货运飞船常被我们称作“快递小哥”,从地面上为空间站中的航天员送去物资。货运飞船不载人,它是不是载人航天器?货运飞船有哪几种?
货运飞船是载人航天的股肱之臣。没有它们,无论哪个国家的空间站都是无法维持的。有意思的是,如果我们详细回顾世界上主要飞船的历史渊源,会发现,载人飞船、货运飞船和空间站之间,并不是简单的空间对接关系,在技术和思路上有着很多的相通之处。
全球飞船阵营:七客六货
目前世界上一共有“联盟”MS、“神舟”“载人龙”这3种飞船正在承担载人飞行任务,另有美国洛·马公司的“猎户座”、波音公司的“星际线”和中国的新一代载人飞船在研。俄罗斯的“海鹰”飞船据说正在研制,但没有详细进度公布。另外,预定用于发射“海鹰”的“安加拉”火箭研制一直不顺利,很可能影响其发射进度。
从国际空间站上分离的联盟号飞船
星际线飞船飞行效果图
目前世界上一共有7种不同型号的货运飞船,分别是俄罗斯的“进步”,中国的“天舟”,美国的“天鹅座”、“货运龙”、“追梦者”飞船,日本的H2火箭转移飞行器(HTV),欧洲的自动转移飞行器(ATV)。不过“追梦者”还在研制中,“货运龙”、ATV和HTV刚刚停产不久。
天鹅座飞船正在靠近国际空间站
3种不同的设计思路
这些飞船采用了3种不同的设计思路。第一类货运飞船可以称之为纯货运飞船,也就是仅仅承担把物资从地面送到空间站的责任,然后充当垃圾清运车,返回大气层烧毁。第二类可以称之为多用途类,它们不仅仅要把物资送上空间站,还要在空间站上长期对接,充当一个临时的加压舱段,供航天员在里面工作、休息、生活,当然也可以充当仓库。第三类是可重复使用的飞船。
第一种飞船的代表就是俄罗斯的进步飞船,第二种的代表有中国的天舟飞船、美国的天鹅座飞船,还有ATV和HTV。第三种的代表是“载人龙”和“追梦者”。
日本HTV货运飞船抵达国际空间站
这几类飞船之间,并不是泾渭分明的。载人飞船一般都有客货混装的能力,“载人龙”和“星际线”还采用了可拆卸座椅的模式,平时拆掉3个座椅来提高货运能力。有的货运飞船是用载人飞船改造而来,最典型的就是进步飞船,它是在联盟飞船基础上去掉轨道舱以后研制的。
还有的货运型飞船是载人飞船的先导型号,为了突破飞船结构、返回与着陆等相关技术。当这些技术取得成功之后,再进一步突破与载人飞行相关的技术。货运龙飞船就是如此,也就是说,龙飞船与进步飞船的研制模式是相反的。从某种意义上说,货运龙飞船是一种载人飞船的简化型号,这种简化型号可以在同一套设计蓝图的基础上,形成两种不同用途的飞船,对工作量简化有着很重要的意义。追梦者飞船也试图采取这种发展路线,但尚未成功。ATV也曾经考虑改造成载人飞船,但型号中途下马。
有些货运飞船是全新独立研制的,它们从设计之初,就没有考虑过任何载人往返的功能,包括天舟、HTV和天鹅座飞船在内。它们不需要承担航天员进出大气层的责任,因此没有设置返回所需要的烧蚀材料层、降落伞系统、气动控制系统、反冲火箭着陆系统等等,真的就是“单程货运卡车”。部分设计师们一度考虑过,用这类飞船改造成天地往返型号,至少能够带回一些空间试验的样品,但都没有实现。这类任务,如今都是通过载人飞船客货混装实现的。
运货能力差别大
载人飞船一般都是客货混装的,不太方便比较运货能力,所以我们这里只比较了几种货运飞船的运货能力。货运飞船的尺寸差别很大,运货能力差别也很大。
我们可以发现一个比较有意思的事实,两类货运飞船的货物上行能力差异很大。进步飞船的货物总上行能力看起来差一些,但这主要是因为它的内部体积比较小,如果用单位空间载重力来衡量的话,它其实仅次于“货运龙”。这是什么原因呢?难道ATV、HTV都是没装满就上天了吗。
要知道,货运飞船并不是凭借自己的力量上天的,而是要依靠火箭。火箭运载能力的大小,实际上决定了货运飞船本身和货物加在一起的重量。天舟四号飞船用长征七号运载火箭发射,ATV用阿里安5火箭发射,HTV用H2火箭发射,货运龙飞船用猎鹰9火箭发射,这些火箭不同的运载能力以及飞船发射质量的差异,决定了飞船载货能力的大小。
厂房中的天舟四号飞船
对接方式不同
无论客货,上述飞船还可以进行另外一种分类,那就是可以自主对接的和没法自主对接、要靠机械臂抓到对接口上的。其中天舟、ATV、“进步”、“追梦者”属于第一种,其余属于第二种。这两种模式各有优缺点。可以自主交会对接的飞船,对接过程比较自由,不需要等待机械手的空闲时间,但是需要为它们设置雷达、光学敏感器、相应的姿轨控能力,成本比较高;不可以自主交会对接的型号就完全相反。如果今后的空间站大量配备机械臂,或许后一种飞船会更受青睐吧。
“追梦者”与航天飞机
都是载人航天器
无论货运飞船还是载人飞船,都属于载人航天器。这是因为,它们和空间站对接之后,内部环境是要打通的。航天员要穿着舱内航天服进入这两类飞船,去搬运货物或者执行操作。所以,即使是货运飞船,内部也要提供人类可以生存的环境,至少要确保气密性,不能成为空间站上的漏气部位。正因为如此,载人飞船、货运飞船、空间站舱段之间,有着技术上的互通性。随着载人航天活动的持续开展,或许人们能在这3类飞行器之间找到更多的共同点,这样,就能实现最大程度的材料、元器件、设计、工艺和流程通用化。这对降低成本、缩短周期、扩大产能,有着重要的意义。
本文原标题为《“船”行太空,客货两相宜》,载于《太空探索》杂志2022年第7期。
文/迟惑
编辑/杨斯爽
审核/穆檀
监制/姜军
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