太空快遞誰來送？世界貨運飛船大盤點

作者：李會超（中國科學院國家空間科學中心）

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，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備；空間站本身的正常工作，需要定期獲得各類設備備件，補充燃料和氣體；空間站中產生的各類廢物，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。

那麼，人類歷史上，已經發射或即將發射哪些貨運飛船，去往太空「送快遞」呢？

「快遞小哥」一：「進步」號

人類空間站技術的先驅是蘇聯的「禮炮」（Salyut）系列空間站。

在禮炮空間站設計初期，蘇聯設計師們就意識到了為太空中長期執行任務的宇航員提供補給的重要性。

上世界70年代中期研製禮炮-6號空間站時，補給問題愈發顯現，設計師們決定以載人的聯盟飛船為基礎，設計出一種只運載貨物、不搭載宇航員的貨運飛船，並將其命名為「進步」號。

進步號飛船

進步號採用了與聯盟號相同的三艙式結構，而不同的是，聯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、處在聯盟號飛船軌道艙位置的貨物艙，用來存儲各類貨物。當進步號與空間站對接後，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。之後，再將空間站需要拋棄的廢物轉移到貨物艙中。在飛船返回大氣層的過程中，這些廢物將隨飛船一同燒毀。

位於飛船中部、聯盟號返回艙位置的，是進步號的補加艙，這裡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。當進步號與空間站對接後，以補加艙里存貯的液體通過對接環上的液體連接器轉移到空間站自身的推進系統中。

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射升空，與禮炮-6號空間站成功對接，此後至今的近40年間，進步號經過了多次改進，產生了進步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，由於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，空間站就會墜落到地面上（這種悲劇在歷史上真的發生過，參見《美國天空實驗室墜落內幕》） 。

進步號的推進艙除了給飛船自身的飛行提供動力外，還可以在對接後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拜科努爾航天基地「發貨」後，乘坐聯盟火箭來到太空之中，一般在兩天左右的時間之後才能到達「買家」國際空間站手中。

2012年8月，在賣家優化了物流服務、採用了新的交會對接方案後，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。

發射進步-M飛船的聯盟-U火箭正在起豎

「快遞小哥」二：龍飛船

受益於太空梭強大的運載能力，美國在國際空間站運行初期並沒有開發專用的貨運飛船。

在太空梭退役後，美國的宇航員不得不購買俄羅斯聯盟號飛船八千萬美元一張的船票去往空間站，而貨物運輸的任務，則由商業軌道運輸項目支持下開發出的兩種貨運飛船來執行。

龍飛船

龍（Dragon）飛船來自於埃隆·馬斯克領導的Space X公司，它既能無人飛行搭載貨物，又可以在未來增載入人飛行的功能。

龍飛船由兩個艙段組成，位於飛船前方的錐形加壓艙用來運輸一般的補給品。

位於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境內的貨物。

例如，在龍飛船第二次前往國際空間站執行任務時，為國際空間站的輻射散熱系統送去了一些新備件，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。

後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出來了。

返回地面後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一貫的可重用設計理念，返回地球的加壓艙也能夠被多次重複利用。

未來，龍飛船的載人型號出現後，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，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飛船為基礎發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，計劃於近日發射。

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、開展空間科學實驗和技術試驗等功能。

根據報道，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，運輸能力居於國際前列。

去年下半年，天宮二號的發射成功以及所搭載的一系列科學實（試）驗的有序開展、與神舟十一號的順利交會對接，標誌著我國全面進入空間實驗室和空間站任務實施階段。

而為了未來實現宇航員在空間實驗室的長期駐留和各項空間科學實（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，就是與天宮二號進行三次交會對接，並在期間完成推進劑的在軌補加。

首先，在天舟一號發射進入軌道之後，它將與天宮二號進行首次對接，對接之後，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，在完成狀態檢查後，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，在這一階段任務完成之後，天舟一號會撤離天宮二號，繞飛到另一側與天宮二號進行第二次對接，然後二次分離，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、主動隔振關鍵技術驗證、兩相系統實驗平台關鍵技術驗證以及多項微重力對細胞增殖和分化影響等十餘項科學實（試）驗。

最後，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的最後一次的對接，驗證自主快速交會對接技術，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，突破以後，包括載人飛船和貨運飛船都可以使用這個技術進行快速對接。

這一系列任務順利完成後，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。

廠房內的天舟一號

本文由科普中國融合創作出品，中國科學院國家空間科學中心李會超、科學大院共同製作，中國科學院計算機網路信息中心監製，「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌

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