器”退役后，HTV成为“国际空间站”货运飞船中运载能力最强的货运飞船，增压舱和暴露舱总计可携带6t货物，并且可同时运载若干个“国际空间站”大型标准机柜和ISS舱外平台上使用的大型实验装置。

日本宇宙航空研究开发机构研制HTV－3时对硬件做了很大的改动，如以石川岛播磨重工业公司研制的主发动机取代了从美国采购的产品，脉冲转发器及双工器也改用日本电气公司研制的，进而实现了部件全部国产化。HTV的改造也基本完成，因此HTV－5仅针对装载货物的要求以及HTV－4发射和运用过程中发现的问题进行些细微改动。

尽管HTV货仓的容积一直没有改变，但是通过精确计算，合理码放，使HTV的货物搭载运送能力不断得到提升。HTV－5可搭载的货物转移袋（CTB）数量从HTV－1的208个提高到HTV－5的242个，运送能力增加了15%。此外，“速递”（临近发射的货物装载）能力也得到很大提升。普通货物在发射前4个月就需要将搭载货物预先装入货仓中，而“速递”运载包括需严格保证运送质量的生物系列的实验用试样、太空食品，以及应对“国际空间站”发生机械故障需紧急运送急需要更换的部件等，就是在发射前10天，乃至发射前80h都可紧急装载。

HTV－5的改动部分

此次HTV－5发射正值俄、美两国的货运飞船刚刚发射失败不久，所以“速递”运载方式显示出其必要。美国就请求日本紧急调整货物清单，利用HTV－5的“速递”优势能力帮助美国运载因上次发射失败而无法送递的货物，包括水再生系统部件等，共计210kg。HTV－5的“速递”搭载的货物转移袋数多达92个，单个货物转移袋最大质量也由HTV－3以前的20kg提升至50kg、体积则从100L提升至240L，达到世界最高水平。

2 发射及飞行计划

原计划HTV－5于2015年8月16日发射，但由于天气环境恶劣，为避免发射时遭雷击等影响，日本宇宙航空研究开发机构两次调整了发射计划，最终于8月19日20点50分成功完成发射。调整后，飞船于8月24日晚接近“国际空间站”，日本航天员操作机械臂夹持HTV－5完成停靠、对接，接着，完成一系列操作，包括航天员进入增压舱取出增压舱内堆放的物资、使用机械臂将暴露舱的物资码放到舱外平台内、将计划废弃的实验设备和各种废弃物装回货架上，然后，HTV－5与“国际空间站”分离和再入大气层等。

HTV－5发射及飞行计划

HTV－5的运用计划

续 表

3 执行的主要任务

物资运送任务

HTV－5向“国际空间站”共运送5.5t物资，其中4.5t装在增压舱内，1t装载在暴露舱内。增压舱内所有的物资均收纳到8个HTV补给机柜（HRR）中。HTV－5灵活地利用了增压舱的拱形空间，新设置了适合底部空间的机柜（HRR Type-D）。食品、系统用补给品、日用品和小型卫星均置于大小不同的各种货物转移袋内打包后装载于补给机柜内。为了最大限度地提高装载容积，在补给机柜的前部还会捆绑货物转移袋。暴露舱搭载的舱外物资是日本的高能电子、伽马射线观测装置（CALET）。增压舱物资中有4/5是美国航空航天局的物资，仅1/5是日本宇宙航空研究开发机构物资，包括食品、日用品、饮用水、实验相关设备和系统用补给品。

增压舱携带的物资

HTV－5增压舱内机柜搭载状况

舱内物资的搭载实例

机柜前面搭载货物转移袋的实例

搭载的主要设备

（1）系统补给物资

水再生系统用的组成部件：由于“龙”飞船发射失败，7月末美国航空航天局紧急请求日本使用HTV－5向“国际空间站”运送水再生系统所使用的组成部件，包括1套流体控制泵（FCPA，是具备将航天员尿液处理使之成为蒸馏水功能的尿液处理装置中的组成部件）、两个多层过滤网（WFB，是一种将尿液处理装置中生成的蒸馏水和ISS的空调设备回收的冷凝水处理，使之变为饮用水的处理装置的组成部件）。

舱内厨房机柜：含给水装置和食物加热装置（烤箱）等，将设置于节点1号舱的餐桌附近。

航天服高压气体推进装置（SAFER）：航天服高压气体推进装置具备使因错误指令等致使航天员被错误释放到舱外的情况下使航天员能够独自返回空间站内的小型推进装置，它安装于航天服后背上的生保装置下部，仅限紧急情况下使用。航天服高压气体推进装置上使用的是充满氮气的小型推进器，需（在达到使用寿命前）定期更换。

舱内各类物资的重量和体积占比

日本希望号实验舱舱外实验平台配电箱（FEPDB）: 希望号日本实验舱舱外实验平台配电箱是日本希望号实验舱舱外实验平台电力系统用的设备，HTV－5运送来的是备用件，作为故障时的替换件。

小动物饲养装置

静电悬浮炉

（2）与应用实验相关的设备

小动物饲养装置（MHU）：人等哺乳类动物长期在太空驻留会出现骨质疏松、肌肉萎缩和免疫力下降等“衰老现象”，太空是难得的可以观察到生物体加速“衰老现象”的环境。日本计划灵活地运用希望号，将其作为研究平台，利用小动物饲养装置进行饲养老鼠实验，为研究和掌握伴随时间增加生物体态变化情况做贡献；同时也为构建这一战略研究环境做贡献。小动物饲养装置能够同时饲养12只老鼠，饲养时间约30天，并设定在太空饲养过程中人造重力（1G）条件，并可研究和精密地比较微重力的影响，这也是首次在“国际空间站”上对哺乳类生物进行人造重力实验。

静电悬浮炉（ELF）：静电悬浮炉的一个显著特点是在微重力环境下即便不使用容器仍可固定液体位置使之处于一种非接触状态，因此可以高精度测量超过2000℃的高熔点材料在熔融状态下的物理特性；由于能够抑制容器出现核生成等现象，故可达到深度过冷却之目的，用其可探索新的实验；静电悬浮炉是世界上少数可以测量从金属到绝缘体的宽范围高温熔体物理特性并获取数据的实验装置之一。利用其特性可以取得目前尚未掌握的高温熔融体的物理特性数据，为未来改良材料制造工艺做出贡献。

多用途实验机柜-2（MSPR-2）：多用途实验机柜-2主要是一种可向实验器材提供电力和通信接口等资源，可提供与普通实验室有相近应用感觉的操作空间的多用途机柜，目前希望号内已经拥有一台这样的机柜—多用途实验机柜-1。静电悬浮炉就设置在多用途实验机柜-2的上部。

简易暴露实验装置（图左为实验试样，图右为正样）

HTV－5携带的立方体卫星

简易暴露实验装置（ExHAM）：简易暴露实验装置是不参与舱外活动，仅有效地利用气闸舱和机械臂进行科学暴露实验的装置。利用气闸舱和机械臂可以简洁且高频度地把实验材料放置到简易暴露实验装置内在舱外进行暴露实验，可在地面回收，用户可对回收后的试样进行分析。利用简易暴露实验装置的这一特点，向日本企业和大学提供实验机会，进行航天用新材料的品质和可靠性评价。HTV－5携带了简易暴露实验装置-2和计划在简易暴露实验装置上进行实验的试样，包括轻型高精度反射镜、太空环境对用于太阳帆的新型高性能薄膜影响评价用试样、暴露中空间环境下的PEEK材料等。

（3）立方体卫星

日本希望号实验舱是既有气闸舱，又有机械臂的舱段，也是“国际空间站”中唯一能够向太空释放超小型卫星的舱段。迄今，利用希望号实验舱不仅把日本的多颗立方体卫星，还把包括美国、越南、巴西、秘鲁和立陶宛等国家的88颗立方体卫星释放到运行轨道上。此次，HTV－5又携带了计划释放的两颗立方体卫星。

（4）暴露舱物资

目前，“暗物质”问题是物理界急需解决的问题之一。“暗物质”难以观测，是根据星系转动速度、重力透镜效应和对宇宙背景辐射的观测等推测出来的不发光的未知物质。根据观测得知，宇宙中可观测到的质量仅占5%，其余的95%都是无法观测的暗物质和暗能量。

要确认暗物质的存在就需要详细研究宇宙射线和高能伽马射线。此次，暴露舱将携带高能电子、伽马射线观测装置（CALET）。伽马射线观测装置用可视化技术精确观测高能宇宙射线，其搭载的检测器可以测定射线的种类、到来方向和能量。通过伽马射线观测装置可以了解高能宇宙辐射和伽马射线的起源及其加速机理；宇宙射线在星系内传播的机理以及通过观测高能电子、伽马射线了解暗物质的本质。

废弃物品

搭载废弃实验设备的暴露平台

HTV－5携带的观测装置

HTV－5返回时最多可搭载6t的废弃物，再入大气层过程中烧毁后废弃。目前，仅有HTV具备将“国际空间站”舱外物资带回在再入过程中烧毁废弃的功能。此次，HTV－5计划搭载美、日两国已在轨执行完任务的3种舱外实验设备：①希望号舱外平台上搭载的亚厘米波超导边缘放射器（SMILES）；②多任务共用实验装置（MCE）；③美国舱外实验装置（ELC-1）上搭载的执行气象观测等实验任务的空间试验计划-休斯顿4（STP-H4）。此次是HTV首次执行搭载多台舱外装置返回再入后废弃任务，因此在暴露平台上还设置了固定废弃设备用的固定装置。

有效地利用储备技术开展实验

“国际空间站”上配备了等离子接触单元（PCU），不仅可起到使空间站本体的电位与周边的等离子电位保持基本相同，且有将空间站的带电电位控制在安全范围的作用。航天员在进行舱外活动时，必须设法降低空间站与航天员间的电位差，空间站还必须与具备独自发电功能的航天器HTV等进行对接；等离子接触单元本身就具备降低空间站与之对接的航天器间的电位差的功能。

具备独自发电功能的航天器HTV在与“国际空间站”对接之前，要搞清楚HTV的电位有那些变化，以及HTV在驻留阶段对空间站的电位都有那些影响，这对确保空间站稳定运行极其重要，因此在HTV－4上搭载了表面电位传感器，进行了数据设计。

HTV－5有效地利用了上述这些储备技术，在表面电位传感器的基础上开发并搭载了发展型测量装置—空间环境测量装置（KASPER）。空间环境测量装置配备表面电位传感器外，还安装了两种测量装置：用于评估带电电位的等离子电流测量装置和监测轨道碎片撞击用的监测装置。

4 HTV的未来发展

根据日本宇宙开发战略本部在2015年公布的最新版《航天基本计划》，日本未来还将向“国际空间站”发射4艘HTV飞船。文部科学省8月20日公布了HTV的改良方针，按此方针HTV将在保持现有运送能力的基础上大幅减轻飞船的质量，并将制造费用从目前的200亿日元减少至100亿日元左右。这种改良型HTV有望应用于日本发往国际空间站的最后一艘飞船上，未来还可能替换其货运部分应用于月球着陆器等。