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货运飞船:请不要只叫我“快递员”

发布时间:2022-05-20 14:56 信息来源:科普中国 浏览:
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不久前,我国在文昌航天发射场 使用长征七号运载火箭,成功将天舟四号货运飞船送入预定轨道 ,为天宫空间站送去了今年的首批物资。其实,货运飞船除了向空间站运输物资外,还有很多别的功能。那么,货运飞船其他的用途都有哪些呢?

天舟四号货运飞船发射升空(摄影:屠海超)

承担一定的太空实验

“造船为建站,建站为应用”,空间站具备有人驻留操控和平台体积大等特点,是航天员在轨开展空间科学研究和应用的理想平台。

虽然空间站的支持能力强,但广泛的空间科学研究和应用带来了众多需求。空间站除了主体外,货运飞船也是太空实验平台的一员,是空间站 开展空间科研和应用的重要补充,在有些场合它具有不可替代的作用。

世界很多国家研制的货运飞船都具备独立自主飞行能力和轨道姿态控制能力,都有大容量的增压货舱,部分飞船还有非加压货舱。这些货运飞船中既有装备大型太阳翼的类型,也有在体表覆盖太阳能电池的型号,为开展空间科学实验和应用提供了充分和多样化的物质基础。

另外,航天发射的成本都极其昂贵,发射上天的航天器比等重黄金还贵,如果只将货运飞船用于运输物资难免有点浪费。

货运飞船可以看作是一个短寿命的迷你空间站,合理利用其开展太空实验成为了常规操作。

货运飞船具备独立飞行能力,适合需要独立开展的太空实验,尤其是 那些有更高微重力环境要求的实验。例如,日本HTV货运飞船采用的是贴身太阳能电池,大气阻力和太阳光压等外力带来的加速较小,成为了很好的太空微重力实验平台。

苏联首先研制并将货运飞船投入使用,苏联和继承者俄罗斯都积极探索使用货运飞船开展空间实验。俄罗斯曾使用进步号货运飞船执行研究发动机尾焰等离子体特征。该飞船还用于快速交会对接试验,为后续联盟号载人飞船的快速对接奠定了基础。

美国的天鹅座货运飞船有一个3米直径和27立方米体积的货舱,为开展太空实验提供了很好的场所。美国宇航局在天鹅座飞船上进行过多次“纵火”实验,也就是在它宽敞的货舱内点火,观察现实规模的太空火灾,研究微重力下的火焰扩散。

轨道控制有“我”一份

载人空间站工程技术成熟较晚,货运飞船广泛用于太空实验则是本世纪的事情,而货运飞船更实用和广泛的应用是用于空间站的轨道控制和姿态控制。

众所周知,地球轨道上几乎没有空气,但对于以接近第一宇宙速度飞行的空间站来说,稀薄的高空大气阻力是不可忽视的因素。以国际空间站为例,它的轨道高度每天都会由于空气阻力下降约100米,如果太阳活动剧烈,地球高层大气密度增加,轨道高度下降就会更多。

即使空间站运行在距离地球表面约400公里高的轨道上,如果不定期 提升轨道高度,用不了多久也会坠入大气层烧毁。

另外,很多时候空间站还要主动调整轨道相位,为载人飞船和货运飞船的对接任务提供更好的发射窗口。同时,地球轨道上还散布着大量的太空垃圾和以“星链”为代表的多个低轨道巨型通信卫星星座。空间站为保证航天员的生命安全,会时不时地变轨规避轨道上的太空垃圾和卫星。

控制空间站的轨道姿态也是货运飞船的主要功能之一。虽然空间站核心舱安装有轨道控制发动机,但燃料需要货运飞船补加。因此,科研人员想到使用货运飞船进行轨道提升的办法。

空间站如果有货运飞船对接驻留时,主要使用货运飞船的发动机来提升轨道,而核心舱的发动机和燃料更多是以备不时之需。

空间站除了变轨操作外,还要使用姿控发动机调整飞行姿态。虽然日常使用大型控制力矩陀螺能满足空间站的姿态控制需求,但太空飞行时累积的姿态调整会让陀螺转速越来越快,最后无法输出力矩从而失去姿态调整能力。

要让控制力矩陀螺重新“满血复活”,需要姿态控制发动机点火为陀螺卸载,让它的转速降低到正常范围。

一般来说,陀螺卸载操作可以由核心舱的姿控发动机完成,但一些货运飞船也能进行这样的操作,以减轻核心舱的负担。

目前,国际空间站的轨道提升和姿态控制主要使用俄罗斯的进步号货运飞船来完成。2021年,俄罗斯科学号实验舱对接国际空间站时,因用力过猛导致国际空间站后空翻540度,最后是星辰号服务舱和进步MS-17货运飞船通过发动机点火反推,才让国际空间站重新回到正确姿态。

除了上述货运飞船外,我国发射的天舟四号货运飞船也具备承担空间站姿态和轨道控制的能力。

天舟四号货运飞船(照片由航天科技集团五院提供)

货物下行非“我”莫属

货运飞船将大量货物和实验载荷送上太空,对接空间站,服务于航天员生活和空间科研应用。然而,空间站不是只进不出的“吃货”,常驻航天员的日常生活、空间实验和应用,除了可以制造出大量实验结果和制成品外,也会产生大量无用的废弃物,因此必须定期将空间站上的垃圾处理掉。

不同于地面有垃圾桶、垃圾车和垃圾站等一整套垃圾处理设施,狭小的空间站很难处理并再利用垃圾。虽然太空广袤,但在轨道上乱扔废弃物不仅会生产大量的太空垃圾,还会对包括空间站在内的航天器构成安全威胁,这时就要货运飞船帮忙将废弃物带走。

货运飞船拥有巨大的货舱,上行飞向空间站时可以容纳大量的货物,而从空间站分离返回地球时,也能用于存放废弃无用的垃圾。

货运飞船在寿命末期会和空间站分离,并采用主动离轨方式再入大气层烧毁,避免成为太空垃圾。

实际上,货运飞船从诞生那一天起,就承担着下行销毁垃圾的任务,既减少了太空轨道上的垃圾,又避免了空间站垃圾的堆积,可谓一举两得。

航天员在空间站上进行科学实验,虽然会产生一些废弃物,但也研制出了很多有用的实验成果。这些有价值的实验成果需要带回地面。虽然可以使用像俄罗斯的“联盟号”和我国的“神舟号”这样的载人飞船下行运输,但这些飞船返回舱的下行运输能力有限,无法满足将大量实验成果带回地面的需求。

近年来,随着科技的进步,美国SpaceX公司研制的龙式货运飞船具备了返回功能,可将国际空间站上大量的实验成果运回地面,这种下行的运货能力在目前是独一无二的。

我国研制的天舟货运飞船模拟图(照片由航天科技集团五院提供)

不过,我国在这方面也有相应的计划。5月15日,天舟货运飞船总设计师白明生在央视《面对面》访谈中透 露,未来我国的天宫空间站有大量物资运回地面的需求时,也会设计返回式货运飞船。

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