“天鹅”展翅—“天鹅座”飞船成功执行首次正式合同任务

郭筱曦（北京空间科技信息研究所）

“天鹅”展翅—“天鹅座”飞船成功执行首次正式合同任务

郭筱曦（北京空间科技信息研究所）

2014年1月9日，执行美国轨道科学公司首次“商业补给服务”（CRS）合同任务（Orb－1）的“安塔瑞斯”（Antares）火箭从美国弗吉尼亚州中大西洋地区航天发射中心点火升空，成功将“天鹅座”（Cygnus）货运飞船送入初始目标轨道。随后，该飞船用自身推力器提升轨道，1月12日与“国际空间站”（ISS）交会，在站上航天员的控制下被加拿大机械臂－2捕获，停靠至和谐号节点舱。此次任务中，“天鹅座”飞船共向“国际空间站”运送约1465kg货物。在轨停靠37天后，飞船于2月18日离站，次日再入大气层烧毁。

轨道科学公司董事长兼首席执行官戴维·汤普森称，继2013年成功执行验证任务之后，此次正式货运任务也圆满完成，但对于“商业补给服务”合同开展来说这只是第一次任务。轨道科学公司将之后的两次“天鹅座”任务也安排在2014年。

1 任务背景

此次任务规划已久。根据与美国航空航天局（NASA）签订的“商业补给服务”合同，轨道科学公司要在2016年前向“国际空间站”发射8艘“天鹅座”货运飞船，共运送约20t货物，合同价值19亿美元。

刚刚过去的2013年对于轨道科学公司是收获颇丰的一年。尽管存在很多工程挑战，“安塔瑞斯”运载火箭还是于2013年4月完成首次试射，成功将“天鹅座”质量模拟件送入轨道。同年9－10月，“天鹅座”首飞，成功执行“商业轨道运输服务”（COTS）首次验证任务（Orb-D）。尽管早期交会阶段遭遇技术难点，但最终还是无瑕疵地停靠于“国际空间站”对接口，任务满足所有要求，为轨道科学公司的“国际空间站”常规补给飞行扫清了障碍。

2 任务概况

“安塔瑞斯”火箭发射“天鹅座”飞船

此次任务几经波折，原定于2013年12月发射，但12月“国际空间站”上的冷却系统突发故障，站上乘员需要执行应急舱外活动更换故障组件，因此将发射推至1月。进入1月，严寒天气和意外的太阳耀斑又数次推迟发射日期。在全面复查与空间辐射环境相关的数据、进一步审查和建模火箭电子系统并预测发射场地面天气状况之后，“安塔瑞斯”发射团队决定在1月9日发射，并收尾所有遗留的发射前审查和测试工作。轨道科学公司工程团队经与美国航空航天局磋商后确定，发射成功的风险在“安塔瑞斯”计划之初确立的可接受范围之内，发射任务最终在1月9日实施。

飞船目标初始轨道的轨道高度为近地点210km、远地点298km，倾角为51.64°。实际任务中，火箭将飞船送入近地点219km、远地点279km、倾角51.654°的初始轨道，在允许误差范围之内。飞船入轨后执行一系列检查，随后开始交会飞行。与“国际空间站”建立联系后执行变轨机动，逐步提升轨道高度并使近地点和远地点更加接近，且接近“国际空间站”所在轨道。

“天鹅座”入轨后由轨道科学公司位于杜勒斯的任务控制中心（MCC-D）监视和控制，并与美国航空航天局位于休斯顿的约翰逊航天中心任务控制中心（MCC-H）持续协同。日本飞控人员也通过其在站上的邻近通信系统（PROX）提供飞船与“国际空间站”之间的近连续性指令和数据交换，以支持飞船的交会、停靠和离站操作。

2月17日，乘员开始紧固飞船内所有货物，关闭灯光并移除照明器材、灭火器及其他设备。18日，“天鹅座”与“国际空间站”解除对接。19日，飞船在新西兰以东太平洋上空再入大气层。

3 运输系统

轨道科学公司根据“商业轨道运输服务”合同建造“安塔瑞斯”系列火箭和“天鹅座”飞船，用于验证向“国际空间站”运送货物的能力。随着2013年10月验证飞行任务成功，轨道科学公司现已进入“商业补给服务”计划阶段。

运载火箭

“安塔瑞斯”为两级火箭，高40.5m，直径3.9m，起飞质量约为284t。第一级使用液体燃料，由两台AJ－26发动机驱动。第二级是由阿连特技术系统公司（ATK）建造的固体燃料火箭发动机，可选用卡斯托－30A（Castor－30A）、30B、XL。

第二级发动机参数对比

“安塔瑞斯”的头两次任务，即首次试射和“天鹅座”首次验证飞行任务均采用卡斯托－30A发动机，此次任务和之后的第2次任务则采用升级的卡斯托－30B，后续任务将采用加长型卡斯托－XL，以提高有效载荷能力并容纳增强构型的“天鹅座”飞船。

货运飞船

“天鹅座”飞船包括加压货物舱和服务舱，分别由泰雷兹-阿莱尼亚航天公司和轨道科学公司建造。此次飞行的“天鹅座”飞船标准构型长3.66m，直径3.07m，飞船自身质量1500kg，加压容积18.9m3，载货质量2000kg（满载）。返回时可装载1200kg废物和站上不再需要的物品。

针对交会过程中的近距导航，飞船装有Neptec公司研制的“三角测量和激光雷达自动交会与对接”（TriDAR）系统，利用基于激光的三维传感器和热像仪收集目标点的三维数据，通过软件与目标航天器的已知外形进行对比，从而引导飞船飞向对接口。飞船由站上乘员使用站上机械臂捕获，并具有标准的通用停靠机构。

4 任务亮点

此次任务中，“天鹅座”飞船共向“国际空间站”运送约1465kg货物，其中991kg为一般货物，475kg为后期装载货物（包含一些高时效要求的科学有效载荷和新鲜水果）。货物包括有效载荷、补给物品、食物、系统硬件和乘员个人用品。技术有效载荷主要包括33颗立方体卫星及其释放设备和SPHERES-Slosh试验设备；科学有效载荷主要包括23台学生设计的实验设备及“天鹅座”首个通电有效载荷商业通用生物配制装置（CGBA），用于研究失重状态对蚁群活动的影响。

33颗立方体卫星及释放设备

NanoRacks公司的立方体卫星释放设备

28颗“鸽群”卫星

“鸽群”卫星展开图

“天鹅座”飞船向“国际空间站”运送了美国NanoRacks公司的立方体卫星释放设备及33颗立方体卫星，以利用日本实验舱机械臂在轨建造释放立方体卫星所用的基础设施。释放设备将用于从站上释放小卫星进入独立轨道，使其执行单独任务。从“国际空间站”上释放立方体卫星有众多优势。搭载到访飞行器发射可以减轻发射过程中的振动和负载。此外，卫星可包装以防护材料，从而显著降低发射受损概率。卫星到达空间站后可执行释放前的检查，确保入轨前没有任何损坏。

鸽群－1（Flock－1）是指由行星实验室（Planet Labs）公司运营的28颗3U立方体卫星，以在轨验证过的“鸽子”（Dove）立方体卫星为基础构建卫星星座。该星座运行在高度386～644km、倾角52°的地球轨道上，将覆盖地球上大部分农业区和人口聚居地，建成后将成为迄今世界上规模最大的对地观测卫星星座，设计具有灵活性，每颗卫星的软件都可重新编程。3U立方体卫星质量约为5kg，本体贴有太阳电池，另外还有两个可展开的太阳电池翼。航天器内装有贮能电池，向各个系统供电。姿态数据由三轴磁强计提供，实现三轴稳定。每颗卫星的主要有效载荷为一台技术参数未知的光学望远镜，用于获取低成本、高分辨率的地球图像。光轴沿卫星中心轴方向以实现最大焦距。影像经由S频段下传，可为多种用途服务，如监视森林砍伐、自然灾害、输油管道泄漏等。

立陶宛卫星－1（LituanicaSat－1）和利特卫星－1（LitSat－1）均为1U立方体卫星，是立陶宛的首批卫星。前者由立陶宛考纳斯技术大学研制，装有一台低分辨率视频图形阵列（VGA）相机、“全球定位系统”（GPS）接收机、遥测信标、超高频连续波信标及一台音频转发器。卫星在轨发送有效载荷和传感器信息、图像和3个立陶宛单词。后者由立陶宛空间联合会研制，其飞行计算机应用低成本开源硬件和软件建造，卫星携带视频图形阵列相机、GPS接收机、线性转发器和AX-25数据包无线电应答器各一台。

“天空立方体”（SkyCube）卫星是由南星集团发起的众筹项目，投资人由此获得机会从太空中发送一条120字的消息或在指定位置拍摄照片。“天空立方体”是一颗质量为2kg的1U立方体卫星，具有可展开的太阳电池翼、4台相机和通信天线，用于接收来自地球的消息并在预定时间发送。

秘鲁阿拉斯大学卫星－1（UAPSat－1）是一颗由秘鲁天主教大学射电天文学研究所建造的1U立方体卫星。该卫星利用体装的太阳电池发电。卫星装有微型计算机、无线电转发器/接收器、电源控制模块及由磁体构成的基础姿态控制系统，使其对准地球磁场。卫星在轨发送遥测数据和内外部温度传感器读数。

SPHERES-Slosh

阿德伟诺卫星－2（ArduSat－2）是一颗2U立方体卫星，在2013年11月从“国际空间站”上释放的1U阿德伟诺卫星－1基础上建造。该卫星由美国NanoSatisfi建造和运行，为学生和航天爱好者提供平台，进行他们自己的天基开源硬件试验。星载传感器包括高级渲染传感器、红外温度传感器、印刷电路板温度传感器、三轴磁强计、盖革计数器（用于测量放射性）、六自由度惯性测量单元（IMU）和微电子机械式陀螺仪。

SPHERES-Slosh试验设备

SPHERES-Slosh应用空间站上已有的自由飞行“同步位置保持、接合、重定向试验卫星”并加装新的试验设备，目的是考察微重力环境中液体在容器内如何晃动，演示施加的外力如何影响容器内的液体。该试验模拟火箭燃料在贮箱内的晃动过程，深入了解工作过程可以改进卫星和其他航天器或火箭贮箱内的燃料晃动模型，从而通过提高燃料效率来降低工业成本。

“蚂蚁进太空”

商业通用生物配制装置（CGBA）科学嵌件针对不同用途提供可编程的温度精确控制能力，用于进行细胞、微生物和植物实验，可在“国际空间站”上提供自动化执行生物实验的能力。此次“蚂蚁实验”设备是“国际空间站”上的第6台商业通用生物配制装置，将一群蚂蚁送上太空，研究它们在微重力环境中的行为，并与地面行为进行对比，更好地了解群体智能可能有益于改善解决复杂问题的数学过程，如调度车辆、航线排班或远程通信效率等。地面上的学生可以观看由站上摄像头记录的实验视频。作为相关课程的一部分，学生还可在教室里与蚂蚁进行互动。

太空讲故事时间

这项科普活动所用的教具包括少儿读物和在站上做简单演示所用的材料。空间站上的航天员录下他们讲故事和做实验的过程，以趣味性方式演示科学、技术、工程和数学领域的基础概念。

此外，“天鹅座”飞船还运送了抗生素有效性实验（NLPVaccine－21）、二元胶态合金试验-动力学平台（BCAT-KP）、固体燃烧和抑制实验（BASS－2）等有效载荷。

5 结语

此次任务的成功具有里程碑式的意义，不仅是轨道科学公司首次正式的空间站“商业补给服务”合同任务，也使该公司成为继太空探索技术（SpaceX）公司之后第2家向“国际空间站”发射常规货运飞船的商业公司，填补了此前两家公司之间的进度差距。SpaceX公司已于2012年5月完成“龙”飞船的首次验证飞行，其后分别于2012年10月、2013年3月和2014年4月完成3次正式的合同补给任务。

至此，美国有了两家完全成熟的私人承包商可为空间站提供补给，意味着美国结束了空间站补给工作的外包历史，也意味着美国航天员和科学家有更多机会在太空中进行基础研究和地面上难以实现的微重力试验。除货运飞行外，美国航空航天局的商业航天合作伙伴也在载人发射方面取得重大进展，力争在3年内实现。美国航空航天局局长曾称，商业航天工业将成为21世纪美国经济增长的新引擎，帮助其实现更宏伟的深空探索任务。由于“国际空间站”运行寿命延长至2024年，因此可能需要向太空探索技术公司和轨道科学公司追加商业货运订单。