日本第5個(gè)“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”成功抵達(dá)“國(guó)際空間站”

肖武平 （北京空間科技信息研究所）

2015年8月19日20：50：49（東京時(shí)間），日本H-2B火箭成功地將第5個(gè) “H-2轉(zhuǎn)移飛行器”（HTV－5）送入預(yù)定的軌道。HTV－5向“國(guó)際空間站”送去了飲用水、食物、日用品和實(shí)驗(yàn)器材等共計(jì)5.5t補(bǔ)給物資。它也是日本研制的最后一個(gè)“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”。

由于歐洲“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”（ATV）在今年2月以后退役，目前負(fù)責(zé)給“國(guó)際空間站”運(yùn)送物資的國(guó)家僅剩美國(guó)、俄羅斯和日本。俄、美兩國(guó)貨運(yùn)飛船在今年早些的4月、6月相繼發(fā)射失敗，使得此次任務(wù)受到格外的關(guān)注。

1 HTV－5概要

為滿足長(zhǎng)期駐留在“國(guó)際空間站”的航天員正常生活和工作需要，以及維護(hù)和更新“國(guó)際空間站”內(nèi)的系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)設(shè)備，參加“國(guó)際空間站”的主要國(guó)家定期發(fā)射為向“國(guó)際空間站”運(yùn)送補(bǔ)給物資的飛船。日本根據(jù)簽訂的“國(guó)際空間站國(guó)際合作協(xié)議（1988年9月）”規(guī)定，承擔(dān)物資運(yùn)送分配義務(wù)，并研制了物資補(bǔ)給飛船—HTV。自2009年發(fā)射HTV－1以來(lái)，日本已向“國(guó)際空間站”發(fā)射了4艘HTV飛船，圓滿完成飛行任務(wù)。

HTV－5原計(jì)劃于2014年發(fā)射，但由于需要搭載的美國(guó)設(shè)備沒(méi)按計(jì)劃進(jìn)度準(zhǔn)備好等原因，才推遲至今年8月發(fā)射。歐洲的“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”退役后，HTV成為“國(guó)際空間站”貨運(yùn)飛船中運(yùn)載能力最強(qiáng)的貨運(yùn)飛船，增壓艙和暴露艙總計(jì)可攜帶6t貨物，并且可同時(shí)運(yùn)載若干個(gè)“國(guó)際空間站”大型標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和ISS艙外平臺(tái)上使用的大型實(shí)驗(yàn)裝置。

日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)研制HTV－3時(shí)對(duì)硬件做了很大的改動(dòng)，如以石川島播磨重工業(yè)公司研制的主發(fā)動(dòng)機(jī)取代了從美國(guó)采購(gòu)的產(chǎn)品，脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器及雙工器也改用日本電氣公司研制的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了部件全部國(guó)產(chǎn)化。HTV的改造也基本完成，因此HTV－5僅針對(duì)裝載貨物的要求以及HTV－4發(fā)射和運(yùn)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行些細(xì)微改動(dòng)。

盡管HTV貨倉(cāng)的容積一直沒(méi)有改變，但是通過(guò)精確計(jì)算，合理碼放，使HTV的貨物搭載運(yùn)送能力不斷得到提升。HTV－5可搭載的貨物轉(zhuǎn)移袋（CTB）數(shù)量從HTV－1的208個(gè)提高到HTV－5的242個(gè)，運(yùn)送能力增加了15%。此外，“速遞”（臨近發(fā)射的貨物裝載）能力也得到很大提升。普通貨物在發(fā)射前4個(gè)月就需要將搭載貨物預(yù)先裝入貨倉(cāng)中，而“速遞”運(yùn)載包括需嚴(yán)格保證運(yùn)送質(zhì)量的生物系列的實(shí)驗(yàn)用試樣、太空食品，以及應(yīng)對(duì)“國(guó)際空間站”發(fā)生機(jī)械故障需緊急運(yùn)送急需要更換的部件等，就是在發(fā)射前10天，乃至發(fā)射前80h都可緊急裝載。

HTV－5的改動(dòng)部分

此次HTV－5發(fā)射正值俄、美兩國(guó)的貨運(yùn)飛船剛剛發(fā)射失敗不久，所以“速遞”運(yùn)載方式顯示出其必要。美國(guó)就請(qǐng)求日本緊急調(diào)整貨物清單，利用HTV－5的“速遞”優(yōu)勢(shì)能力幫助美國(guó)運(yùn)載因上次發(fā)射失敗而無(wú)法送遞的貨物，包括水再生系統(tǒng)部件等，共計(jì)210kg。HTV－5的“速遞”搭載的貨物轉(zhuǎn)移袋數(shù)多達(dá)92個(gè)，單個(gè)貨物轉(zhuǎn)移袋最大質(zhì)量也由HTV－3以前的20kg提升至50kg、體積則從100L提升至240L，達(dá)到世界最高水平。

2 發(fā)射及飛行計(jì)劃

原計(jì)劃HTV－5于2015年8月16日發(fā)射，但由于天氣環(huán)境惡劣，為避免發(fā)射時(shí)遭雷擊等影響，日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)兩次調(diào)整了發(fā)射計(jì)劃，最終于8月19日20點(diǎn)50分成功完成發(fā)射。調(diào)整后，飛船于8月24日晚接近“國(guó)際空間站”，日本航天員操作機(jī)械臂夾持HTV－5完成停靠、對(duì)接，接著，完成一系列操作，包括航天員進(jìn)入增壓艙取出增壓艙內(nèi)堆放的物資、使用機(jī)械臂將暴露艙的物資碼放到艙外平臺(tái)內(nèi)、將計(jì)劃廢棄的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和各種廢棄物裝回貨架上，然后，HTV－5與“國(guó)際空間站”分離和再入大氣層等。

HTV－5發(fā)射及飛行計(jì)劃

HTV－5的運(yùn)用計(jì)劃

續(xù) 表

3 執(zhí)行的主要任務(wù)

物資運(yùn)送任務(wù)

HTV－5向“國(guó)際空間站”共運(yùn)送5.5t物資，其中4.5t裝在增壓艙內(nèi)，1t裝載在暴露艙內(nèi)。增壓艙內(nèi)所有的物資均收納到8個(gè)HTV補(bǔ)給機(jī)柜（HRR）中。HTV－5靈活地利用了增壓艙的拱形空間，新設(shè)置了適合底部空間的機(jī)柜（HRR Type-D）。食品、系統(tǒng)用補(bǔ)給品、日用品和小型衛(wèi)星均置于大小不同的各種貨物轉(zhuǎn)移袋內(nèi)打包后裝載于補(bǔ)給機(jī)柜內(nèi)。為了最大限度地提高裝載容積，在補(bǔ)給機(jī)柜的前部還會(huì)捆綁貨物轉(zhuǎn)移袋。暴露艙搭載的艙外物資是日本的高能電子、伽馬射線觀測(cè)裝置（CALET）。增壓艙物資中有4/5是美國(guó)航空航天局的物資，僅1/5是日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)物資，包括食品、日用品、飲用水、實(shí)驗(yàn)相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)用補(bǔ)給品。

增壓艙攜帶的物資

HTV－5增壓艙內(nèi)機(jī)柜搭載狀況

艙內(nèi)物資的搭載實(shí)例

機(jī)柜前面搭載貨物轉(zhuǎn)移袋的實(shí)例

搭載的主要設(shè)備

（1）系統(tǒng)補(bǔ)給物資

水再生系統(tǒng)用的組成部件：由于“龍”飛船發(fā)射失敗，7月末美國(guó)航空航天局緊急請(qǐng)求日本使用HTV－5向“國(guó)際空間站”運(yùn)送水再生系統(tǒng)所使用的組成部件，包括1套流體控制泵（FCPA，是具備將航天員尿液處理使之成為蒸餾水功能的尿液處理裝置中的組成部件）、兩個(gè)多層過(guò)濾網(wǎng)（WFB，是一種將尿液處理裝置中生成的蒸餾水和ISS的空調(diào)設(shè)備回收的冷凝水處理，使之變?yōu)轱嬘盟奶幚硌b置的組成部件）。

艙內(nèi)廚房機(jī)柜：含給水裝置和食物加熱裝置（烤箱）等，將設(shè)置于節(jié)點(diǎn)1號(hào)艙的餐桌附近。

航天服高壓氣體推進(jìn)裝置（SAFER）：航天服高壓氣體推進(jìn)裝置具備使因錯(cuò)誤指令等致使航天員被錯(cuò)誤釋放到艙外的情況下使航天員能夠獨(dú)自返回空間站內(nèi)的小型推進(jìn)裝置，它安裝于航天服后背上的生保裝置下部，僅限緊急情況下使用。航天服高壓氣體推進(jìn)裝置上使用的是充滿氮?dú)獾男⌒屯七M(jìn)器，需（在達(dá)到使用壽命前）定期更換。

艙內(nèi)各類(lèi)物資的重量和體積占比

日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配電箱（FEPDB）: 希望號(hào)日本實(shí)驗(yàn)艙艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配電箱是日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙艙外實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電力系統(tǒng)用的設(shè)備，HTV－5運(yùn)送來(lái)的是備用件，作為故障時(shí)的替換件。

小動(dòng)物飼養(yǎng)裝置

靜電懸浮爐

（2）與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)相關(guān)的設(shè)備

小動(dòng)物飼養(yǎng)裝置（MHU）：人等哺乳類(lèi)動(dòng)物長(zhǎng)期在太空駐留會(huì)出現(xiàn)骨質(zhì)疏松、肌肉萎縮和免疫力下降等“衰老現(xiàn)象”，太空是難得的可以觀察到生物體加速“衰老現(xiàn)象”的環(huán)境。日本計(jì)劃靈活地運(yùn)用希望號(hào)，將其作為研究平臺(tái)，利用小動(dòng)物飼養(yǎng)裝置進(jìn)行飼養(yǎng)老鼠實(shí)驗(yàn)，為研究和掌握伴隨時(shí)間增加生物體態(tài)變化情況做貢獻(xiàn)；同時(shí)也為構(gòu)建這一戰(zhàn)略研究環(huán)境做貢獻(xiàn)。小動(dòng)物飼養(yǎng)裝置能夠同時(shí)飼養(yǎng)12只老鼠，飼養(yǎng)時(shí)間約30天，并設(shè)定在太空飼養(yǎng)過(guò)程中人造重力（1G）條件，并可研究和精密地比較微重力的影響，這也是首次在“國(guó)際空間站”上對(duì)哺乳類(lèi)生物進(jìn)行人造重力實(shí)驗(yàn)。

靜電懸浮爐（ELF）：靜電懸浮爐的一個(gè)顯著特點(diǎn)是在微重力環(huán)境下即便不使用容器仍可固定液體位置使之處于一種非接觸狀態(tài)，因此可以高精度測(cè)量超過(guò)2000℃的高熔點(diǎn)材料在熔融狀態(tài)下的物理特性；由于能夠抑制容器出現(xiàn)核生成等現(xiàn)象，故可達(dá)到深度過(guò)冷卻之目的，用其可探索新的實(shí)驗(yàn)；靜電懸浮爐是世界上少數(shù)可以測(cè)量從金屬到絕緣體的寬范圍高溫熔體物理特性并獲取數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)裝置之一。利用其特性可以取得目前尚未掌握的高溫熔融體的物理特性數(shù)據(jù)，為未來(lái)改良材料制造工藝做出貢獻(xiàn)。

多用途實(shí)驗(yàn)機(jī)柜-2（MSPR-2）：多用途實(shí)驗(yàn)機(jī)柜-2主要是一種可向?qū)嶒?yàn)器材提供電力和通信接口等資源，可提供與普通實(shí)驗(yàn)室有相近應(yīng)用感覺(jué)的操作空間的多用途機(jī)柜，目前希望號(hào)內(nèi)已經(jīng)擁有一臺(tái)這樣的機(jī)柜—多用途實(shí)驗(yàn)機(jī)柜-1。靜電懸浮爐就設(shè)置在多用途實(shí)驗(yàn)機(jī)柜-2的上部。

簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置（圖左為實(shí)驗(yàn)試樣，圖右為正樣）

HTV－5攜帶的立方體衛(wèi)星

簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置（ExHAM）：簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置是不參與艙外活動(dòng)，僅有效地利用氣閘艙和機(jī)械臂進(jìn)行科學(xué)暴露實(shí)驗(yàn)的裝置。利用氣閘艙和機(jī)械臂可以簡(jiǎn)潔且高頻度地把實(shí)驗(yàn)材料放置到簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)在艙外進(jìn)行暴露實(shí)驗(yàn)，可在地面回收，用戶可對(duì)回收后的試樣進(jìn)行分析。利用簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置的這一特點(diǎn)，向日本企業(yè)和大學(xué)提供實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，進(jìn)行航天用新材料的品質(zhì)和可靠性評(píng)價(jià)。HTV－5攜帶了簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置-2和計(jì)劃在簡(jiǎn)易暴露實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的試樣，包括輕型高精度反射鏡、太空環(huán)境對(duì)用于太陽(yáng)帆的新型高性能薄膜影響評(píng)價(jià)用試樣、暴露中空間環(huán)境下的PEEK材料等。

（3）立方體衛(wèi)星

日本希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙是既有氣閘艙，又有機(jī)械臂的艙段，也是“國(guó)際空間站”中唯一能夠向太空釋放超小型衛(wèi)星的艙段。迄今，利用希望號(hào)實(shí)驗(yàn)艙不僅把日本的多顆立方體衛(wèi)星，還把包括美國(guó)、越南、巴西、秘魯和立陶宛等國(guó)家的88顆立方體衛(wèi)星釋放到運(yùn)行軌道上。此次，HTV－5又?jǐn)y帶了計(jì)劃釋放的兩顆立方體衛(wèi)星。

（4）暴露艙物資

目前，“暗物質(zhì)”問(wèn)題是物理界急需解決的問(wèn)題之一。“暗物質(zhì)”難以觀測(cè)，是根據(jù)星系轉(zhuǎn)動(dòng)速度、重力透鏡效應(yīng)和對(duì)宇宙背景輻射的觀測(cè)等推測(cè)出來(lái)的不發(fā)光的未知物質(zhì)。根據(jù)觀測(cè)得知，宇宙中可觀測(cè)到的質(zhì)量?jī)H占5%，其余的95%都是無(wú)法觀測(cè)的暗物質(zhì)和暗能量。

要確認(rèn)暗物質(zhì)的存在就需要詳細(xì)研究宇宙射線和高能伽馬射線。此次，暴露艙將攜帶高能電子、伽馬射線觀測(cè)裝置（CALET）。伽馬射線觀測(cè)裝置用可視化技術(shù)精確觀測(cè)高能宇宙射線，其搭載的檢測(cè)器可以測(cè)定射線的種類(lèi)、到來(lái)方向和能量。通過(guò)伽馬射線觀測(cè)裝置可以了解高能宇宙輻射和伽馬射線的起源及其加速機(jī)理；宇宙射線在星系內(nèi)傳播的機(jī)理以及通過(guò)觀測(cè)高能電子、伽馬射線了解暗物質(zhì)的本質(zhì)。

廢棄物品

搭載廢棄實(shí)驗(yàn)設(shè)備的暴露平臺(tái)

HTV－5攜帶的觀測(cè)裝置

HTV－5返回時(shí)最多可搭載6t的廢棄物，再入大氣層過(guò)程中燒毀后廢棄。目前，僅有HTV具備將“國(guó)際空間站”艙外物資帶回在再入過(guò)程中燒毀廢棄的功能。此次，HTV－5計(jì)劃搭載美、日兩國(guó)已在軌執(zhí)行完任務(wù)的3種艙外實(shí)驗(yàn)設(shè)備：①希望號(hào)艙外平臺(tái)上搭載的亞厘米波超導(dǎo)邊緣放射器（SMILES）；②多任務(wù)共用實(shí)驗(yàn)裝置（MCE）；③美國(guó)艙外實(shí)驗(yàn)裝置（ELC-1）上搭載的執(zhí)行氣象觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)任務(wù)的空間試驗(yàn)計(jì)劃-休斯頓4（STP-H4）。此次是HTV首次執(zhí)行搭載多臺(tái)艙外裝置返回再入后廢棄任務(wù)，因此在暴露平臺(tái)上還設(shè)置了固定廢棄設(shè)備用的固定裝置。

有效地利用儲(chǔ)備技術(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)

“國(guó)際空間站”上配備了等離子接觸單元（PCU），不僅可起到使空間站本體的電位與周邊的等離子電位保持基本相同，且有將空間站的帶電電位控制在安全范圍的作用。航天員在進(jìn)行艙外活動(dòng)時(shí)，必須設(shè)法降低空間站與航天員間的電位差，空間站還必須與具備獨(dú)自發(fā)電功能的航天器HTV等進(jìn)行對(duì)接；等離子接觸單元本身就具備降低空間站與之對(duì)接的航天器間的電位差的功能。

具備獨(dú)自發(fā)電功能的航天器HTV在與“國(guó)際空間站”對(duì)接之前，要搞清楚HTV的電位有那些變化，以及HTV在駐留階段對(duì)空間站的電位都有那些影響，這對(duì)確保空間站穩(wěn)定運(yùn)行極其重要，因此在HTV－4上搭載了表面電位傳感器，進(jìn)行了數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。

HTV－5有效地利用了上述這些儲(chǔ)備技術(shù)，在表面電位傳感器的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)并搭載了發(fā)展型測(cè)量裝置—空間環(huán)境測(cè)量裝置（KASPER）。空間環(huán)境測(cè)量裝置配備表面電位傳感器外，還安裝了兩種測(cè)量裝置：用于評(píng)估帶電電位的等離子電流測(cè)量裝置和監(jiān)測(cè)軌道碎片撞擊用的監(jiān)測(cè)裝置。

4 HTV的未來(lái)發(fā)展

根據(jù)日本宇宙開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略本部在2015年公布的最新版《航天基本計(jì)劃》，日本未來(lái)還將向“國(guó)際空間站”發(fā)射4艘HTV飛船。文部科學(xué)省8月20日公布了HTV的改良方針，按此方針HTV將在保持現(xiàn)有運(yùn)送能力的基礎(chǔ)上大幅減輕飛船的質(zhì)量，并將制造費(fèi)用從目前的200億日元減少至100億日元左右。這種改良型HTV有望應(yīng)用于日本發(fā)往國(guó)際空間站的最后一艘飛船上，未來(lái)還可能替換其貨運(yùn)部分應(yīng)用于月球著陸器等。