国外货运飞船概 览

国外货运飞船概 览

Overview of Foreign Cargo Spacecraft

王霄 张蕊 郭筱曦 （北京空间科技信息研究所）

货运飞船是执行向地球大气层以外的宇宙空间运送货物等任务的航天器。货运飞船拥有较大的货舱体积，可比载人飞船携带更多的货物，主要用途是向地外空间定期补给食品、燃料、仪器设备等物资，协助提升空间站轨道等。货运飞船主要有一次性使用货运飞船和可重复使用货运飞船2种类型。

苏联/俄罗斯在“联盟”（Soyuz）载人飞船的基础上发展出了“进步”（Progress）系列货运飞船；美国的太空探索技术公司（SpaceX）和轨道-ATK公司分别研发了“龙”（Dragon）和“天鹅座”（Cygnus）货运飞船；欧洲研发了5艘“自动转移飞行器”（ATV）；日本研发了“H-2转移飞行器”（HTV）。

目前，国际上现役的货运飞船包括俄罗斯的进步 MS、日本的“H-2转移飞行器”、美国的“龙”和“天鹅座”。

截至2017年3月31日，全球共成功发射并入轨的货运航天器181个，分别为俄罗斯“进步”系列飞船、欧洲的“自动转移飞行器”、日本的“H-2转移飞行器”、美国的“龙”和“天鹅座”飞船，它们完成了对礼炮号（Salyut）空间站、和平号（Mir）空间站和“国际空间站”（lSS）的货物、人员补给以及轨道提升。

1 俄罗斯“进步”飞船—货运飞船领域的“长子”

概况

20世纪70年代，苏联和美国开始发展体积大、寿命长的空间站，起初两国都是使用人货混装的载人飞船为空间站提供少量补给。随着苏联空间站的不断发展，苏联航天专家将“联盟”载人飞船改装，去掉了载人飞船上的座椅、环控生保系统与应急救援等与载人有关的系统，成为“进步”货运飞船。

“进步”飞船是俄罗斯不可重复使用的货运航天器。首艘“进步”货运飞船于1978年1月20日由“联盟”火箭发射升空。此后，礼炮号空间站的研制方实验机械制造中央设计局（现俄罗斯科罗廖夫能源火箭航天集团）又研制并发射了进步 M和进步M1等型号的“进步”系列货运飞船。

“进步”飞船货物舱构造与“联盟”轨道舱相似，负责运送货物和装回垃圾，再入大气层时随飞船一起烧毁。补给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。服务舱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。

从礼炮-6空间站时期开始，“进步”飞船就为苏联空间站运送燃料和其他补给品，现在用于补给“国际空间站”，每年约有3～4艘“进步”飞船飞往“国际空间站”。每艘飞船与“国际空间站”保持对接直到下一艘“进步”或“联盟”到来的前几天，期间飞船被填满废物，之后解除对接、分离、离轨，再入大气层中烧毁。2015年12月升级为进步 MS型号继续执行“国际空间站”货运任务。“进步”系列货运飞船运送货物的成本为22000～25000美元/千克。

截至2017年3月31日，“进步”货运飞船共发射157艘，其中，进步 M-12M、进步 MS-04发射失败，进步 M-27M任务失败。对接故障发生过10次，其中1次对接失败（进步 M-33飞船与和平号空间站），其余9次故障中，有2次对接故障造成“进步”飞船与和平号空间站碰撞。

主要性能指标

“进步”货运飞船基于“联盟”载人飞船设计，采用三舱设计，包括货物舱、补给舱和服务舱。总质量大约7t，有效载荷质量2.3t以上。能够独立飞行30天，每年发射3～4次。

进步 M是“进步”原型飞船的改进型，设计特点为：采用新的服务舱，改进了飞行控制系统，并增大了运输能力。进步 M有1幅太阳电池翼，飞船可独立飞行30天。飞船采用新型对接系统，即“遥控操作交会单元”，该系统可由空间站内的航天员操作，控制飞向空间站的进步 M飞船。

进步 M1在进步 M的基础上特别为“国际空间站”进行了改进，增大了推进剂携带量，将水箱移入货物舱，将12个装有氮和氧的贮箱放置在飞船外部。其他改进方面包括采用数字飞控系统，用航向-MM（Kurs-MM）交会雷达系统取代之前的“航向”系统。除了向“国际空间站”运送货物和燃料，进步 M1还作为空间拖船，将退役的和平号空间站拖入地球大气层。

进步 M-M在进步 M1基础上进行了改进，主要设计特点如下：①为新型载人飞船联盟TMA-M更新系统进行飞行试验；②进一步改进“进步”货运飞船的性能，提高运输能力。进步 M-M装有现代化的TsVM-101数字飞行控制系统，并应用新的小型无线电遥测系统。这些更新不仅使飞行控制系统更快、更有效地运作，而且船上电子器件的总质量减少了75kg。

与进步 M-M飞船相比，现役的进步 MS飞船的升级细节包括：将乌克兰制造的带有馈线天线的量子-V无线电通信系统更换为新的“统一指挥遥测系统”（EKTS），结束了俄罗斯依赖乌克兰为其生产制造天线、馈线和通信电子产品的历史。另一个通信升级是在交会期间与空间站建立了一个接近通信链路，以使相对导航作为导航数据的额外来源。新飞船配备有GPS和GLONASS接收器，以确定准确时间，进行状态向量的计算和定轨，使得机动目标更精确，甚至飞船本身都不用再依赖雷达跟踪，雷达跟踪职能在通过地面站时进行。飞船控制系统、机载软件和通信系统上所做出的改进使得从模拟到数字视频传输能够实现，从而在近旁操作过程中改进视频质量。此外，现有的航向-A交会对接设备将升级为使用俄罗斯国产现代化电子元器件的航向-NA系统。

2 美国“龙”飞船—开启载人航天商业化新纪元

概况

与其他政府投资研制的民用货运飞船不同，美国的“龙”飞船是由太空探索技术公司研制并运营的商业轨道飞行器，有载货型和载人型两种构型。载货型“龙”飞船任务飞行方案多变并可作为重复使用航天器，装有防热罩和降落伞，任务结束后在洋面上溅落回收。

“龙”货运飞船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，而其他飞船只能在再入大气时烧毁。

“龙”飞船参数

“龙”货运飞船任务执行情况

2006年1月，美国航空航天局（NASA）启动“商业轨道运输服务”（COTS）计划，其直接目标是在航天飞机退役后为“国际空间站”寻求备选货物运输方案。同年，轨道-ATK公司和太空探索技术公司共同获得“商业轨道运输服务”合同，分别在3次发射机会之内演示验证“安塔瑞斯”（Antares）火箭/“天鹅座”飞船和猎鹰-9（Falcon-9）火箭/“龙”飞船进入太空、执行任务的能力。2008年12月，轨道-ATK公司和太空探索技术公司共同获得NASA“商业补给服务”（CRS）合同。这两家公司要在2012-2016年为“国际空间站”提供20次货运服务。

主要性能指标

“龙”货运飞船干质量4200kg，长6.1m，最大直径3.81m，运送载荷最大质量6000kg（但目前实际只载不到3000kg），返回载荷最大质量3000kg。“龙”飞船的最大特点是可重复使用，其所有结构和机构均设计为能够支持乘员运输，任务持续时间为1周至2年。该飞船主要由三部分组成：①头锥，在上升阶段起保护作用，内装对接机构；②钝角圆锥体弹道舱，一部分用于搭载乘员和/或加压货物，另一部分是服务舱，装有电子设备、反作用控制系统、降落伞和其他支持设备；③非加压段，用于存储非加压货物，如轨道替换单元，并保障太阳电池翼和散热器的正常工作。

载货型“龙”飞船装备有1 8台“天龙”（Draco）推力器，分为4组，其中2组各包含5台推力器，另外2组各包含4台推力器，每台推力器可提供400N推力，用于在轨机动、姿态控制和长时间离轨点火，燃烧时间可变，使用四氧化二氮/甲肼作为推进剂。“龙”飞船的反作用控制系统在所有轴上提供双冗余，任意2台推力器失灵都不会影响任务。“龙”飞船所用的防热罩由NASA设计、太空探索技术公司制造，材料为PICA-X，是在NASA原酚碳热烧蚀板（PICA）基础上研制而成的高性能产品。PICA-X设计承受月球任务返回时的热量，远超近地轨道返回再入的防热要求。

“龙”货运飞船对接机构为“国际空间站”通用停靠机构（CBM），采用空间站机械臂捕获方式，这种对接方式减少了航天器上对接系统的质量、成本和复杂性，提高了对接安全性。未来需要时，可支持低冲击对接系统和异体同构周边式对接系统（APAS）。交会对接敏感器采用名为“龙眼”（DragonEye）的激光成像与测距系统（LIDAR）。

“龙”货运飞船是首个从轨道返回地球的商业航天器，也是首个到访“国际空间站”的商业航天器。2010年12月8日，猎鹰-9火箭把第一艘“龙”飞船成功送上太空，并在绕地球轨道2圈后安全降落。2012年5月，太空探索技术公司用猎鹰-9火箭成功发射“龙”飞船，并与“国际空间站”对接，率先完成“商业轨道运输服务”的首次演示验证任务。2016年4月9日，“龙”飞船成功执行其第8次“商业补给服务”合同任务，即爆炸事故之后的复飞任务。

太空探索技术公司原计划于2017年首次执行载人航天任务，但由于2016年9月发射台爆炸事故，该计划被推迟到2018年，非载人演示发射仍按原计划于2017年进行。

“龙”货运飞船后续飞行计划

3 美国“天鹅座”飞船

概况

“天鹅座”飞船是由美国轨道-ATK公司研制的货运飞船，用于“国际空间站”货物补给。轨道-ATK公司与NASA的合作包括在“商业轨道运输服务”计划下完成“国际空间站”验证飞行，以及依据“商业补给服务”合同在2012-2016年利用“安塔瑞斯”火箭/“天鹅座”飞船向“国际空间站”运送质量达20t的货物。原计划发射8艘专用“天鹅座”飞船。

主要性能指标

“天鹅座”飞船采用低风险设计，继承了轨道-ATK公司及其合作伙伴经飞行验证的航天器技术。“天鹅座”飞船不具备返回能力，但类似俄罗斯“进步”货运飞船，可装载废弃物再入大气烧毁。

“天鹅座”飞船由通用服务舱和加压货舱组成。服务舱由轨道-ATK公司研制，继承了该公司的LEOStar和GEOStar卫星平台的电子系统，以及GEOStar通信卫星的推进和电源系统。加压货舱由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司（TAS）研制，基于“国际空间站”多功能后勤舱设计，可装载日常物资、备用部件、实验设备等。“天鹅座”飞船标准构型长2.66m，直径3.07m，干质量1500kg，加压容积18.9m3，载货质量2000kg（满载）；增强构型长4.86m，干质量1800kg，加压容积26.2m3，载货质量3500kg（满载）；两种构型返回时均可装载1200kg废物和站上不再需要的物品，再入大气层烧毁。

针对交会过程中的近距导航，飞船装备有“三角测量和激光雷达自动交会与对接”（TriDAR）系统，利用基于激光的三维传感器和热像仪收集目标点的三维数据，通过软件与目标航天器的已知外形进行对比，从而引导飞船飞向对接口。飞船由站上乘员使用站上机械臂捕获，并装有标准的通用停靠机构。

2013年9月18日，“天鹅座”飞船首次验证飞行任务成功发射，9月29日与空间站对接，10月22日脱离空间站并在再入大气层过程中烧毁，圆满结束此次验证任务。2014年1-2月，成功执行首次“商业补给服务”合同任务，使轨道-ATK公司成为继太空探索技术公司之后第二家向“国际空间站”发射常规货运飞船的商业公司。

4 欧洲“自动转移飞行器”—太空大力神

概况

“自动转移飞行器”是欧洲航天局（ESA）研制的一次性使用货运飞船，它是欧洲有史以来研制的最大航天器。货物运载能力可达7t，是迄今运载能力最大的货运飞船。

“自动转移飞行器”飞抵“国际空间站”并完成对接共需3天，也可在停泊轨道上停留8周后与“国际空间站”对接。“自动转移飞行器”在“国际空间站”停靠时间达6个月，期间可为“国际空间站”提升轨道高度，进行姿态控制和空间碎片规避机动。“自动转移飞行器”停靠在“国际空间站”期间，航天员能把其加压舱作为实验区使用。飞船离轨时带走空间站的废弃物，再入大气层烧毁。航天飞机退役后，“自动转移飞行器”成为“国际空间站”货运能力最大的航天器。由于未来可能发展成为载人航天器，因此，“自动转移飞行器”在设计时要求具有高性能，并满足严格的安全性要求。飞行控制的全自动操作、高度自主性以及严格的飞行安全性是“自动转移飞行器”的主要特点。截至目前，欧洲已成功发射5艘“自动转移飞行器”。

主要性能指标

“自动转移飞行器”为带有前、后锥段的圆柱体，长约10.3m、直径约4.5m，质量约10t，载货能力约7t。采用模块化设计，包括货运舱段和服务舱段。

货运舱段位于“自动转移飞行器”前部，由俄罗斯对接系统、加压舱和外舱组成。用于向“国际空间站”运送全部再供给有效载荷，其最大承载量为6.6t，可与“国际空间站”直接对接。货运舱段外部安装光学交会传感器、星跟踪器、测距器和S频段天线等仪器。加压舱符合NASA载人航天器规范要求，航天员可着便装在货物舱段内工作。

服务舱段位于“自动转移飞行器”尾部，为非加压舱，装有推进、姿控、电源、通信和大部分电子设备。“自动转移飞行器”对接机构采用俄罗斯的“杆-锥”式对接机构，对接方式采用自动控制交会对接方式，自主交会系统使用一系列敏感器进行精确导航和精确对接。在交会飞行阶段的远距离交会期间，“自动转移飞行器”应用GPS导航方式；在最终逼近期间，应用“视频仪”，以及来自无线电测向仪的附加数据，与“国际空间站”的俄罗斯星辰号（Zvezda）服务舱对接。“自动转移飞行器”交会飞行自主导航系统可使飞行器在脱离地面控制的情况下，实现自主交会对接与解除对接后的分离。为增强交会对接操作稳定性与灵活性，地面和“国际空间站”上的乘员可在必要时介入飞行控制。它共飞行了5次，现已退役。

“自动转移飞行器”任务的货物上行能力对比

“自动转移飞行器”任务执行表

早在2012年，ESA就宣布有意在自动转移飞行器-5任务后关闭“自动转移飞行器”生产线。随着“自动转移飞行器”系列接近尾声，ESA不得不在建造第6艘或开发新系统之间做出抉择，最终选择了面向未来的演进。在完成为“国际空间站”补给的使命之后，“自动转移飞行器”将迎来第二次生命，它与众不同的“X”形太阳电池翼并不会从航天史上消失。2013年1月，ESA与NASA共同决定正式就“猎户座”多用途乘员飞行器（MPCV）展开合作研制，由ESA为NASA的“猎户座”设计和建造服务舱，仍将是ESA对“国际空间站”合作伙伴关系的实物出资偿付方式。ESA此举是准备迎接载人航天的新挑战。这将是ESA与NASA在近地轨道以远乘员运输飞行器上的首次合作，不仅使欧洲航天工业可以继续利用“自动转移飞行器”的技术，还能极大精简NASA的研发和生产成本。同时，这个项目将在欧洲创造大量高技术就业机会。

2017年，欧洲服务舱将参与完成“猎户座”飞船与“航天发射系统”（SLS）的首次组合飞行，即首次“探索任务”（EM-1），它是一次无人月球飞掠任务，飞船将以11km/s的最高再入速度返回地球大气层。

“猎户座”欧洲服务舱将全面沿用“自动转移飞行器”的主体设计和多年研制过程中获取的专门技术，在乘员舱正下方，也有“自动转移飞行器”标志性的“X”形太阳电池翼。欧洲服务舱将向乘员舱提供四方面主要系统功能：推进、动力、热控和重要资源，如水和可呼吸的氧气。所有这些基本功能和其他一些组件与“自动转移飞行器”上所用的相同。欧洲服务舱还存放“猎户座”轨道转移、姿态控制和高空上升中止所需的主发动机、推力器和燃料。

5 日本“H-2转移飞行器” —交会对接方式独特

概况

“H-2转移飞行器”又名“鹤”，是日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）研制的一次性使用货运飞船，主承包商是三菱重工业公司，用于向“国际空间站”运送货物并携带空间站垃圾返回再入大气层烧毁。与其他货运飞船相比，“H-2转移飞行器”还是目前唯一一种可向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。

“H-2转移飞行器”主要完成3个目标：①实现日本在“国际空间站”项目中的作用；②验证日本的空间工程技术；③积累研制载人航天飞行系统的技术。

“H-2转移飞行器”还有独特的交会对接技术，与空间站对接采用“停靠”方式，即当其与空间站接近到10m距离时，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，与空间站对接口实现对接，此法比较安全。

截至2017年3月31日，已发射6艘“H-2转移飞行器”，6次任务全部成功。H-2转移飞行器-1于2009年9月10日首次执行“国际空间站”任务，验证了自动和手动控制飞行能力，并向“国际空间站”运送了4.5t货物补给。

主要性能指标

“H-2转移飞行器”呈圆柱形结构，由加压后勤货舱、非加压后勤货舱、电子设备舱和推进舱4部分组成。长10m、直径4.4m、质量16.5t，每次最多可向轨道运送6t补给物资。货物补给装在加压后勤货舱以及非加压后勤货舱的暴露货架中，“H-2转移飞行器”可根据货运任务需要选用加压型或加压/非加压混合型货舱结构。

加压后勤货舱。内有空气调节管道和照明灯，实现与“国际空间站”其他加压舱段相同的乘组活动环境；安装有“国际空间站”标准有效载荷机柜和飞船补给机柜，为“国际空间站”乘员提供所需的饮用水和衣物等。

非加压后勤货舱。内装暴露货架，用于装载非加压有效载荷和“国际空间站”电池以及在轨更换装置，承载能力1.4t。在“国际空间站”遥操作系统和飞船试验模块遥操作系统的控制下，通过手抓可以实现飞船与“国际空间站”的货物转移。

电子设备舱。内装导航和电子系统，包括制导、导航与控制分系统部件，指令与数据处理分系统以及通信分系统，用于进行导航控制、通信和能源供给。电子设备舱表面安装天线、敏感器等部件。飞船可以通过地面控制和自主控制两种方式实现飞行控制。另外，电子设备舱负责给飞船的各个部分分配能源。

推进舱。位于飞船尾部，主要安装有推进剂贮箱和发动机，提供自主飞行时的轨控、姿控推力。4个贮箱利用氦气给主发动机和反作用控制系统推力器加注燃料。推进分系统采用高效的混合推进系统（NTO/MMH），可提供飞船全部飞行阶段所需的各种功能和冲量。

2015年，日本文部科学省还公布了未来“H-2转移飞行器”的改进方案，将改进型飞船命名为H-2转移飞行器-X（HTV-X）。新型飞船将在保持现有运力的基础上大幅减轻飞船质量，将推进舱和电子设备舱合并为服务舱，将贴在机身上的太阳能电池片改为太阳能电池翼，并将制造费用从目前的200亿日元（约合1.66亿美元）减少至100亿日元（约合0.83亿美元）左右。这种改进型“H-2转移飞行器”有望应用于日本发往“国际空间站”的最后一艘飞船，未来还可能替换其货运部分用于月球探测等任务。

6 结语

在当今世界主要航天国家的航天活动中，几种货运飞船争奇斗艳，它们的作用也绝非仅仅是“运货”这么简单。目前，“国际空间站”已经明确要延寿至2024年，未来各国货运飞船还将继续承担重任，大显身手。值得注意的是，新兴的商业航天公司以其崭新的运行模式、设计理念、技术路线让人耳目一新，也必将成为载人航天领域的主力军。