出品：科普中國
制作：中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心李會超科學(xué)大院
監(jiān)制：中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心
飛出地球、走向太空是長久以來人類共同的夢想，而空間站的出現(xiàn)讓航天員在太空中有了一個可以長期停留的家。
但是，空間站這個“太空大房子”的正常運轉(zhuǎn)，需要方方面面的補給，比如：宇航員要想在其中長期生活和工作，需要水、食品、氧氣等生活必需品的不斷供給，需要用到各種實驗設(shè)備；空間站本身的正常工作，需要定期獲得各類設(shè)備備件，補充燃料和氣體；空間站中產(chǎn)生的各類廢物，不能直接拋棄在太空中，需要運出空間站銷毀……
而為太空大房子吐故納新的，就是我們今天要講的主角——貨運飛船。
那么，人類歷史上，已經(jīng)發(fā)射或即將發(fā)射哪些貨運飛船，去往太空“送快遞”呢？
“快遞小哥”一：“進步”號
人類空間站技術(shù)的先驅(qū)是蘇聯(lián)的“禮炮”（Salyut）系列空間站。
在禮炮空間站設(shè)計初期，蘇聯(lián)設(shè)計師們就意識到了為太空中長期執(zhí)行任務(wù)的宇航員提供補給的重要性。
上世界70年代中期研制禮炮-6號空間站時，補給問題愈發(fā)顯現(xiàn)，設(shè)計師們決定以載人的聯(lián)盟飛船為基礎(chǔ)，設(shè)計出一種只運載貨物、不搭載宇航員的貨運飛船，并將其命名為“進步”號。
進步號飛船
進步號采用了與聯(lián)盟號相同的三艙式結(jié)構(gòu)，而不同的是，聯(lián)盟號中供宇航員使用的軌道艙和返回艙被改為存儲不同貨物的艙段。
最前部的、處在聯(lián)盟號飛船軌道艙位置的貨物艙，用來存儲各類貨物。當(dāng)進步號與空間站對接后，空間站的宇航員會穿過對接艙口進入貨物艙，將送來的“快遞包裹”們搬出。之后，再將空間站需要拋棄的廢物轉(zhuǎn)移到貨物艙中。在飛船返回大氣層的過程中，這些廢物將隨飛船一同燒毀。
位于飛船中部、聯(lián)盟號返回艙位置的，是進步號的補加艙，這里貯存著給空間站補充的燃料、氧化劑和水，而進步號的貨物艙和補加艙一次總共可以運輸約2.3~2.5噸貨物。當(dāng)進步號與空間站對接后，以補加艙里存貯的液體通過對接環(huán)上的液體連接器轉(zhuǎn)移到空間站自身的推進系統(tǒng)中。
與國際空間站對接的進步號飛船
1978年1月20日，第一艘進步號飛船發(fā)射升空，與禮炮-6號空間站成功對接，此后至今的近40年間，進步號經(jīng)過了多次改進，產(chǎn)生了進步M、進步M1、進步M2等改進型號。
目前，進步號飛船是國際空間站補給工作的主力軍。
值得一提的是，由于空間站工作的軌道上仍然有稀薄的大氣，空間站會在大氣阻力的作用下逐漸降低軌道高度。如果放任這個過程繼續(xù)，空間站就會墜落到地面上（這種悲劇在歷史上真的發(fā)生過，參見《美國天空實驗室墜落內(nèi)幕》） 。
進步號的推進艙除了給飛船自身的飛行提供動力外，還可以在對接后利用自身推力提高空間站的軌道高度，補償因為大氣阻力而造成的軌道下降。
進步號由“賣家”俄羅斯航天局從哈薩克斯坦拜科努爾航天基地“發(fā)貨”后，乘坐聯(lián)盟火箭來到太空之中，一般在兩天左右的時間之后才能到達“買家”國際空間站手中。
2012年8月，在賣家優(yōu)化了物流服務(wù)、采用了新的交會對接方案后，買家只需6個小時就可以收貨了。
不過，地面上陰晴雨雪等不便送貨的天氣會使快遞包裹的配送延誤，如果空間站碰到需要躲避太空垃圾的情況，或者進步飛船本身出現(xiàn)問題，太空物流的時效也會受到影響，這時候，進步號就仍會退回到兩天的時效水平。
發(fā)射進步-M飛船的聯(lián)盟-U火箭正在起豎
“快遞小哥”二：龍飛船
受益于航天飛機強大的運載能力，美國在國際空間站運行初期并沒有開發(fā)專用的貨運飛船。
在航天飛機退役后，美國的宇航員不得不購買俄羅斯聯(lián)盟號飛船八千萬美元一張的船票去往空間站，而貨物運輸?shù)娜蝿?wù)，則由商業(yè)軌道運輸項目支持下開發(fā)出的兩種貨運飛船來執(zhí)行。
龍飛船
龍（Dragon）飛船來自于埃隆·馬斯克領(lǐng)導(dǎo)的Space X公司，它既能無人飛行搭載貨物，又可以在未來增加載人飛行的功能。
龍飛船由兩個艙段組成，位于飛船前方的錐形加壓艙用來運輸一般的補給品。
位于飛船尾部的非加壓艙，用來運輸安裝在空間站外部、不需要運進空間站加壓環(huán)境內(nèi)的貨物。
例如，在龍飛船第二次前往國際空間站執(zhí)行任務(wù)時，為國際空間站的輻射散熱系統(tǒng)送去了一些新備件，這些備件由宇航員在太空行走時直接安裝在空間站的相關(guān)部分上。
被國際空間站機械臂捕獲的龍飛船
和進步號相比，龍飛船有一項獨門絕技，就是能通過加壓艙運載比較多的貨物返回地球。
長期進行各類空間科學(xué)實驗是空間站的重要功能，實驗中獲得的樣品一般要運回地面的實驗室中進行分析。
而前面提到的進步號飛船，其早期型號只能將空間站的垃圾在大氣層中銷毀，不能讓有用的貨物回到地面。
后期型號雖然通過附加“彩虹號”返回艙獲得了150kg的下行運載能力，但相比空間站的需求來說仍然非常不足。這時候，龍飛船的可貴之處就充分體現(xiàn)出來了。
返回地面后被回收的龍飛船加壓艙
龍飛船的加壓艙，可以一次攜帶3噸左右的貨物返回地面，是目前貨運飛船中下行運載能力最強的。
秉承Space X一貫的可重用設(shè)計理念，返回地球的加壓艙也能夠被多次重復(fù)利用。
未來，龍飛船的載人型號出現(xiàn)后，宇航員們生活的艙段將由加壓艙改造而成，一次飛行可以搭載7名宇航員，而從空間站搬走垃圾銷毀的任務(wù)，則由非加壓艙來完成。
國際空間站其他送貨的“快遞小哥”
除了這兩種飛船之外，參與國際空間站計劃的國家還設(shè)計了其他幾種貨運飛船。
它們之中，有美國的“天鵝座”飛船、歐空局的ATV飛船和日本的HTV飛船，日本還計劃以HTV飛船為基礎(chǔ)發(fā)展本國的載人航天計劃。
天鵝座飛船
ATV飛船
HTV飛船
來自中國的“快遞小哥”：天舟一號
隨著天宮二號空間實驗室的成功入軌，被國際空間站計劃拒之門外的中國將在2020年開始獨立建設(shè)自己的空間站。
作為空間站運行的必要助手，我國的第一艘貨運飛船——天舟一號，計劃于近日發(fā)射。
它是一艘全密封的貨運飛船，由貨物艙和推進艙兩個艙段組成，擁有與天宮二號空間實驗室交會對接、推進劑在軌補加、開展空間科學(xué)實驗和技術(shù)試驗等功能。
根據(jù)報道，它的上行貨物運載能力有6.5噸，還能為空間站補加2噸燃料，運輸能力居于國際前列。
去年下半年，天宮二號的發(fā)射成功以及所搭載的一系列科學(xué)實（試）驗的有序開展、與神舟十一號的順利交會對接，標志著我國全面進入空間實驗室和空間站任務(wù)實施階段。
而為了未來實現(xiàn)宇航員在空間實驗室的長期駐留和各項空間科學(xué)實（試）驗的實施，貨物補給就顯得尤為重要。
本次天舟一號上天的重要任務(wù)，就是與天宮二號進行三次交會對接，并在期間完成推進劑的在軌補加。
首先，在天舟一號發(fā)射進入軌道之后，它將與天宮二號進行首次對接，對接之后，天舟一號和天宮二號的組合體將進行兩個月的在軌飛行。
這兩個月期間，在完成狀態(tài)檢查后，天舟一號就會進行推進劑的補加試驗，與此同時，還會測試貨運飛船對組合體的控制能力。
緊接著，在這一階段任務(wù)完成之后，天舟一號會撤離天宮二號，繞飛到另一側(cè)與天宮二號進行第二次對接，然后二次分離，兩個飛行器獨立飛行三個月。
這三個月里，天舟一號主要完成搭載的空間科學(xué)實（試）驗，本次天舟一號共搭載了包括非牛頓引力實驗驗證、主動隔振關(guān)鍵技術(shù)驗證、兩相系統(tǒng)實驗平臺關(guān)鍵技術(shù)驗證以及多項微重力對細胞增殖和分化影響等十余項科學(xué)實（試）驗。
最后，在這三個月的末期，天舟一號還要與天宮二號進行第三次也是本次天舟任務(wù)的最后一次的對接，驗證自主快速交會對接技術(shù)，這個要求兩個航天器在6個小時左右完成對接。
這是一個比較新的試驗項目，突破以后，包括載人飛船和貨運飛船都可以使用這個技術(shù)進行快速對接。
廠房內(nèi)的天舟一號
這一系列任務(wù)順利完成后，我國的載人空間站計劃就又大大向前邁進了一步，不知道將來空間站上的中國航天員收到天舟一號送來的太空快遞時，是否會體驗到咱們剁手黨收快遞時的愉快心情呢。
“科普中國”是中國科協(xié)攜同社會各方利用信息化手段開展科學(xué)傳播的科學(xué)權(quán)威品牌。
本文由科普中國融合創(chuàng)作出品，轉(zhuǎn)載請注明出處。
聯(lián)系客服
