太空快遞

劉進軍

太空運輸

太空運輸，是為空間站、飛船、衛星、月球、火星、小行星等航天器和星球，以及載人飛行的運輸活動。太空運輸的運載器分為運載火箭、航天飛機、貨運飛船，以及未來的太空飛機等。太空運輸的方式也多種多樣，航天飛機運人也運貨，貨運飛船只運貨不運人。貨運飛船是太空運輸的一種運載器。世界上著名貨運飛船有：蘇/俄的“進步”號，歐洲航天局的自動貨運飛船（ATV），日本的“東方白鶴”號，美國的“龍”號、“天鵝座”號，以及中國的“天舟”號等。

貨運飛船沒有人操控，怎樣與空間站等航天器自動對接呢？

貨運飛船上安裝了各種測控儀器微波敏感器、激光敏感器、攝像敏感器、接近敏感器、測距位移傳感器、地球敏感器、太陽敏感器、激光測距儀等測量系統，以及高精度導航系統和通信設備。測控儀器能精確測量和控制兩個航天器之間的距離、相對速度和姿態。

怎樣尋找空間站呢？微波敏感器和激光敏感器捕獲空間站的范圍一般為15～100千米。當距目標航天器0.5～1千米，微波敏感器和激光敏感器測得與空間站的相對運動參數，自動引導到目標航天器附，慢慢接近和停靠。

怎樣測算距離呢？激光測距儀向目標發射一束激光，再接收目標反射的激光束。計時器測定激光束從發射到接收的時間，激光測距儀計算出到目標的距離，精度達到毫米級。精準度堪稱百步穿楊。

怎樣自動對接呢？貨運飛船追蹤空間站，首先要捕獲目標的十字形對接軸。當兩個航天器距離約100米，相對速度0.3～1米/秒時，攝像敏感器和接近敏感器精確測量兩個航天器之問的距離、相對速度和姿態。貨運飛船啟動機動發動機，調整角度、方向和速度，以0.15～0.18米/秒的速度飛向目標，慢慢地、慢慢地靠攏。

當貨運飛船抵達空間站的時候，可以自動對接，無須航天員協助：也可以人工操作，精準對接。當飛船慢慢靠近空間站的對接口，10米、5米、1米、0.1米，咔嚓！鎖定！成功！飛船精準的自動對接技術，對未來各種航天器對接，人類探索、登陸月球和其他星球都具有重要價值和偉大意義。

世界上著名貨運飛船長得什么樣？它們各有什么技術、功能、特點？它們的來世今生怎么樣？中國“天舟”號貨運飛船在世界貨運飛船中的地位如何？它到底運送了什么貨物、多少貨物？下面會給讀者朋友們一一道來。

快樂大篷車——“進步”號

1971年4月19日，蘇聯發射了世界上第一座空間站——“禮炮-1”號空問站。從此，空間站從夢想、理想到真實、成功。空間站發射升空了，許多科學儀器、偵察設備、航天員吃喝拉撤的物資怎么辦呢？蘇聯科羅廖夫火箭與航天設計局，也就是現在的安吉亞公司研制了世界上第一種貨運飛船——“進步”號。

蘇聯/俄羅斯的“進步”號貨運飛船是由“聯盟”號飛船改進，只運貨不載人。“進步”號系列貨運飛船執行向空問站定期補給食品、貨物、燃料和儀器設備等任務。這是蘇聯/俄羅斯的快樂大篷車。“進步”號貨運飛船共研制了5代：“進步”“進步-M”“進步-MM”“進步-M1”和“進步-MS”。1978年1月20日，第一艘“進步-1”號貨運飛船搭乘“聯盟”號火箭發射升空，對接“禮炮-6”號空間站。

“進步”號貨運飛船由貨艙、服務艙和燃料艙組成，長度7.94米，最大直徑2.72米，內徑2.2米，容積6.6米，發射重量7.020～7.249噸，貨物運載重量2.3～2.5噸。“進步”號自主飛行時間為3天，可在空間站停靠6個月。根據有沒有壓力，貨艙又分為壓力艙和無壓力艙。

常勝將軍是對“進步”號貨運飛船的褒獎。到2011年7月底，“進步”號系列貨運飛船已經安全飛行了30多年，共進行135次發射飛行，對接過“禮炮-6”“禮炮-7”“和平”號空間站和國際空間站。它從無事故，可靠性100%，世界第一，是世界上最安全、最可靠的貨運飛船。

天有不測風云，人有旦夕禍福。2011年8月24日，“進步M-12M”號從拜科努爾航天中心發射升空。突然，火箭和飛船驟然下降，發出一道閃光。飛控人員大驚失色：完了！爆炸了！大部分殘片在大氣層完全燃毀，有些殘片落地發生劇烈爆炸，周圍相當范圍內都有震感，窗戶玻璃差點震飛。這是“進步”號貨運飛船30多年來遭遇的第一次失敗。這次火箭和飛船爆炸，讓“進步”號貨運飛船蒙受羞辱。榮耀和歷史無可挽回，但“進步”號仍是世界上最安全可靠、最當之無愧的航天老兵。

屋漏偏逢連夜雨，船遲又遇打頭風。2016年12月1日，俄羅斯第4艘最新一代貨運飛船——“進步MS-4”號發射升空。這是“進步”號貨運飛船第156次飛行。它起飛382秒后，提前6分鐘星箭分離，最終在距離拜科努爾航天中心3500千米的圖瓦共和國上空爆炸。俄羅斯航天專家哀嘆道：家道中落，飛船也多災多難！

從地球到太空——歐洲自動貨運飛船（ATV）

歐洲的第一艘自動貨運飛船（ATV001）“凡爾納”號，專門運載了一本書。這本書是科幻小說《從地球到月球》的1900年原版精裝本，作者是法國著名科幻作家儒勒凡爾納。小說講述了3名火炮俱樂部的大炮迷建造了一門巨炮，把自己送上月球的故事。當年，《從地球到月球》曾打動了無數月球迷、太空迷和科幻迷。

歐洲航天局和阿麗亞娜空間公司研制的自動貨運飛船（Automated Transfer vehlcle，ATV），又稱為自動轉移航天器，共計建造了5艘。歐洲航天局以最著名科學家的名字命名這5艘自動貨運飛船：凡爾納、開普勒、阿瑪爾迪、愛因斯坦和勒梅特號。歐洲航天局將第一艘自動貨運飛船以儒勒·凡爾納的名字命名。

自動貨運飛船是歐洲有史以來建造的最大、最重、最復雜的飛船。它有兩大特點，一是全自動，二是貨運量大。2008年3月9日，“凡爾納”號搭乘“阿麗亞娜-5”號火箭，在法屬圭亞那庫魯航天中心升空，飛向國際空間站。

“凡爾納”號穿著一套銀白色的防熱外罩，長10.3米，直徑4.5米，空重10.47噸，發射重量約20.75噸，有效載荷7.67噸，加壓容積48米。，在軌時間可達180天。它的4組x形太陽能帆板張開后，長度達22.3米，發電量3.8千瓦。endprint

“凡爾納”號飛船以運輸貨物為主。它能將8噸貨物送上太空：1.5噸～5噸各類干貨物，840千克水，100千克氧氣、氮氣，4.7噸燃料。飛船本身載有自用的燃料用來進行會合、再推進和脫離操作，也可給空間站補充燃料。“凡爾納”號飛船安裝了4臺通用動力公司的大推力發動機，還有28臺阿斯特里姆公司的飛行控制與制動的小型發動機。

美夢成真——“東方白鸛”號

火箭、衛星、空間站、飛船……這是日本的航天夢想！當國際空間站建成時，日本擁有了自己的幾個試驗艙。當時曾設想：如果日本的貨運飛船像一只白鶴一樣飛向國際空間站，那該多好啊！日本人的科學精神和堅毅力量，真讓夢想成為了現實。

“東方白鸛”號貨運飛船，又稱為太空轉移飛行器-1號。它是一種無人駕駛、自動對接、不可重復使用的貨運飛船。“東方白鸛”號貨運飛船由日本宇宙航空研究開發機構、筑波宇航研究院、三菱重工，以及日本多所大學共同設計制造。

“東方白鸛”號貨運飛船長9.8米，最大直徑4.4米，空重10.5噸，內部容積14米，最大運載量為6.2噸，發射重量16.5噸。飛船外形呈圓柱形的，像一聽可口可樂，具備完全自動飛行、對接的功能。“東方白鸛”號飛船前面安裝了8臺攝影、測量與遙感設備；飛船的后面有4臺火箭推進器，保證飛船的推進與調姿。

“東方白鸛”號飛船主要由3部分組成：貨物艙、設備艙和推進艙。最主要的貨物艙可裝載6噸貨物，長7.4米。中間安裝航天電器的設備艙，里面有用于制導控制、動力供應和電信數據處理的電子設備；最后部的推進器艙，包括用于變軌的主發動機、用于姿態控制的反作用推進器、燃料與氧化劑貯箱、高壓空氣箱等。飛船外層是隔熱層。隔熱層上安裝了16排金黃色的太陽能帆板。

“東方白鸛”號攜帶著空間站的垃圾返回地球后，在大氣層中逐漸焚毀。當到達南太平洋圣誕島航天器墓地上空時，“東方白鶴”號殘骸僅剩10千克左右，與其他飛船殘骸一起長眠于美麗的圣誕島海底。

第一艘私人飛船——“龍”號

“龍”號貨運飛船是世界上第一艘私人建造的航天飛船。

“龍”號貨運飛船由美國太空探索技術公司研制。“龍”飛船采用與其他飛船不一般的設計，最大特點是可回收再利用。它設計壽命量年，具有多種運載功能，返回艙可多次重復使用，采用先進的復合材料，減輕重量和提高結構強度。由“獵鷹-9”號火箭運載“龍”號飛船發射升空。

“龍”號飛船分為貨運飛船和載人飛船。貨運飛船命名為“龍”號飛船，載人飛船命名為“龍騎士”號飛船。為了通用性和快速轉換，兩種飛船有幾乎相同的逃生系統、生命支持系統和機載控制系統，必要時從貨運飛船轉變為載人飛船，成為空間站的逃生艙、救命船。

“龍”號飛船重4200千克，高6.1米，直徑3.7米，側壁角15度，加壓艙10米，不加壓艙14米，有效載荷3310千克。太陽能帆板分列兩邊，共8片。推進器燃料為甲基肼，氧化劑為四氧化二氮的混合物。

一條新的太空航線即將開辟，一個令人乍舌的夢想即將實現。

2010年6月4日，世界上第一艘私人的航天飛船從美國肯尼迪航天中心發射，前往國際空間站。“龍-1”號飛船運去了905千克貨物，400千克水。貨物包括120千克各種美味的太空食品，180千克空間站零部件，66臺科學實驗儀器等。當返回地球時，“龍-1”飛船將1.5噸科學實驗材料、廢舊儀器和生活垃圾帶回地球。

“笨鴨”起飛——“天鵝座”號

人生的意義是什么？

1954年，戴維·湯普森出生于一個貧窮的家庭，天生愚笨，外號“笨鴨”。他言語不多，但一直在想：一只笨鴨怎樣變聰明？一個窮小子怎樣當上億萬富翁？一名學渣怎樣為人類做最大貢獻？湯普森認為只有一條路：努力讀書，敢想敢干！1976年，湯普森畢業于麻省理工學院航天專業；1978年，獲得加州理工大學航空噴氣推進碩士學位。

1981年，湯普森成立了美國軌道科學公司，研制火箭、導彈、反導導彈、衛星、航天飛船等，成就非凡，創造了許多世界紀錄。到2015年3月，美國軌道科學公司共執行了482次太空任務和359次火箭發射；79次火箭發射，207次亞軌道火箭發射，78次商業衛星發射，78次政府衛星發射，40次太空運載任務，359次火箭、導彈、反導導彈試驗飛行。

美國軌道科學公司是美國最大的航天制造商和國防工業公司之一。它曾進行70多次國家導彈防御系統的反導導彈攔截作戰，未來幾年還有30個攔截作戰警戒的任務。目前，軌道科學公司正在設計和制造95多顆衛星，2018年底前交付用戶。湯普森實現了人生的夢想。

“天鵝座”貨運飛船是美國軌道科學公司研制的自動貨運飛船，用于美國航空航天局商業軌道運輸服務。它由軌道科學公司的“安塔瑞斯”火箭或“宇宙神-5”火箭發射升空，專門運輸物資前往國際空間站。

“天鵝座”飛船由加壓貨物艙和服務艙組成。它重1500千克，長5.1米，直徑3.07米，內部容積18.9米，運載能力2000千克，設計壽命1個星期到兩年。“天鵝座”采用肼和四氧化二氮做推進劑，有兩個長方形的砷化鎵太陽能帆板，能夠產生4千瓦的電力。

2014年10月28日，美國軌道科學公司發射“安塔瑞斯-130”火箭，將“天鵝座-3”貨運飛船、美國行星實驗室公司的26顆“羊群-1d”地球觀測衛星等共計30個航天器送上太空。火箭發射6秒鐘后，第一級火箭發動機故障，飛行終止系統激活。“安塔瑞斯-130”爆炸和大火，燒毀了車輛和貨物，沒有人員傷亡。這是一次航天史上最大發射失敗之一，損失多種航天器30個，創造了毀壞衛星最多的世界紀錄。

2015年12月6日，美國軌道科學公司老板湯普森下令發射第二代貨運飛船——“天鵝座-4”號。新飛船比老飛船大多了。它重1800千克，長6.3米，直徑3.07米，運載能力3500千克，內部容積27米。“天鵝座-4”飛船發射成功。它最值得夸耀的是：非常漂亮！它將之前的兩個長方形太陽能帆板變成了圓形，咖啡色的太陽能帆板優雅瀟灑，美艷驚人。endprint

快遞小哥——“天舟”號

2016年9月15日，中國從酒泉衛星發射中心發射“長征-2F”運載火箭，將“天宮-2”號空間站送上太空。隨后，“神舟-11”號載人飛船也于當年10月17日發射升空，航天員景海鵬、陳冬進入“天宮2”號空間站，開展太空科學試驗。“天宮-2”號的投入使用正在召喚中國的貨運飛船。

“天舟”號貨運飛船橫空出世，由中國空間技術研究院研制。它全長10.6米，最大直徑3.35米，起飛重量為12.91噸，太陽能帆板展開后最大寬度14.9米，運送能力約6.5噸，推進劑補加能力約為2噸，具備獨立飛行3個月的能力。中國航天迷送給“天舟”號貨運飛船一個昵稱——“快遞小哥”。

“天舟”號飛船由一個直徑3.35米的貨物艙和一個直徑2.8米的推進艙組成。貨物艙用于裝載貨物，推進艙為整個飛船提供動力與電力。推進艙兩側各有一片3聯太陽能帆板。“天舟”號共安裝了25牛、120牛、150牛、490牛4種不同推力量級的36臺發動機。推進艙后部安裝了4臺490牛變軌用的主發動機。飛船還安裝了3種不同推力量級共32臺姿控發動機。

“天舟”飛船的任務是：定期向“天宮-2”號空間站運輸水、食品、空氣，等生活用品，以及貨物、燃料、儀器、設備、補給等。當發射后，它會自動與“天宮-2”號交會對接。航天員要將貨運飛船上的物資搬運到空問站內。

“天舟”飛船還有兩項任務：充當“天宮-2”號空間站的垃圾桶：航天員將“天宮-2”號空間站的垃圾等搬至“天舟”飛船運走；焚毀垃圾與自身：當脫離空間站，返回地球時，“天舟”飛船會快速下降，進入“死亡軌道”，以流星的方式在南太平洋圣誕島航天器墓地上空大氣層中燒毀，不留一點痕跡。

2017年4月20日19時41分35秒，中國第一艘貨運飛船——“天舟-1”號從海南文昌航天發射中心，搭乘“長征-7”號運載火箭發射升空。大約10分鐘后，“天舟-1”號與“長征-7”號火箭成功分離。它進入近地點200.033千米，遠地點383.375千米，軌道傾角42.808°，軌道周期1小時30分鐘21.63秒的預定軌道。

“天舟”號飛船十分先進，也十分爭氣。它的大小不如日歐的貨運飛船，名列第三。“天舟”號的運載能力高于俄羅斯“進步-MS”號、日本“東方白鸛”號，低于歐洲航天局自動貨運飛船，列世界第二。“天舟”號貨運飛船的載荷比，也就是運載貨物的重量與貨運飛船本身重量之比，高達48%，高于日歐的貨運飛船，為世界第一。“天舟”飛船順利完成了第一次飛行，第一次對接“天宮-2”號空間站，任務艱巨，貢獻巨大，意義重大，永垂世界航天史冊。

天機不可泄露

一個精彩的傳說開始演繹！“天舟-1”號與“天宮-2”號空間站完美對接。“天舟-1”號在3個月的生命里，將表演太空運輸，快速交會對接、前后交會對接、太空裝卸、太空加油、側空翻等太空特技。它還進行半導體光電子材料、金屬合金、亞穩材料、納米材料、復合材料、太空冶煉、高精度測量、輻射環境和大氣環境等科學試驗等。

“天舟-1”號為“天宮-2”號空間站運送了110個包裹，其中幾個包裹里隱藏著高科技秘密。航天專家透露了幾種秘密“武器”：“天極”太空望遠鏡、迷你太空溫室、超級數碼相機、量子通信儀器、空問應用天地支持系統等。

“天極”太空望遠鏡搭載在“天宮-2”空間站上的伽馬射線偏振探測儀。它的主要科學目標是：探測和研究遙遠宇宙中突然發生的伽瑪射線暴，并在國際上首次對伽瑪暴的偏振性質實現高精度、系統性地測量。“天極”望遠鏡將深入研究恒星演化、黑洞形成，以及伽瑪射線暴爆發的物理機制。

伽馬射線暴是宇宙中發生的一種最劇烈的爆炸。天文學家認為：它是巨大恒星在燃料耗盡時塌縮爆炸，或者兩顆鄰近的致密星體，如黑洞或中子星合并產生的天文現象。伽馬射線暴的時間不長，短至千分之一秒，長則數小時，但會在短時間內釋放出巨大能量。它的威力極大，一分鐘釋放的能量相當于幾百個太陽100億年釋放能量的總和，甚至扭曲地球磁場。“天極”太空望遠鏡將更好地理解極端天體物理環境下產生的伽馬射線暴，為研究這種宇宙中最猛烈的爆發現象做出重要貢獻。

迷你太空溫室是一個養殖植物的小溫室。為了人類長期在空間站生活和工作，航天員必須種植太空植物和糧食，自給自足。綠色植物可為人類和動物提供必需的食物和氧氣。迷你太空溫室將栽培兩種植物——擬南芥和水稻。科學家將探索在太空環境中如何控制植物開花、成長和結種的技術與方法。這將為建立人類長期太空生存的生命生態支持系統奠定基礎。迷你太空溫室能為植物生長提供必需的水分供給，以及光照、溫度控制。科學家利用可見光圖像和熒光圖像，研究植物在太空的生長發育。

超級數碼相機是一架寬頻段成像光譜儀。它安裝在“天宮-2”空間站的下方，擁有“火眼金睛”的本領，觀測地球、天氣地理，樣樣精通。當“天宮-2”號飛越地球，大陸、海洋、島嶼等瞬間掠過，90分鐘左右環繞地球一圈。如果一支航母艦隊駛往太平洋，絕逃不出超級數碼相機的神眼。

量子通信是一種利用量子糾纏效應進行信息傳遞的新型的通信技術。量子通信具有高效率和十分安全等特點，是國際量子物理和信息科學的研究熱點。“天舟-1”號為“天宮-2”號空間站運送了一臺量子密鑰分配試驗空間終端。它通過高精度自動跟瞄系統與量子密鑰分配地面終端配合，在地面站與目標飛行器之間建立起量子信道，并進行空地量子密鑰分配試驗。這是世界上首次空地量子密鑰分配演示實驗。它將為載人航天的空地間量子保密通信，以及未來的天地量子保密通信網絡建設打下基礎。

“天舟-1”號的意義十分重大。它突破和檢驗了空間站貨物運輸，快速交會對接、太空加油等關鍵技術。這標志著中國載人航天工程第二步勝利完成，也正式宣告中國航天邁進“空間站時代”。

編輯：石堅endprint