“天鵝”展翅—“天鵝座”飛船成功執行首次正式合同任務

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

“天鵝”展翅—“天鵝座”飛船成功執行首次正式合同任務

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

2014年1月9日，執行美國軌道科學公司首次“商業補給服務”（CRS）合同任務（Orb－1）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭從美國弗吉尼亞州中大西洋地區航天發射中心點火升空，成功將“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船送入初始目標軌道。隨后，該飛船用自身推力器提升軌道，1月12日與“國際空間站”（ISS）交會，在站上航天員的控制下被加拿大機械臂－2捕獲，停靠至和諧號節點艙。此次任務中，“天鵝座”飛船共向“國際空間站”運送約1465kg貨物。在軌停靠37天后，飛船于2月18日離站，次日再入大氣層燒毀。

軌道科學公司董事長兼首席執行官戴維·湯普森稱，繼2013年成功執行驗證任務之后，此次正式貨運任務也圓滿完成，但對于“商業補給服務”合同開展來說這只是第一次任務。軌道科學公司將之后的兩次“天鵝座”任務也安排在2014年。

1 任務背景

此次任務規劃已久。根據與美國航空航天局（NASA）簽訂的“商業補給服務”合同，軌道科學公司要在2016年前向“國際空間站”發射8艘“天鵝座”貨運飛船，共運送約20t貨物，合同價值19億美元。

剛剛過去的2013年對于軌道科學公司是收獲頗豐的一年。盡管存在很多工程挑戰，“安塔瑞斯”運載火箭還是于2013年4月完成首次試射，成功將“天鵝座”質量模擬件送入軌道。同年9－10月，“天鵝座”首飛，成功執行“商業軌道運輸服務”（COTS）首次驗證任務（Orb-D）。盡管早期交會階段遭遇技術難點，但最終還是無瑕疵地停靠于“國際空間站”對接口，任務滿足所有要求，為軌道科學公司的“國際空間站”常規補給飛行掃清了障礙。

2 任務概況

“安塔瑞斯”火箭發射“天鵝座”飛船

此次任務幾經波折，原定于2013年12月發射，但12月“國際空間站”上的冷卻系統突發故障，站上乘員需要執行應急艙外活動更換故障組件，因此將發射推至1月。進入1月，嚴寒天氣和意外的太陽耀斑又數次推遲發射日期。在全面復查與空間輻射環境相關的數據、進一步審查和建模火箭電子系統并預測發射場地面天氣狀況之后，“安塔瑞斯”發射團隊決定在1月9日發射，并收尾所有遺留的發射前審查和測試工作。軌道科學公司工程團隊經與美國航空航天局磋商后確定，發射成功的風險在“安塔瑞斯”計劃之初確立的可接受范圍之內，發射任務最終在1月9日實施。

飛船目標初始軌道的軌道高度為近地點210km、遠地點298km，傾角為51.64°。實際任務中，火箭將飛船送入近地點219km、遠地點279km、傾角51.654°的初始軌道，在允許誤差范圍之內。飛船入軌后執行一系列檢查，隨后開始交會飛行。與“國際空間站”建立聯系后執行變軌機動，逐步提升軌道高度并使近地點和遠地點更加接近，且接近“國際空間站”所在軌道。

“天鵝座”入軌后由軌道科學公司位于杜勒斯的任務控制中心（MCC-D）監視和控制，并與美國航空航天局位于休斯頓的約翰遜航天中心任務控制中心（MCC-H）持續協同。日本飛控人員也通過其在站上的鄰近通信系統（PROX）提供飛船與“國際空間站”之間的近連續性指令和數據交換，以支持飛船的交會、停靠和離站操作。

2月17日，乘員開始緊固飛船內所有貨物，關閉燈光并移除照明器材、滅火器及其他設備。18日，“天鵝座”與“國際空間站”解除對接。19日，飛船在新西蘭以東太平洋上空再入大氣層。

3 運輸系統

軌道科學公司根據“商業軌道運輸服務”合同建造“安塔瑞斯”系列火箭和“天鵝座”飛船，用于驗證向“國際空間站”運送貨物的能力。隨著2013年10月驗證飛行任務成功，軌道科學公司現已進入“商業補給服務”計劃階段。

運載火箭

“安塔瑞斯”為兩級火箭，高40.5m，直徑3.9m，起飛質量約為284t。第一級使用液體燃料，由兩臺AJ－26發動機驅動。第二級是由阿連特技術系統公司（ATK）建造的固體燃料火箭發動機，可選用卡斯托－30A（Castor－30A）、30B、XL。

第二級發動機參數對比

“安塔瑞斯”的頭兩次任務，即首次試射和“天鵝座”首次驗證飛行任務均采用卡斯托－30A發動機，此次任務和之后的第2次任務則采用升級的卡斯托－30B，后續任務將采用加長型卡斯托－XL，以提高有效載荷能力并容納增強構型的“天鵝座”飛船。

貨運飛船

“天鵝座”飛船包括加壓貨物艙和服務艙，分別由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和軌道科學公司建造。此次飛行的“天鵝座”飛船標準構型長3.66m，直徑3.07m，飛船自身質量1500kg，加壓容積18.9m3，載貨質量2000kg（滿載）。返回時可裝載1200kg廢物和站上不再需要的物品。

針對交會過程中的近距導航，飛船裝有Neptec公司研制的“三角測量和激光雷達自動交會與對接”（TriDAR）系統，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標點的三維數據，通過軟件與目標航天器的已知外形進行對比，從而引導飛船飛向對接口。飛船由站上乘員使用站上機械臂捕獲，并具有標準的通用停靠機構。

4 任務亮點

此次任務中，“天鵝座”飛船共向“國際空間站”運送約1465kg貨物，其中991kg為一般貨物，475kg為后期裝載貨物（包含一些高時效要求的科學有效載荷和新鮮水果）。貨物包括有效載荷、補給物品、食物、系統硬件和乘員個人用品。技術有效載荷主要包括33顆立方體衛星及其釋放設備和SPHERES-Slosh試驗設備；科學有效載荷主要包括23臺學生設計的實驗設備及“天鵝座”首個通電有效載荷商業通用生物配制裝置（CGBA），用于研究失重狀態對蟻群活動的影響。

33顆立方體衛星及釋放設備

NanoRacks公司的立方體衛星釋放設備

28顆“鴿群”衛星

“鴿群”衛星展開圖

“天鵝座”飛船向“國際空間站”運送了美國NanoRacks公司的立方體衛星釋放設備及33顆立方體衛星，以利用日本實驗艙機械臂在軌建造釋放立方體衛星所用的基礎設施。釋放設備將用于從站上釋放小衛星進入獨立軌道，使其執行單獨任務。從“國際空間站”上釋放立方體衛星有眾多優勢。搭載到訪飛行器發射可以減輕發射過程中的振動和負載。此外，衛星可包裝以防護材料，從而顯著降低發射受損概率。衛星到達空間站后可執行釋放前的檢查，確保入軌前沒有任何損壞。

鴿群－1（Flock－1）是指由行星實驗室（Planet Labs）公司運營的28顆3U立方體衛星，以在軌驗證過的“鴿子”（Dove）立方體衛星為基礎構建衛星星座。該星座運行在高度386～644km、傾角52°的地球軌道上，將覆蓋地球上大部分農業區和人口聚居地，建成后將成為迄今世界上規模最大的對地觀測衛星星座，設計具有靈活性，每顆衛星的軟件都可重新編程。3U立方體衛星質量約為5kg，本體貼有太陽電池，另外還有兩個可展開的太陽電池翼。航天器內裝有貯能電池，向各個系統供電。姿態數據由三軸磁強計提供，實現三軸穩定。每顆衛星的主要有效載荷為一臺技術參數未知的光學望遠鏡，用于獲取低成本、高分辨率的地球圖像。光軸沿衛星中心軸方向以實現最大焦距。影像經由S頻段下傳，可為多種用途服務，如監視森林砍伐、自然災害、輸油管道泄漏等。

立陶宛衛星－1（LituanicaSat－1）和利特衛星－1（LitSat－1）均為1U立方體衛星，是立陶宛的首批衛星。前者由立陶宛考納斯技術大學研制，裝有一臺低分辨率視頻圖形陣列（VGA）相機、“全球定位系統”（GPS）接收機、遙測信標、超高頻連續波信標及一臺音頻轉發器。衛星在軌發送有效載荷和傳感器信息、圖像和3個立陶宛單詞。后者由立陶宛空間聯合會研制，其飛行計算機應用低成本開源硬件和軟件建造，衛星攜帶視頻圖形陣列相機、GPS接收機、線性轉發器和AX-25數據包無線電應答器各一臺。

“天空立方體”（SkyCube）衛星是由南星集團發起的眾籌項目，投資人由此獲得機會從太空中發送一條120字的消息或在指定位置拍攝照片。“天空立方體”是一顆質量為2kg的1U立方體衛星，具有可展開的太陽電池翼、4臺相機和通信天線，用于接收來自地球的消息并在預定時間發送。

秘魯阿拉斯大學衛星－1（UAPSat－1）是一顆由秘魯天主教大學射電天文學研究所建造的1U立方體衛星。該衛星利用體裝的太陽電池發電。衛星裝有微型計算機、無線電轉發器/接收器、電源控制模塊及由磁體構成的基礎姿態控制系統，使其對準地球磁場。衛星在軌發送遙測數據和內外部溫度傳感器讀數。

SPHERES-Slosh

阿德偉諾衛星－2（ArduSat－2）是一顆2U立方體衛星，在2013年11月從“國際空間站”上釋放的1U阿德偉諾衛星－1基礎上建造。該衛星由美國NanoSatisfi建造和運行，為學生和航天愛好者提供平臺，進行他們自己的天基開源硬件試驗。星載傳感器包括高級渲染傳感器、紅外溫度傳感器、印刷電路板溫度傳感器、三軸磁強計、蓋革計數器（用于測量放射性）、六自由度慣性測量單元（IMU）和微電子機械式陀螺儀。

SPHERES-Slosh試驗設備

SPHERES-Slosh應用空間站上已有的自由飛行“同步位置保持、接合、重定向試驗衛星”并加裝新的試驗設備，目的是考察微重力環境中液體在容器內如何晃動，演示施加的外力如何影響容器內的液體。該試驗模擬火箭燃料在貯箱內的晃動過程，深入了解工作過程可以改進衛星和其他航天器或火箭貯箱內的燃料晃動模型，從而通過提高燃料效率來降低工業成本。

“螞蟻進太空”

商業通用生物配制裝置（CGBA）科學嵌件針對不同用途提供可編程的溫度精確控制能力，用于進行細胞、微生物和植物實驗，可在“國際空間站”上提供自動化執行生物實驗的能力。此次“螞蟻實驗”設備是“國際空間站”上的第6臺商業通用生物配制裝置，將一群螞蟻送上太空，研究它們在微重力環境中的行為，并與地面行為進行對比，更好地了解群體智能可能有益于改善解決復雜問題的數學過程，如調度車輛、航線排班或遠程通信效率等。地面上的學生可以觀看由站上攝像頭記錄的實驗視頻。作為相關課程的一部分，學生還可在教室里與螞蟻進行互動。

太空講故事時間

這項科普活動所用的教具包括少兒讀物和在站上做簡單演示所用的材料。空間站上的航天員錄下他們講故事和做實驗的過程，以趣味性方式演示科學、技術、工程和數學領域的基礎概念。

此外，“天鵝座”飛船還運送了抗生素有效性實驗（NLPVaccine－21）、二元膠態合金試驗-動力學平臺（BCAT-KP）、固體燃燒和抑制實驗（BASS－2）等有效載荷。

5 結語

此次任務的成功具有里程碑式的意義，不僅是軌道科學公司首次正式的空間站“商業補給服務”合同任務，也使該公司成為繼太空探索技術（SpaceX）公司之后第2家向“國際空間站”發射常規貨運飛船的商業公司，填補了此前兩家公司之間的進度差距。SpaceX公司已于2012年5月完成“龍”飛船的首次驗證飛行，其后分別于2012年10月、2013年3月和2014年4月完成3次正式的合同補給任務。

至此，美國有了兩家完全成熟的私人承包商可為空間站提供補給，意味著美國結束了空間站補給工作的外包歷史，也意味著美國航天員和科學家有更多機會在太空中進行基礎研究和地面上難以實現的微重力試驗。除貨運飛行外，美國航空航天局的商業航天合作伙伴也在載人發射方面取得重大進展，力爭在3年內實現。美國航空航天局局長曾稱，商業航天工業將成為21世紀美國經濟增長的新引擎，幫助其實現更宏偉的深空探索任務。由于“國際空間站”運行壽命延長至2024年，因此可能需要向太空探索技術公司和軌道科學公司追加商業貨運訂單。