郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

“天鵝”展翅—“天鵝座”飛船成功執(zhí)行首次正式合同任務(wù)

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

2014年1月9日，執(zhí)行美國(guó)軌道科學(xué)公司首次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同任務(wù)（Orb－1）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭從美國(guó)弗吉尼亞州中大西洋地區(qū)航天發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將“天鵝座”（Cygnus）貨運(yùn)飛船送入初始目標(biāo)軌道。隨后，該飛船用自身推力器提升軌道，1月12日與“國(guó)際空間站”（ISS）交會(huì)，在站上航天員的控制下被加拿大機(jī)械臂－2捕獲，?？恐梁椭C號(hào)節(jié)點(diǎn)艙。此次任務(wù)中，“天鵝座”飛船共向“國(guó)際空間站”運(yùn)送約1465kg貨物。在軌?？?7天后，飛船于2月18日離站，次日再入大氣層燒毀。

軌道科學(xué)公司董事長(zhǎng)兼首席執(zhí)行官戴維·湯普森稱，繼2013年成功執(zhí)行驗(yàn)證任務(wù)之后，此次正式貨運(yùn)任務(wù)也圓滿完成，但對(duì)于“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同開展來說這只是第一次任務(wù)。軌道科學(xué)公司將之后的兩次“天鵝座”任務(wù)也安排在2014年。

1 任務(wù)背景

此次任務(wù)規(guī)劃已久。根據(jù)與美國(guó)航空航天局（NASA）簽訂的“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，軌道科學(xué)公司要在2016年前向“國(guó)際空間站”發(fā)射8艘“天鵝座”貨運(yùn)飛船，共運(yùn)送約20t貨物，合同價(jià)值19億美元。

剛剛過去的2013年對(duì)于軌道科學(xué)公司是收獲頗豐的一年。盡管存在很多工程挑戰(zhàn)，“安塔瑞斯”運(yùn)載火箭還是于2013年4月完成首次試射，成功將“天鵝座”質(zhì)量模擬件送入軌道。同年9－10月，“天鵝座”首飛，成功執(zhí)行“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）首次驗(yàn)證任務(wù)（Orb-D）。盡管早期交會(huì)階段遭遇技術(shù)難點(diǎn)，但最終還是無(wú)瑕疵地?？坑凇皣?guó)際空間站”對(duì)接口，任務(wù)滿足所有要求，為軌道科學(xué)公司的“國(guó)際空間站”常規(guī)補(bǔ)給飛行掃清了障礙。

2 任務(wù)概況

“安塔瑞斯”火箭發(fā)射“天鵝座”飛船

此次任務(wù)幾經(jīng)波折，原定于2013年12月發(fā)射，但12月“國(guó)際空間站”上的冷卻系統(tǒng)突發(fā)故障，站上乘員需要執(zhí)行應(yīng)急艙外活動(dòng)更換故障組件，因此將發(fā)射推至1月。進(jìn)入1月，嚴(yán)寒天氣和意外的太陽(yáng)耀斑又?jǐn)?shù)次推遲發(fā)射日期。在全面復(fù)查與空間輻射環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù)、進(jìn)一步審查和建模火箭電子系統(tǒng)并預(yù)測(cè)發(fā)射場(chǎng)地面天氣狀況之后，“安塔瑞斯”發(fā)射團(tuán)隊(duì)決定在1月9日發(fā)射，并收尾所有遺留的發(fā)射前審查和測(cè)試工作。軌道科學(xué)公司工程團(tuán)隊(duì)經(jīng)與美國(guó)航空航天局磋商后確定，發(fā)射成功的風(fēng)險(xiǎn)在“安塔瑞斯”計(jì)劃之初確立的可接受范圍之內(nèi)，發(fā)射任務(wù)最終在1月9日實(shí)施。

飛船目標(biāo)初始軌道的軌道高度為近地點(diǎn)210km、遠(yuǎn)地點(diǎn)298km，傾角為51.64°。實(shí)際任務(wù)中，火箭將飛船送入近地點(diǎn)219km、遠(yuǎn)地點(diǎn)279km、傾角51.654°的初始軌道，在允許誤差范圍之內(nèi)。飛船入軌后執(zhí)行一系列檢查，隨后開始交會(huì)飛行。與“國(guó)際空間站”建立聯(lián)系后執(zhí)行變軌機(jī)動(dòng)，逐步提升軌道高度并使近地點(diǎn)和遠(yuǎn)地點(diǎn)更加接近，且接近“國(guó)際空間站”所在軌道。

“天鵝座”入軌后由軌道科學(xué)公司位于杜勒斯的任務(wù)控制中心（MCC-D）監(jiān)視和控制，并與美國(guó)航空航天局位于休斯頓的約翰遜航天中心任務(wù)控制中心（MCC-H）持續(xù)協(xié)同。日本飛控人員也通過其在站上的鄰近通信系統(tǒng)（PROX）提供飛船與“國(guó)際空間站”之間的近連續(xù)性指令和數(shù)據(jù)交換，以支持飛船的交會(huì)、?？亢碗x站操作。

2月17日，乘員開始緊固飛船內(nèi)所有貨物，關(guān)閉燈光并移除照明器材、滅火器及其他設(shè)備。18日，“天鵝座”與“國(guó)際空間站”解除對(duì)接。19日，飛船在新西蘭以東太平洋上空再入大氣層。

3 運(yùn)輸系統(tǒng)

軌道科學(xué)公司根據(jù)“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”合同建造“安塔瑞斯”系列火箭和“天鵝座”飛船，用于驗(yàn)證向“國(guó)際空間站”運(yùn)送貨物的能力。隨著2013年10月驗(yàn)證飛行任務(wù)成功，軌道科學(xué)公司現(xiàn)已進(jìn)入“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”計(jì)劃階段。

運(yùn)載火箭

“安塔瑞斯”為兩級(jí)火箭，高40.5m，直徑3.9m，起飛質(zhì)量約為284t。第一級(jí)使用液體燃料，由兩臺(tái)AJ－26發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。第二級(jí)是由阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（ATK）建造的固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可選用卡斯托－30A（Castor－30A）、30B、XL。

第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)對(duì)比

“安塔瑞斯”的頭兩次任務(wù)，即首次試射和“天鵝座”首次驗(yàn)證飛行任務(wù)均采用卡斯托－30A發(fā)動(dòng)機(jī)，此次任務(wù)和之后的第2次任務(wù)則采用升級(jí)的卡斯托－30B，后續(xù)任務(wù)將采用加長(zhǎng)型卡斯托－XL，以提高有效載荷能力并容納增強(qiáng)構(gòu)型的“天鵝座”飛船。

貨運(yùn)飛船

“天鵝座”飛船包括加壓貨物艙和服務(wù)艙，分別由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司和軌道科學(xué)公司建造。此次飛行的“天鵝座”飛船標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型長(zhǎng)3.66m，直徑3.07m，飛船自身質(zhì)量1500kg，加壓容積18.9m3，載貨質(zhì)量2000kg（滿載）。返回時(shí)可裝載1200kg廢物和站上不再需要的物品。

針對(duì)交會(huì)過程中的近距導(dǎo)航，飛船裝有Neptec公司研制的“三角測(cè)量和激光雷達(dá)自動(dòng)交會(huì)與對(duì)接”（TriDAR）系統(tǒng)，利用基于激光的三維傳感器和熱像儀收集目標(biāo)點(diǎn)的三維數(shù)據(jù)，通過軟件與目標(biāo)航天器的已知外形進(jìn)行對(duì)比，從而引導(dǎo)飛船飛向?qū)涌?。飛船由站上乘員使用站上機(jī)械臂捕獲，并具有標(biāo)準(zhǔn)的通用?？繖C(jī)構(gòu)。

4 任務(wù)亮點(diǎn)

此次任務(wù)中，“天鵝座”飛船共向“國(guó)際空間站”運(yùn)送約1465kg貨物，其中991kg為一般貨物，475kg為后期裝載貨物（包含一些高時(shí)效要求的科學(xué)有效載荷和新鮮水果）。貨物包括有效載荷、補(bǔ)給物品、食物、系統(tǒng)硬件和乘員個(gè)人用品。技術(shù)有效載荷主要包括33顆立方體衛(wèi)星及其釋放設(shè)備和SPHERES-Slosh試驗(yàn)設(shè)備；科學(xué)有效載荷主要包括23臺(tái)學(xué)生設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及“天鵝座”首個(gè)通電有效載荷商業(yè)通用生物配制裝置（CGBA），用于研究失重狀態(tài)對(duì)蟻群活動(dòng)的影響。

33顆立方體衛(wèi)星及釋放設(shè)備

NanoRacks公司的立方體衛(wèi)星釋放設(shè)備

28顆“鴿群”衛(wèi)星

“鴿群”衛(wèi)星展開圖

“天鵝座”飛船向“國(guó)際空間站”運(yùn)送了美國(guó)NanoRacks公司的立方體衛(wèi)星釋放設(shè)備及33顆立方體衛(wèi)星，以利用日本實(shí)驗(yàn)艙機(jī)械臂在軌建造釋放立方體衛(wèi)星所用的基礎(chǔ)設(shè)施。釋放設(shè)備將用于從站上釋放小衛(wèi)星進(jìn)入獨(dú)立軌道，使其執(zhí)行單獨(dú)任務(wù)。從“國(guó)際空間站”上釋放立方體衛(wèi)星有眾多優(yōu)勢(shì)。搭載到訪飛行器發(fā)射可以減輕發(fā)射過程中的振動(dòng)和負(fù)載。此外，衛(wèi)星可包裝以防護(hù)材料，從而顯著降低發(fā)射受損概率。衛(wèi)星到達(dá)空間站后可執(zhí)行釋放前的檢查，確保入軌前沒有任何損壞。

鴿群－1（Flock－1）是指由行星實(shí)驗(yàn)室（Planet Labs）公司運(yùn)營(yíng)的28顆3U立方體衛(wèi)星，以在軌驗(yàn)證過的“鴿子”（Dove）立方體衛(wèi)星為基礎(chǔ)構(gòu)建衛(wèi)星星座。該星座運(yùn)行在高度386～644km、傾角52°的地球軌道上，將覆蓋地球上大部分農(nóng)業(yè)區(qū)和人口聚居地，建成后將成為迄今世界上規(guī)模最大的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座，設(shè)計(jì)具有靈活性，每顆衛(wèi)星的軟件都可重新編程。3U立方體衛(wèi)星質(zhì)量約為5kg，本體貼有太陽(yáng)電池，另外還有兩個(gè)可展開的太陽(yáng)電池翼。航天器內(nèi)裝有貯能電池，向各個(gè)系統(tǒng)供電。姿態(tài)數(shù)據(jù)由三軸磁強(qiáng)計(jì)提供，實(shí)現(xiàn)三軸穩(wěn)定。每顆衛(wèi)星的主要有效載荷為一臺(tái)技術(shù)參數(shù)未知的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，用于獲取低成本、高分辨率的地球圖像。光軸沿衛(wèi)星中心軸方向以實(shí)現(xiàn)最大焦距。影像經(jīng)由S頻段下傳，可為多種用途服務(wù)，如監(jiān)視森林砍伐、自然災(zāi)害、輸油管道泄漏等。

立陶宛衛(wèi)星－1（LituanicaSat－1）和利特衛(wèi)星－1（LitSat－1）均為1U立方體衛(wèi)星，是立陶宛的首批衛(wèi)星。前者由立陶宛考納斯技術(shù)大學(xué)研制，裝有一臺(tái)低分辨率視頻圖形陣列（VGA）相機(jī)、“全球定位系統(tǒng)”（GPS）接收機(jī)、遙測(cè)信標(biāo)、超高頻連續(xù)波信標(biāo)及一臺(tái)音頻轉(zhuǎn)發(fā)器。衛(wèi)星在軌發(fā)送有效載荷和傳感器信息、圖像和3個(gè)立陶宛單詞。后者由立陶宛空間聯(lián)合會(huì)研制，其飛行計(jì)算機(jī)應(yīng)用低成本開源硬件和軟件建造，衛(wèi)星攜帶視頻圖形陣列相機(jī)、GPS接收機(jī)、線性轉(zhuǎn)發(fā)器和AX-25數(shù)據(jù)包無(wú)線電應(yīng)答器各一臺(tái)。

“天空立方體”（SkyCube）衛(wèi)星是由南星集團(tuán)發(fā)起的眾籌項(xiàng)目，投資人由此獲得機(jī)會(huì)從太空中發(fā)送一條120字的消息或在指定位置拍攝照片?！疤炜樟⒎襟w”是一顆質(zhì)量為2kg的1U立方體衛(wèi)星，具有可展開的太陽(yáng)電池翼、4臺(tái)相機(jī)和通信天線，用于接收來自地球的消息并在預(yù)定時(shí)間發(fā)送。

秘魯阿拉斯大學(xué)衛(wèi)星－1（UAPSat－1）是一顆由秘魯天主教大學(xué)射電天文學(xué)研究所建造的1U立方體衛(wèi)星。該衛(wèi)星利用體裝的太陽(yáng)電池發(fā)電。衛(wèi)星裝有微型計(jì)算機(jī)、無(wú)線電轉(zhuǎn)發(fā)器/接收器、電源控制模塊及由磁體構(gòu)成的基礎(chǔ)姿態(tài)控制系統(tǒng)，使其對(duì)準(zhǔn)地球磁場(chǎng)。衛(wèi)星在軌發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)和內(nèi)外部溫度傳感器讀數(shù)。

SPHERES-Slosh

阿德偉諾衛(wèi)星－2（ArduSat－2）是一顆2U立方體衛(wèi)星，在2013年11月從“國(guó)際空間站”上釋放的1U阿德偉諾衛(wèi)星－1基礎(chǔ)上建造。該衛(wèi)星由美國(guó)NanoSatisfi建造和運(yùn)行，為學(xué)生和航天愛好者提供平臺(tái)，進(jìn)行他們自己的天基開源硬件試驗(yàn)。星載傳感器包括高級(jí)渲染傳感器、紅外溫度傳感器、印刷電路板溫度傳感器、三軸磁強(qiáng)計(jì)、蓋革計(jì)數(shù)器（用于測(cè)量放射性）、六自由度慣性測(cè)量單元（IMU）和微電子機(jī)械式陀螺儀。

SPHERES-Slosh試驗(yàn)設(shè)備

SPHERES-Slosh應(yīng)用空間站上已有的自由飛行“同步位置保持、接合、重定向試驗(yàn)衛(wèi)星”并加裝新的試驗(yàn)設(shè)備，目的是考察微重力環(huán)境中液體在容器內(nèi)如何晃動(dòng)，演示施加的外力如何影響容器內(nèi)的液體。該試驗(yàn)?zāi)M火箭燃料在貯箱內(nèi)的晃動(dòng)過程，深入了解工作過程可以改進(jìn)衛(wèi)星和其他航天器或火箭貯箱內(nèi)的燃料晃動(dòng)模型，從而通過提高燃料效率來降低工業(yè)成本。

“螞蟻進(jìn)太空”

商業(yè)通用生物配制裝置（CGBA）科學(xué)嵌件針對(duì)不同用途提供可編程的溫度精確控制能力，用于進(jìn)行細(xì)胞、微生物和植物實(shí)驗(yàn)，可在“國(guó)際空間站”上提供自動(dòng)化執(zhí)行生物實(shí)驗(yàn)的能力。此次“螞蟻實(shí)驗(yàn)”設(shè)備是“國(guó)際空間站”上的第6臺(tái)商業(yè)通用生物配制裝置，將一群螞蟻送上太空，研究它們?cè)谖⒅亓Νh(huán)境中的行為，并與地面行為進(jìn)行對(duì)比，更好地了解群體智能可能有益于改善解決復(fù)雜問題的數(shù)學(xué)過程，如調(diào)度車輛、航線排班或遠(yuǎn)程通信效率等。地面上的學(xué)生可以觀看由站上攝像頭記錄的實(shí)驗(yàn)視頻。作為相關(guān)課程的一部分，學(xué)生還可在教室里與螞蟻進(jìn)行互動(dòng)。

太空講故事時(shí)間

這項(xiàng)科普活動(dòng)所用的教具包括少兒讀物和在站上做簡(jiǎn)單演示所用的材料?？臻g站上的航天員錄下他們講故事和做實(shí)驗(yàn)的過程，以趣味性方式演示科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念。

此外，“天鵝座”飛船還運(yùn)送了抗生素有效性實(shí)驗(yàn)（NLPVaccine－21）、二元膠態(tài)合金試驗(yàn)-動(dòng)力學(xué)平臺(tái)（BCAT-KP）、固體燃燒和抑制實(shí)驗(yàn)（BASS－2）等有效載荷。

5 結(jié)語(yǔ)

此次任務(wù)的成功具有里程碑式的意義，不僅是軌道科學(xué)公司首次正式的空間站“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同任務(wù)，也使該公司成為繼太空探索技術(shù)（SpaceX）公司之后第2家向“國(guó)際空間站”發(fā)射常規(guī)貨運(yùn)飛船的商業(yè)公司，填補(bǔ)了此前兩家公司之間的進(jìn)度差距。SpaceX公司已于2012年5月完成“龍”飛船的首次驗(yàn)證飛行，其后分別于2012年10月、2013年3月和2014年4月完成3次正式的合同補(bǔ)給任務(wù)。

至此，美國(guó)有了兩家完全成熟的私人承包商可為空間站提供補(bǔ)給，意味著美國(guó)結(jié)束了空間站補(bǔ)給工作的外包歷史，也意味著美國(guó)航天員和科學(xué)家有更多機(jī)會(huì)在太空中進(jìn)行基礎(chǔ)研究和地面上難以實(shí)現(xiàn)的微重力試驗(yàn)。除貨運(yùn)飛行外，美國(guó)航空航天局的商業(yè)航天合作伙伴也在載人發(fā)射方面取得重大進(jìn)展，力爭(zhēng)在3年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。美國(guó)航空航天局局長(zhǎng)曾稱，商業(yè)航天工業(yè)將成為21世紀(jì)美國(guó)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的新引擎，幫助其實(shí)現(xiàn)更宏偉的深空探索任務(wù)。由于“國(guó)際空間站”運(yùn)行壽命延長(zhǎng)至2024年，因此可能需要向太空探索技術(shù)公司和軌道科學(xué)公司追加商業(yè)貨運(yùn)訂單。