在人类迈向太空的进程中，货运飞船就是粮草运输部队。
作者 | 刘景丰
编辑 | 杨杨
中国人离太空生活又进了一步。5月29日晚，中国的货运飞船“天舟二号”向太空送上第一份包裹。
在地面收发快递，已经是再正常不过的事情了。但要在天上收快递，那会是什么体验呢？
中国人即将体验这个非比寻常的过程了。按计划今年6月17日，将有3名航天员乘坐“神舟十二号”载人飞船抵达“天和”核心舱“拆快递”。包裹中不仅有各种航天设备，还有饮用水和中国特色美食宫保鸡丁、鱼香肉丝等。他们将在空间站驻留3个月，开展舱外维修维护、设备更换、科学应用载荷等一系列操作。
货运飞船是空间站计划的一部分，相比载人飞船，其技术安全性的要求相对较低，但运力更高，是目前向太空运送货物的理想工具。跟国外相比，中国货运飞船的发展路线更具特色，优势能力相对更突出。
可以设想，未来随着中国空间站投入使用，以及可返回式飞船技术的发展，在太空收发“快递”将成为日常，甚至太空快递可实现当日达，比地球上的配送速度还快。届时，不仅地面的航天任务更加频繁，太空资源开发也将迎来新的局面。
借“天舟二号”成功发射的契机，「甲子光年」访谈了商业航天公司星际荣耀火箭总体设计师陈亮，并结合过往资料，和大家一起来一探货运飞船背后的秘密：
  1. 货运飞船要送货，有空间站是前提；
  2. 货运飞船从载人飞船发展而来，目的是多运货；
  3. 中国货运飞船运载能力更强，载荷比超过50%；
  4. 太空快递降本提效之后，为太空资源开发奠定基础。
1.太空快递：怎么送、多久送、送什么？

收发快递是人们最熟悉的日常生活的一部分。只要提供一个地址，下单之后，就能在家坐等快递上门。
但收发太空快递呢？前提当然是也需要有一个地址。
这就是过去（2017年发射的“天舟一号”为实验性飞行）为什么中国不发射货运飞船的原因——没有建空间站，没有我们自己的太空“地址”。“天和”核心舱发射成功后，这个问题解决了。
之后就可以根据“快递”排期收发快递了。星际荣耀火箭总体设计师陈亮表示，目前国内的载人飞船发射排期一般为3~6个月一班次，也就是说每3~6个月会有一次载人航天飞船升空。但货运飞船的业务性飞行才刚刚开始，以后可能也会形成每3个月一次的固定飞行班次。
然后就是看太空快递要运送什么货物。在电商高度发展的地面，快递运送的东西五花八门。但在太空则不同。货运飞船运往太空的货物中，占比最大的是生活物品，尤其是水，此外还有食物、科研设备，以及为空间站加注的推进剂等。
此次“天舟二号”携带的货物包括：科学设备和传统的中式美食。科学设备包括航天员的宇航服、空间站建设器材，中式食谱上则有人们熟悉的鱼香肉丝和宫保鸡丁等，这些要在航天员进入空间站之前提前运送。
在空间站建设阶段，建设物资占了相当大的比重；在建成之后，生活物资将占较大比重。推进剂并不占用货物仓，因此每次都可以尽量加满。
在空间站建成后，未来的太空实验样品也可以“快递”到地面，这时就用到可返回式货运飞船。此前「甲子光年」在《10年后，到天上采矿去》一文讲到，未来太空采矿将成为商业太空的热门领域，届时从太空采到稀有矿物便可以通过可返回式货运飞船“快递”到地球。
到时候，拆太空快递的心情岂不比今天拆网购快递激动百倍？
2.中国货运飞船发展简史：载人航天一部分

“天舟二号”是中国空间站计划的一部分。
1992年中国正式提出载人航天三步走计划：第一步，能上天；第二步，能出舱；第三步，建立小型空间站。
2003年“神舟五号”载人飞船和2008年的“神州七号”载人飞船两项任务，相继完成了上天和太空行走的前两步计划，此后中国的空间站计划便拉开了帷幕。
2011年，中国载人航天工程发射了第一个先导试验型空间站——“天宫一号”。作为中国首个空间实验室，“天宫一号”先后与“神舟八号”、“神舟九号”和“神舟十号”载人飞船完成多次空间交会对接，并于2016年终止数据服务。
2021年4月29日，中国空间站“天和”核心舱发射入轨。此后，货运飞船才开启了飞行性业务。按照规划，2021~2022年，我国将实施11次飞行任务，包括3次舱段发射、4次货运飞船以及4次载人飞船发射，于2022年完成空间站在轨建造，实现中国载人航天工程“三步走”发展战略“第三步”的任务目标。
中国空间站模拟图
为了满足空间站前期建设需要，“天舟”货运飞船就需要有较大的运力。星际荣耀陈亮告诉「甲子光年」，“天舟”由货物舱和推进舱组成，其中货物舱用于放置各类货物、设备，推进舱为货运飞船提供电力能源、推进控制动力并装载推进剂。“天舟二号”上行最大载货重量达到6.9吨，是目前世界现役货运飞船中载货能力最强的飞船。从历史上看，也仅次于欧洲ATV（自动转移飞行器）货运飞船的7.6吨，但ATV已在2014年退役。
从载荷比看，“天舟二号”已达到51%，也处于世界先进水平。由于在宇宙飞船上每增加1千克的有效载荷，都必须为它耗费不少能量，因此载荷比越高，意味着飞船以最小的结构重量运更多的货物，更划算。
3.货运飞船有什么用？给空间站“送货加油”

纵观航天发展历程，载人飞船的历史要早于货运飞船。既然如此，为什么不人货同运，而是还要单独研制货运飞船呢？
这要先从货运飞船的历史讲起。1971年，苏联建立了世界上第一个空间站——“礼炮一号”。两年后美国也发射了其载人空间站“天空实验室”。当时，他们都使用载人飞船为空间站提供物资，但载人飞船大量的空间用于载人和维持航天员生命健康所需的设备，因而能携带的物资量非常少，只有几百千克。
如果要增加物资量，则需要进行多次发射。但当时单次发射载人飞船的费用巨大，因此货运成本高昂。为了降低货运成本，后来苏联在“联盟号”载人飞船的基础上改造，改装对接口，拆掉不需要的座椅，环境控制与生命保障、返回着陆和应急救生等与载人有关的系统，并慢慢形成了“进步号”货运飞船，其单次可运输的物资可重达两吨，实现了质的飞跃。
此外，“进步号”货运飞船的补给舱取代了“联盟”飞船的返回舱，装有多个推进剂贮箱，其中一部分贮箱装有燃烧剂，另外一部分贮箱装有氧化剂，有的还装有一个水箱。燃烧剂和氧化剂通过对接环上的液体连接器可给空间站补给推进剂。
第一艘“进步”货运飞船于1978年1月20日升空，飞往“礼炮6号”空间站。1978~1990年期间，“进步”飞船一共发射了43艘，它们为“礼炮6号”“礼炮7号”空间站运送了大量的货物补给，大大延长了这两座空间站的工作寿命和航天员的在轨时间。
这可以总结出货运飞船与载人飞船的差异：对生命安全要求低，但货运量大，同时还能补给航天设备推进剂。相当于“既送货又加油”。
“天舟二号”发射成功后，中国成为继俄罗斯之后第二个掌握货运飞船对空间站进行燃料加注技术的国家。空间站一般在轨道运动，因为自行运动需要消耗宝贵的燃料，而这些燃料只能在规避飞来陨石等紧急情况下才能使用，燃料可以加补，也就意味着空间站轨道可以更加自由地变换了，更能规避侦测；另外每隔一段时间后，空间站的轨道高度会降低，补充推进剂后空间站可以再次升轨。
货运飞船还有一个优势：可以将空间站产生的垃圾带回大气层中烧毁，减少太空污染。
4.那些已经飞过太空的货运飞船
货运飞船往返太空，并不是今天才有的事情。迄今为止，全世界已发射过约180多艘货运飞船。
除了俄罗斯（苏联）的“进步”货运飞船外，欧洲的货运飞船叫“ATV”是迄今运载能力最大的货运飞船，从2008年起到2014年共发射了5次。
形如双层巴士大小的“ATV”有四类用途：向空间站运送补给物资；在货物卸载后，可以用作空间站的附加活动室；提升“国际空间站”的轨道；用作垃圾箱，把6.5吨空间站产生的废弃物资带回地球烧毁。
日本的货运飞船名为“HTV”（H-2转移飞行器），比欧洲稍晚，从2009年开始首发。
“HTV”由加压货舱、非加压货舱、电子设备舱和推进舱4部分组成。其特点是，飞船舱门大，与空间站的接口各边均加宽到约1.2米，所以它可以搬运其他货运飞船无法运送的大型装置，货物运输能力强。其满载后总重达16.5吨，货物运载能力约为6吨。
另外，HTV还是唯一一种可向“国际空间站”运送加压与非加压货物的无人飞船，包括安装在站外的外部实验和在轨更换装置。
从2009年9月到2016年12月，HTV成功完成了6次空间站补给任务。目前也已退役。
美国有两款货运飞船：货运“龙”飞船和“天鹅座”货运飞船。
与以上飞船都由政府投入研制不同，“龙”飞船和“天鹅座”飞船都是由商业公司研制。它们的最大特点是：由美国航空航天局选定的私营商业公司自行投资，研制用于“国际空间站”天地往返运输的飞船和火箭，然后美国航空航天局以“下订单”的模式租用飞船，把货物运往“国际空间站”内，从而降低天地往返运输的费用。
“天鹅座”飞船于2013年9月18日进行了首次验证飞行，此后正式投入使用。它由加压货物舱与通用服务舱组成，加压货物舱基于意大利“多用途增压后勤舱”研制，采用模块化设计，可根据要求采用2模组、3模组、4模组的加压货舱，分别对应2000kg、2700kg和3400kg的运载能力。
“载货龙”是目前所有货运飞船中唯一可以运回物品的，这是因为该飞船带有热防护罩，可在返回时耐受极高温安全降落，而其他飞船不具有热防护罩，只能在再入大气层时烧毁。
陈亮告诉「甲子光年」，目前使用的第二代载货“龙”飞船在载人“龙”飞船的基础上改进，有更大的运载能力。由于担心可回收式载人飞船在复用时产生安全问题，过去一段时间SpaceX在回收了载人“龙”飞船后就改造成货运“龙”飞船，通过这种方式重复使用。因此其载货和载人飞船有通用化的特点。
5.货运飞船双向收发，太空开发指日可待

“龙”飞船最被人赞誉的就是其开创性地实现可回收的能力，且是目前世界上唯一一个能做到可回收的宇宙飞船。
不可否认，可回收式飞船在技术上比不可回收飞船更高一筹，且可复用的特质也使得飞船的使用成本能得到大大摊薄。但即使这样，国际空间站也没有放弃使用其他一次性的货运飞船。
为什么呢？以货运“龙”飞船为例，其理论最大运载能力为6吨，载荷比为40%，即满载后货物占飞船总质量的40%，而现役的货运飞船载荷比多数已超过45%。此外，由于它在返回时也需要通过燃烧推进剂来调整姿态、控制下落速度，因此便无法再对空间站在轨补加推进剂。
陈亮说，过去人们对可回收式飞船的技术比较谨慎，比如回收后的载人“龙”飞船在复用时转做货运，防止载人时发生危险。但事实证明，在历次任务中，“龙”飞船均未因自身问题产生严重事故（因火箭导致的爆炸事故除外），这说明可重复使用飞船的技术不会带来额外风险，虽然难度确实会增加。
可回收式飞船也是当下航天领域较热门的方向。目前，国内也在研制新一代货运飞船，届时其不仅货运能力更强，而且还能实现重复使用，大大降低飞船的使用成本。
新一代货运飞船具有两个明显特征：
第一是可重返地球。现在的“天舟”只有上行运货能力，与空间站对接完成任务之后，就会进入大气层内烧毁。空间站上一些来之不易的科研成果，只能通过每3~6个月一班的载人飞船带回地球，时间周期较长，影响实验成果转化应用进度。未来若货运飞船能实现往返，则可大大提升太空科研成果、资源的“邮递”效率。
第二则是可重复使用。“天舟”货运飞船的最终命运是进入大气层烧毁，运一次货物就耗费一艘飞船，成本太高。如果给它加上隔热瓦，令其安全返回地面，下次再接着用，“快递费”就可以便宜许多。
当然，除了我国之外，日本和欧洲也都在研制下一代重返大气层和可重复利用的货运飞船。
未来，当太空的“快递”效率又高、费用又便宜，这就为太空资源开发奠定了基础。太空采矿、太空实验、太空科研……都将迎来爆发，甚至太空和人们生活的距离，如同现在网购中卖家与买家的距离。
END.
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