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在人類邁向太空的進(jìn)程中，貨運飛船就是糧草運輸部隊。 
中國人離太空生活又進(jìn)了一步。5月29日晚，中國的貨運飛船“天舟二號”向太空送上第一份包裹。 在地面收發(fā)快遞，已經(jīng)是再正常不過的事情了。但要在天上收快遞，那會是什么體驗?zāi)兀?/span> 中國人即將體驗這個非比尋常的過程了。按計劃今年6月17日，將有3名航天員乘坐“神舟十二號”載人飛船抵達(dá)“天和”核心艙“拆快遞”。包裹中不僅有各種航天設(shè)備，還有飲用水和中國特色美食宮保雞丁、魚香肉絲等。他們將在空間站駐留3個月，開展艙外維修維護、設(shè)備更換、科學(xué)應(yīng)用載荷等一系列操作。 貨運飛船是空間站計劃的一部分，相比載人飛船，其技術(shù)安全性的要求相對較低，但運力更高，是目前向太空運送貨物的理想工具。跟國外相比，中國貨運飛船的發(fā)展路線更具特色，優(yōu)勢能力相對更突出。 可以設(shè)想，未來隨著中國空間站投入使用，以及可返回式飛船技術(shù)的發(fā)展，在太空收發(fā)“快遞”將成為日常，甚至太空快遞可實現(xiàn)當(dāng)日達(dá)，比地球上的配送速度還快。屆時，不僅地面的航天任務(wù)更加頻繁，太空資源開發(fā)也將迎來新的局面。 借“天舟二號”成功發(fā)射的契機，「甲子光年」訪談了商業(yè)航天公司星際榮耀火箭總體設(shè)計師陳亮，并結(jié)合過往資料，和大家一起來一探貨運飛船背后的秘密： - 貨運飛船從載人飛船發(fā)展而來，目的是多運貨；
- 太空快遞降本提效之后，為太空資源開發(fā)奠定基礎(chǔ)。
1.太空快遞：怎么送、多久送、送什么？ 
收發(fā)快遞是人們最熟悉的日常生活的一部分。只要提供一個地址，下單之后，就能在家坐等快遞上門。但收發(fā)太空快遞呢？前提當(dāng)然是也需要有一個地址。這就是過去（2017年發(fā)射的“天舟一號”為實驗性飛行）為什么中國不發(fā)射貨運飛船的原因——沒有建空間站，沒有我們自己的太空“地址”?！疤旌汀焙诵呐摪l(fā)射成功后，這個問題解決了。之后就可以根據(jù)“快遞”排期收發(fā)快遞了。星際榮耀火箭總體設(shè)計師陳亮表示，目前國內(nèi)的載人飛船發(fā)射排期一般為3~6個月一班次，也就是說每3~6個月會有一次載人航天飛船升空。但貨運飛船的業(yè)務(wù)性飛行才剛剛開始，以后可能也會形成每3個月一次的固定飛行班次。然后就是看太空快遞要運送什么貨物。在電商高度發(fā)展的地面，快遞運送的東西五花八門。但在太空則不同。貨運飛船運往太空的貨物中，占比最大的是生活物品，尤其是水，此外還有食物、科研設(shè)備，以及為空間站加注的推進(jìn)劑等。此次“天舟二號”攜帶的貨物包括：科學(xué)設(shè)備和傳統(tǒng)的中式美食?？茖W(xué)設(shè)備包括航天員的宇航服、空間站建設(shè)器材，中式食譜上則有人們熟悉的魚香肉絲和宮保雞丁等，這些要在航天員進(jìn)入空間站之前提前運送。在空間站建設(shè)階段，建設(shè)物資占了相當(dāng)大的比重；在建成之后，生活物資將占較大比重。推進(jìn)劑并不占用貨物倉，因此每次都可以盡量加滿。在空間站建成后，未來的太空實驗樣品也可以“快遞”到地面，這時就用到可返回式貨運飛船。此前「甲子光年」在《10年后，到天上采礦去》一文講到，未來太空采礦將成為商業(yè)太空的熱門領(lǐng)域，屆時從太空采到稀有礦物便可以通過可返回式貨運飛船“快遞”到地球。到時候，拆太空快遞的心情豈不比今天拆網(wǎng)購快遞激動百倍？2.中國貨運飛船發(fā)展簡史：載人航天一部分
1992年中國正式提出載人航天三步走計劃：第一步，能上天；第二步，能出艙；第三步，建立小型空間站。2003年“神舟五號”載人飛船和2008年的“神州七號”載人飛船兩項任務(wù)，相繼完成了上天和太空行走的前兩步計劃，此后中國的空間站計劃便拉開了帷幕。2011年，中國載人航天工程發(fā)射了第一個先導(dǎo)試驗型空間站——“天宮一號”。作為中國首個空間實驗室，“天宮一號”先后與“神舟八號”、“神舟九號”和“神舟十號”載人飛船完成多次空間交會對接，并于2016年終止數(shù)據(jù)服務(wù)。2021年4月29日，中國空間站“天和”核心艙發(fā)射入軌。此后，貨運飛船才開啟了飛行性業(yè)務(wù)。按照規(guī)劃，2021~2022年，我國將實施11次飛行任務(wù)，包括3次艙段發(fā)射、4次貨運飛船以及4次載人飛船發(fā)射，于2022年完成空間站在軌建造，實現(xiàn)中國載人航天工程“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略“第三步”的任務(wù)目標(biāo)。為了滿足空間站前期建設(shè)需要，“天舟”貨運飛船就需要有較大的運力。星際榮耀陳亮告訴「甲子光年」，“天舟”由貨物艙和推進(jìn)艙組成，其中貨物艙用于放置各類貨物、設(shè)備，推進(jìn)艙為貨運飛船提供電力能源、推進(jìn)控制動力并裝載推進(jìn)劑?！疤熘鄱枴鄙闲凶畲筝d貨重量達(dá)到6.9噸，是目前世界現(xiàn)役貨運飛船中載貨能力最強的飛船。從歷史上看，也僅次于歐洲ATV（自動轉(zhuǎn)移飛行器）貨運飛船的7.6噸，但ATV已在2014年退役。從載荷比看，“天舟二號”已達(dá)到51%，也處于世界先進(jìn)水平。由于在宇宙飛船上每增加1千克的有效載荷，都必須為它耗費不少能量，因此載荷比越高，意味著飛船以最小的結(jié)構(gòu)重量運更多的貨物，更劃算。3.貨運飛船有什么用？給空間站“送貨加油”
縱觀航天發(fā)展歷程，載人飛船的歷史要早于貨運飛船。既然如此，為什么不人貨同運，而是還要單獨研制貨運飛船呢？這要先從貨運飛船的歷史講起。1971年，蘇聯(lián)建立了世界上第一個空間站——“禮炮一號”。兩年后美國也發(fā)射了其載人空間站“天空實驗室”。當(dāng)時，他們都使用載人飛船為空間站提供物資，但載人飛船大量的空間用于載人和維持航天員生命健康所需的設(shè)備，因而能攜帶的物資量非常少，只有幾百千克。如果要增加物資量，則需要進(jìn)行多次發(fā)射。但當(dāng)時單次發(fā)射載人飛船的費用巨大，因此貨運成本高昂。為了降低貨運成本，后來蘇聯(lián)在“聯(lián)盟號”載人飛船的基礎(chǔ)上改造，改裝對接口，拆掉不需要的座椅，環(huán)境控制與生命保障、返回著陸和應(yīng)急救生等與載人有關(guān)的系統(tǒng)，并慢慢形成了“進(jìn)步號”貨運飛船，其單次可運輸?shù)奈镔Y可重達(dá)兩噸，實現(xiàn)了質(zhì)的飛躍。此外，“進(jìn)步號”貨運飛船的補給艙取代了“聯(lián)盟”飛船的返回艙，裝有多個推進(jìn)劑貯箱，其中一部分貯箱裝有燃燒劑，另外一部分貯箱裝有氧化劑，有的還裝有一個水箱。燃燒劑和氧化劑通過對接環(huán)上的液體連接器可給空間站補給推進(jìn)劑。第一艘“進(jìn)步”貨運飛船于1978年1月20日升空，飛往“禮炮6號”空間站。1978~1990年期間，“進(jìn)步”飛船一共發(fā)射了43艘，它們?yōu)椤岸Y炮6號”“禮炮7號”空間站運送了大量的貨物補給，大大延長了這兩座空間站的工作壽命和航天員的在軌時間。這可以總結(jié)出貨運飛船與載人飛船的差異：對生命安全要求低，但貨運量大，同時還能補給航天設(shè)備推進(jìn)劑。相當(dāng)于“既送貨又加油”。“天舟二號”發(fā)射成功后，中國成為繼俄羅斯之后第二個掌握貨運飛船對空間站進(jìn)行燃料加注技術(shù)的國家?？臻g站一般在軌道運動，因為自行運動需要消耗寶貴的燃料，而這些燃料只能在規(guī)避飛來隕石等緊急情況下才能使用，燃料可以加補，也就意味著空間站軌道可以更加自由地變換了，更能規(guī)避偵測；另外每隔一段時間后，空間站的軌道高度會降低，補充推進(jìn)劑后空間站可以再次升軌。貨運飛船還有一個優(yōu)勢：可以將空間站產(chǎn)生的垃圾帶回大氣層中燒毀，減少太空污染。4.那些已經(jīng)飛過太空的貨運飛船
貨運飛船往返太空，并不是今天才有的事情。迄今為止，全世界已發(fā)射過約180多艘貨運飛船。除了俄羅斯（蘇聯(lián)）的“進(jìn)步”貨運飛船外，歐洲的貨運飛船叫“ATV”是迄今運載能力最大的貨運飛船，從2008年起到2014年共發(fā)射了5次。形如雙層巴士大小的“ATV”有四類用途：向空間站運送補給物資；在貨物卸載后，可以用作空間站的附加活動室；提升“國際空間站”的軌道；用作垃圾箱，把6.5噸空間站產(chǎn)生的廢棄物資帶回地球燒毀。日本的貨運飛船名為“HTV”（H-2轉(zhuǎn)移飛行器），比歐洲稍晚，從2009年開始首發(fā)。“HTV”由加壓貨艙、非加壓貨艙、電子設(shè)備艙和推進(jìn)艙4部分組成。其特點是，飛船艙門大，與空間站的接口各邊均加寬到約1.2米，所以它可以搬運其他貨運飛船無法運送的大型裝置，貨物運輸能力強。其滿載后總重達(dá)16.5噸，貨物運載能力約為6噸。另外，HTV還是唯一一種可向“國際空間站”運送加壓與非加壓貨物的無人飛船，包括安裝在站外的外部實驗和在軌更換裝置。從2009年9月到2016年12月，HTV成功完成了6次空間站補給任務(wù)。目前也已退役。美國有兩款貨運飛船：貨運“龍”飛船和“天鵝座”貨運飛船。與以上飛船都由政府投入研制不同，“龍”飛船和“天鵝座”飛船都是由商業(yè)公司研制。它們的最大特點是：由美國航空航天局選定的私營商業(yè)公司自行投資，研制用于“國際空間站”天地往返運輸?shù)娘w船和火箭，然后美國航空航天局以“下訂單”的模式租用飛船，把貨物運往“國際空間站”內(nèi)，從而降低天地往返運輸?shù)馁M用。“天鵝座”飛船于2013年9月18日進(jìn)行了首次驗證飛行，此后正式投入使用。它由加壓貨物艙與通用服務(wù)艙組成，加壓貨物艙基于意大利“多用途增壓后勤艙”研制，采用模塊化設(shè)計，可根據(jù)要求采用2模組、3模組、4模組的加壓貨艙，分別對應(yīng)2000kg、2700kg和3400kg的運載能力。“載貨龍”是目前所有貨運飛船中唯一可以運回物品的，這是因為該飛船帶有熱防護罩，可在返回時耐受極高溫安全降落，而其他飛船不具有熱防護罩，只能在再入大氣層時燒毀。陳亮告訴「甲子光年」，目前使用的第二代載貨“龍”飛船在載人“龍”飛船的基礎(chǔ)上改進(jìn)，有更大的運載能力。由于擔(dān)心可回收式載人飛船在復(fù)用時產(chǎn)生安全問題，過去一段時間SpaceX在回收了載人“龍”飛船后就改造成貨運“龍”飛船，通過這種方式重復(fù)使用。因此其載貨和載人飛船有通用化的特點。5.貨運飛船雙向收發(fā)，太空開發(fā)指日可待
“龍”飛船最被人贊譽的就是其開創(chuàng)性地實現(xiàn)可回收的能力，且是目前世界上唯一一個能做到可回收的宇宙飛船。不可否認(rèn)，可回收式飛船在技術(shù)上比不可回收飛船更高一籌，且可復(fù)用的特質(zhì)也使得飛船的使用成本能得到大大攤薄。但即使這樣，國際空間站也沒有放棄使用其他一次性的貨運飛船。為什么呢？以貨運“龍”飛船為例，其理論最大運載能力為6噸，載荷比為40%，即滿載后貨物占飛船總質(zhì)量的40%，而現(xiàn)役的貨運飛船載荷比多數(shù)已超過45%。此外，由于它在返回時也需要通過燃燒推進(jìn)劑來調(diào)整姿態(tài)、控制下落速度，因此便無法再對空間站在軌補加推進(jìn)劑。陳亮說，過去人們對可回收式飛船的技術(shù)比較謹(jǐn)慎，比如回收后的載人“龍”飛船在復(fù)用時轉(zhuǎn)做貨運，防止載人時發(fā)生危險。但事實證明，在歷次任務(wù)中，“龍”飛船均未因自身問題產(chǎn)生嚴(yán)重事故（因火箭導(dǎo)致的爆炸事故除外），這說明可重復(fù)使用飛船的技術(shù)不會帶來額外風(fēng)險，雖然難度確實會增加。可回收式飛船也是當(dāng)下航天領(lǐng)域較熱門的方向。目前，國內(nèi)也在研制新一代貨運飛船，屆時其不僅貨運能力更強，而且還能實現(xiàn)重復(fù)使用，大大降低飛船的使用成本。第一是可重返地球?，F(xiàn)在的“天舟”只有上行運貨能力，與空間站對接完成任務(wù)之后，就會進(jìn)入大氣層內(nèi)燒毀?？臻g站上一些來之不易的科研成果，只能通過每3~6個月一班的載人飛船帶回地球，時間周期較長，影響實驗成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用進(jìn)度。未來若貨運飛船能實現(xiàn)往返，則可大大提升太空科研成果、資源的“郵遞”效率。第二則是可重復(fù)使用。“天舟”貨運飛船的最終命運是進(jìn)入大氣層燒毀，運一次貨物就耗費一艘飛船，成本太高。如果給它加上隔熱瓦，令其安全返回地面，下次再接著用，“快遞費”就可以便宜許多。當(dāng)然，除了我國之外，日本和歐洲也都在研制下一代重返大氣層和可重復(fù)利用的貨運飛船。未來，當(dāng)太空的“快遞”效率又高、費用又便宜，這就為太空資源開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。太空采礦、太空實驗、太空科研……都將迎來爆發(fā)，甚至太空和人們生活的距離，如同現(xiàn)在網(wǎng)購中賣家與買家的距離。
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