日本貨運飛船的設計理念與運營情況

小火箭出品

本文作者：邢強博士

本文是小火箭經典貨運飛船系列文章的第2季的第2篇。在小火箭經典貨運飛船第1季中，小火箭與大家一起分析了美國龍飛船的總體設計、龍飛船的對接、龍飛船的載人版改進、蘇聯進步貨運飛船的發展譜系、進步飛船的總體設計、進步飛船創造的人類航天史上最嚴重的碰撞事故、進步飛船的貨運搭配以及進步飛船與和平號空間站的凄美悲壯往事。在第2季開篇，小火箭介紹了世界上最大最重的貨運飛船：歐洲自動運載器ATV飛船。

本文，小火箭將要分析的是日本的無人貨運飛船HTV。（日本自己將其叫做白鸛號）

HTV是日本獨立研製的無人貨運飛船，其主要任務是向國際空間站運送補給。在日本得知美國的太空梭即將退役，而日本在國際空間站上的希望號艙段的實驗計劃與日俱增的情況下，日本對擁有自己的貨運飛船的渴望便愈發強烈。

日本當地時間2009年10月31日凌晨2點32分，裝有1.6噸垃圾的日本HTV飛船（轉移飛行器）脫離國際空間站。11月2日，HTV接收到再入指令後，墜入大氣層焚毀。這標誌著日本自2009年9月11日發射的HTV系列飛船的首艘驗證飛行器完成了使命，也同時意味著日本繼俄羅斯、美國和歐空局之後，也開始正式加入無人貨運飛船俱樂部。

總體

2009年，HTV飛船的飛行試驗取得成功。該飛船基本上呈圓柱體外形，直徑4.4米，高約9.8米，空重10.5噸。HTV的上行載荷能力為6噸，約為俄羅斯進步號貨運飛船的2倍，比歐洲自動運載器（ATV）的7.5噸的運載能力和中國天舟貨運飛船的6.5噸略低。

不過，雖然日本HTV飛船的運力低於歐空局的ATV，但是在細節上的設計考慮使其在執行貨運任務時有比較獨特的競爭力（看上圖，4名宇航員同時進出HTV貨運飛船，毫無壓力）。HTV飛船的貨艙艙口為1.27米×1.27米，比起和俄羅斯進步飛船採用同源技術的歐空局ATV飛船的0.8米×0.8米尺寸的艙口來說，大了不少（面積為2.52倍）。

這樣以來，儘管HTV的貨艙比ATV的要小一些，但是在運送大型試驗設備的時候，ATV的艙口就成為了瓶頸，而HTV則能夠把任務承接下來。

日本HTV貨運飛船的發動機特寫。HTV飛船的動力系統採用了4台主發動機+28台姿控發動機的布局方式。4台主發動機的單台推力均為500N，她們直接借用了美國阿波羅飛船上的姿控發動機。

小火箭畫了個圈把阿波羅飛船其中一組姿控發動機圈出來了。

這就是推重比達13.74的阿波羅飛船RCS系統使用的R-4D發動機。歐空局的ATV飛船和日本的HTV飛船的主發動機均採用了阿波羅飛船的R-4D發動機。

是不是覺得HTV飛船四周的28台姿控發動機也比較眼熟？是的，這些發動機原本是用在太空梭的姿態控制系統上的。4台阿波羅飛船的姿控發動機用作主發動機，28台太空梭的姿控發動機用作飛船的姿控發動機，這32台發動機就構成了日本貨運飛船的動力系統（燃料質量為2400千克）。不過，日本對飛船發動機國產化的嘗試已經成功。在HTV-3和HTV-5兩艘飛船上，所有的發動機都已經是日本自己生產的了。

小火箭在這裡要指出的是，日本國產的飛船火箭發動機不僅僅用於日本HTV飛船，在其系列化產品中，有一些已經出口到美國，開始應用在美國的「天鵝座」貨運飛船上。

火箭

HTV飛船的龐大尺寸給日本的火箭帶來了不小的壓力。國際空間站的日本核心艙段希望號，是一個長11.2米、外徑4.4米、內徑4.2米的圓筒形狀模組。HTV飛船的外徑和希望號艙段相同，而長度僅僅短了1.4米，其發射質量高達14.5噸。因此，日本需要研製推力更強的火箭才行。

於是，H-IIB運載火箭應運而生。該火箭的研製與HTV貨運飛船的研製同步進行。而2009年9月11日的HTV飛船的首次飛行試驗同時也是日本H-IIB運載火箭的首次發射。H-IIB運載火箭是在H-IIA運載火箭的基礎上開發出來的。H-IIA火箭主要用來執行地球同步軌道衛星的發射任務，其同步軌道運載能力為4噸。

H-IIB運載火箭在H-IIA火箭的基礎上，芯級增加了1台LE-7A發動機，變為了2台。助推器則由原來的2台增加為4台。這樣，H-IIB火箭的同步軌道運載能力比H-IIA提升了50%，同時，其近地軌道能力增至16.5噸，剛好可以用來滿足HTV飛船的發射需求。

有關H-IIB這款火箭，小火箭今後會專門寫一個系列。(重點是其液氫液氧火箭發動機)

對接

與歐空局的ATV飛船不同，日本的HTV飛船的對接系統沒有借用俄羅斯的技術，而是由三菱電機開發，嘗試走日本自己的技術路線。

HTV飛船的對接系統由近傍通訊系統、PROX天線、PROX-GPS天線、PROX溝通設備以及硬體指令面板構成。HTV飛船向依靠相對GPS定位技術飛到國際空間站下方。然後，在安裝在國際空間站的日本核心艙段希望號下方的接收會合激光的反射器和飛船的激光雷達的共同作用下，實施會合機動。

當HTV飛船與國際空間站的相對距離為10米時，飛船關閉姿軌控發動機，開始進入「自由飄浮」狀態，等待著被國際空間站上的宇航員操縱的加拿大臂將自己捕獲，並隨後被拉到對介面位置實施對接。

日本宇航員與NASA的宇航員在一起訓練操縱國際空間站上的加拿大2號機械臂捕獲HTV貨運飛船。

他們的對接訓練系統的界面上這樣的。

實驗

日本的HTV飛船是連接國際空間站日本核心艙段希望號與地球表面上的日本多所太空探索相關研究機構之間的紐帶。HTV飛船因此也就承擔了大量的實驗任務。

日本早稻田大學研製的用於研究宇宙射線與暗物質的「量能器電子望遠鏡」就是由HTV飛船送入太空的。該望遠鏡最終與希望號艙段連接成功。而以發射商業衛星起家的日本航天發射部門當然不會放過任何掙錢的機會。HTV飛船專門設計了帶載和釋放小衛星的機構。第5艘HTV飛船進入太空時，就順便釋放了歐空局的2顆立方星和巴西的1顆小衛星。

2012年，日本HTV-3貨運飛船上面攜帶了多顆立方星。

上圖是2012年10月4日，從國際空間站上釋放的由HTV-3貨運飛船帶上來的小衛星。從左至右依次是：由美國聖何塞州立大學和瑞典AAC微技術公司聯合研製的立方星「技術與教學星」 (TechEdSat星)；由越南FPT大學FPT技術研究院F航天(FSpace)實驗室研製的教學用立方星（F1星）；由日本福岡工業大學研製的立方星。美國和越南的立方星重1千克，福岡的那顆星重2千克。這3顆小衛星在國際空間站巨大的太陽能帆板前顯得更小了。

這是越南F1衛星的存儲元器件。

另外，HTV飛船還曾經把6種酒送入了國際空間站。當然，國際空間站是不提倡宇航員在太空飛行的任務中飲用這麼多白酒的。這些酒實際上是用來做太空環境靜置實驗的。6種酒在國際空間站被放置1年後，會交給專業的分析和測評機構，以便分析太空環境對酒類口味的影響。

HTV飛船6號機的實驗任務對未來的太空探索有比較積極的意義。該飛船攜帶了全套的太空垃圾清理設備。該設備由日本宇宙航空研究開發機構研製。設備的核心部件是一根700米長的繩子。繩子一端系在HTV飛船上，另一端則在太空中漂浮。當宇航員發現並追蹤到大塊的太空垃圾後，會設法用繩子將其和HTV飛船連到一起。這樣，隨著HTV飛船執行完任務再入大氣層燒毀的時候，也就能順便清理一些太空垃圾了。不過，從今年年初的結果來看，實驗不夠理想。

在總裝廠房內的日本HTV貨運飛船。

對接在國際空間站上的日本HTV飛船正在目睹美麗的極光。

國際空間站上的宇航員剛剛收到HTV貨運飛船運來的新鮮水果時開心的樣子。

帶有東方文化背景的貨運飛船，無論是飛船上還是飛船的指揮控制大廳內，都能看的千紙鶴的身影。

最後，小火箭要強調的是，雖然中國第一顆人造地球衛星和第一艘無人貨運飛船的發射時間都晚於日本，但是中國的第一顆人造地球衛星與第一艘無人貨運飛船的技術含量均高於日本。

從衛星發射時間上來說，日本是繼蘇聯、美國和法國之後，第4個獨立發射人造地球衛星國家（1970年2月11日04時25分），其第一顆人造地球衛星的質量為23.8千克。中國緊隨其後，在2個多月後，於公元1970年4月24日21時35分45秒發射了自己的第一顆人造地球衛星，而其質量為173千克（是日本第一顆人造地球衛星的7.27倍）。

從貨運飛船發射時間上來說，日本是繼蘇聯、美國和歐空局之後，第4個獨立掌握貨運飛船技術的國家（2009年9月），其第一艘貨運飛船的運載能力為6噸，發射質量為16.5噸。中國2017年4月發射了自己第一艘無人貨運飛船，其運載能力為6.5噸。另外，中國天舟飛船具備在軌補加能力，其載荷比也優於日本和歐洲的貨運飛船。

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日本H-IIB火箭發射HTV飛船的過程

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