“天鵝再展翅”——“天鵝座”貨運飛船復飛任務成功發射

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

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“天鵝再展翅”——“天鵝座”貨運飛船復飛任務成功發射

郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

Cygnus Cargo Spacecraft Returns to Flight Successfully

美國東部時間2015年12月6日16時44分，宇宙神－5（Atlas－5）火箭從卡納維拉爾角空軍基地發射，成功將軌道-阿連特技術系統公司（以下簡稱軌道-ATK公司）執行第4次“商業補給服務”合同任務（OA－4任務）的“天鵝座”（Cygnus）貨運飛船送入軌道。此次任務從發射開始就創造了多項紀錄：它是繼2014年10月第3艘“天鵝座”飛船發射失敗后，軌道-ATK公司的首次“國際空間站”貨運補給任務，也是首次由“宇宙神”火箭發射，還是首次升空的增強型“天鵝座”。

船箭分離后，飛船進入近地點234.1km、遠地點237.4km、傾角51.65°的軌道。之后依靠自身推力器調整軌道高度，于2015年12月9日與“國際空間站”交會，由站上航天員斯科特·凱利和謝爾·林德格列操縱機械臂捕獲飛船并?？?。此艘“天鵝座”飛船成為近8個月以來第一艘到站的美國貨運飛船，也是第一艘?？恐翀F結號節點艙天底對接口的貨運飛船?！疤禊Z座”飛船預計在站上?？?個月。

宇宙神－5火箭發射“天鵝座”飛船

1 任務背景

2006年1月，美國航空航天局（NASA）啟動“商業軌道運輸服務”（COTS）計劃，其直接目標是在航天飛機退役后為“國際空間站”尋求備選貨物運輸方案。同年，軌道科學公司（現已更名為軌道-ATK公司)和太空探索技術公司共同獲得“商業軌道運輸服務”合同。2008年12月，軌道科學公司和太空探索技術公司共同獲得NASA“商業補給服務”（CRS）合同，要在2012－2016年為“國際空間站”提供20次貨運服務。

2014年10月28日，軌道-ATK公司執行第3次“商業補給服務”合同任務的安塔瑞斯－130 （Antares－130）火箭從美國弗吉尼亞州中大西洋地區航天發射中心點火發射，但火箭在升空后6s發生爆炸，火箭落回發射臺時又引起了二次爆炸，火箭及其運載的“天鵝座”飛船隨即損毀。

2014年11月，NASA為獨立調查第3次“商業補給服務”合同任務事故原因而組建獨立審查團隊，對“安塔瑞斯”火箭發射之前、之中所收集到的遙測數據及捕捉到發射和失敗畫面的照片及視頻資料進行了詳細分析和審查?；诜治?，確定出“安塔瑞斯”火箭發射失利的直接原因是安裝在主發動機－1位置的AJ26火箭發動機內部發生爆炸。具體地說就是，E15液氧渦輪泵發生爆炸，隨后損毀了安裝在主發動機－2位置上的AJ26火箭發動機。爆炸導致發動機喪失推力，運載火箭落回并撞擊地面，從而導致船箭俱毀。獨立審查團隊確定出3個可信的技術性根本原因，其中的一個或若干個原因導致了E15起火和爆炸：①AJ26液氧液壓平衡組件和“安塔瑞斯”渦輪端軸承設計魯棒性不足；②E15液氧渦輪泵中有外物碎片；③E15液氧渦輪泵存在制造或其他工藝缺陷。

2 復飛任務情況

暫時使用美國主力火箭宇宙神－5

“安塔瑞斯”火箭爆炸后6周，軌道-ATK公司就與聯合發射聯盟公司敲定了購買第一枚宇宙神－5火箭的協議，2015年8月宣布采購第二枚火箭。聯合發射聯盟公司與軌道-ATK公司之間的財務條款并未對外披露。僅知道“宇宙神”火箭的單價超過1億美元。

火箭/飛船組合體結構示意圖

第4次“商業補給服務”合同任務合作伙伴及其職責

自2002年首飛以來，宇宙神－5火箭各型號共發射59次（在此次任務之前），全部成功，其中23次為美國國防部任務，12次為美國國家偵察局（NRO）任務，12次為NASA任務，另有12次為商業發射任務。OA－4任務是宇宙神－5火箭的第60次發射，代表聯合發射聯盟公司第一次執行“國際空間站”貨運發射任務。

標準型（左）和增強型（右）“天鵝座”飛船構型對比

增強型“天鵝座”飛船

升級為增強型“天鵝座”飛船

“天鵝座”飛船采用低風險設計，繼承了軌道-ATK公司及其合作伙伴經飛行驗證的航天器技術。飛船不具備返回能力，可裝載廢棄物再入大氣層燒毀。飛船包括加壓貨物艙和服務艙兩部分，分別由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和軌道-ATK公司建造。服務艙繼承了“低地球軌道星”（LEOStar）平臺和“地球靜止軌道星”（GEOStar）平臺的電子系統以及地球靜止軌道通信衛星的推進和電源系統。加壓貨物艙基于空間站多功能后勤艙設計，可裝載日常物資、備用部件和試驗設備等。

增強型“天鵝座”飛船參數

“天鵝座”飛船本身設計就兼容多種運載火箭。這種兼容能力讓軌道-ATK公司能夠在事故后較短時間內開展復飛任務，以響應NASA的空間站后勤要求。在此次任務中，“天鵝座”飛船升級了服務艙和加壓貨艙。升級型服務艙采用經過飛行驗證的電子設備和通信系統，并更換了新型太陽電池翼及優化的推進系統和結構。增強型加壓貨艙相較標準加壓貨艙，內部空間增加了約25%，貨運能力提升到3500kg以上，而此前最大能力為2300kg。

“天鵝座”飛船與整流罩

調整火箭飛行方案，盡最大可能在第一天發射

此前的“國際空間站”貨運任務發射窗口通常為“零窗口”或者不超過5～10min，因為“零窗口”是完成與近地目標（如“國際空間站”）交會任務的標準方式。這種方式的弊端就是極大限制了按時發射的可能性。針對此次任務，聯合發射聯盟公司和軌道-ATK公司團隊合作制定了任務方案，充分發揮“宇宙神”火箭設計的內在能力，密切配合“天鵝座”飛船交會飛行方案，將發射窗口擴展到30min。OA－4發射設計方法考慮了空間站在發射前不久變軌的可能性，包括常規軌道調整和臨時碎片規避。然而，盡管放寬了發射窗口，此次任務還是因天氣原因連續推遲3天。

向空間站運送站上乘員急需的有效載荷

此艘“天鵝座”飛船是近8個月以來第一艘到站的美國貨運飛船，因此攜帶了更多站上美國乘員急需的物品，包括將在第45和46批長期考察組期間使用的近250件科學研究和技術試驗設備。

此艘“天鵝座”飛船攜帶的科學有效載荷主要包括空間自動化生物制品實驗室（SABL）、填充床反應器實驗設備（PBRE）、固體燃燒和撲救-米利肯（BASS－M）等；攜帶的技術有效載荷主要包括Kaber衛星部署器和超集成衛星，以及17顆立方體衛星，其中包括12顆鴿群－2E對地觀測衛星。

此外，“天鵝座”飛船還運送了一些替換貨物，包括一套供NASA“伙伴”（Sidekick）項目使用的微軟全息眼鏡設備，美國艙外機動裝置的通用硬件和工具（一件新的艙外活動簡易救援裝置、航天服手套和電池、液冷通風服及工具包），要接入站上空氣供應網絡的高壓氮氣瓶和氧氣瓶。

OA－4“天鵝座”飛船主要貨物質量分配

3 結束語

事故發生后的1年多以來，軌道-ATK公司經歷了艱難的復原過程。作為一家專門為軍、商、政府客戶設計、制造和發射中小型空間系統和火箭系統的宇航企業，也曾在事故當天市值下跌2.66億美元，如今已經完成與軍工企業阿連特技術系統公司的合并。新公司將繼承兩家之長，為今后的發展注入新的活力。此次任務的成功發射有助于增強NASA的信心，穩固軌道-ATK公司在美國載人航天商業化進程中的地位。