本文作者：邢強(qiáng)博士

本文是小火箭經(jīng)典貨運(yùn)飛船系列文章的第2季的第2篇。在小火箭經(jīng)典貨運(yùn)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(shè)計(jì)、龍飛船的對接、龍飛船的載人版改進(jìn)、蘇聯(lián)進(jìn)步貨運(yùn)飛船的發(fā)展譜系、進(jìn)步飛船的總體設(shè)計(jì)、進(jìn)步飛船創(chuàng)造的人類航天史上最嚴(yán)重的碰撞事故、進(jìn)步飛船的貨運(yùn)搭配以及進(jìn)步飛船與和平號(hào)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(yùn)飛船：歐洲自動(dòng)運(yùn)載器ATV飛船。

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

HTV是日本獨(dú)立研制的無人貨運(yùn)飛船，其主要任務(wù)是向國際空間站運(yùn)送補(bǔ)給。在日本得知美國的航天飛機(jī)即將退役，而日本在國際空間站上的希望號(hào)艙段的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃與日俱增的情況下，日本對擁有自己的貨運(yùn)飛船的渴望便愈發(fā)強(qiáng)烈。

日本當(dāng)?shù)貢r(shí)間2009年10月31日凌晨2點(diǎn)32分，裝有1.6噸垃圾的日本HTV飛船（轉(zhuǎn)移飛行器）脫離國際空間站。11月2日，HTV接收到再入指令后，墜入大氣層焚毀。這標(biāo)志著日本自2009年9月11日發(fā)射的HTV系列飛船的首艘驗(yàn)證飛行器完成了使命，也同時(shí)意味著日本繼俄羅斯、美國和歐空局之后，也開始正式加入無人貨運(yùn)飛船俱樂部。

總體

2009年，HTV飛船的飛行試驗(yàn)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(jìn)步號(hào)貨運(yùn)飛船的2倍，比歐洲自動(dòng)運(yùn)載器（ATV）的7.5噸的運(yùn)載能力和中國天舟貨運(yùn)飛船的6.5噸略低。

不過，雖然日本HTV飛船的運(yùn)力低于歐空局的ATV，但是在細(xì)節(jié)上的設(shè)計(jì)考慮使其在執(zhí)行貨運(yùn)任務(wù)時(shí)有比較獨(dú)特的競爭力（看上圖，4名宇航員同時(shí)進(jìn)出HTV貨運(yùn)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(jìn)步飛船采用同源技術(shù)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，盡管HTV的貨艙比ATV的要小一些，但是在運(yùn)送大型試驗(yàn)設(shè)備的時(shí)候，ATV的艙口就成為了瓶頸，而HTV則能夠把任務(wù)承接下來。

日本HTV貨運(yùn)飛船的發(fā)動(dòng)機(jī)特寫。HTV飛船的動(dòng)力系統(tǒng)采用了4臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)+28臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)的布局方式。4臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)的單臺(tái)推力均為500N，她們直接借用了美國阿波羅飛船上的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)。

小火箭畫了個(gè)圈把阿波羅飛船其中一組姿控發(fā)動(dòng)機(jī)圈出來了。

這就是推重比達(dá)13.74的阿波羅飛船RCS系統(tǒng)使用的R-4D發(fā)動(dòng)機(jī)。歐空局的ATV飛船和日本的HTV飛船的主發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了阿波羅飛船的R-4D發(fā)動(dòng)機(jī)。

是不是覺得HTV飛船四周的28臺(tái)姿控發(fā)動(dòng)機(jī)也比較眼熟？是的，這些發(fā)動(dòng)機(jī)原本是用在航天飛機(jī)的姿態(tài)控制系統(tǒng)上的。4臺(tái)阿波羅飛船的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)用作主發(fā)動(dòng)機(jī)，28臺(tái)航天飛機(jī)的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)用作飛船的姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，這32臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)就構(gòu)成了日本貨運(yùn)飛船的動(dòng)力系統(tǒng)（燃料質(zhì)量為2400千克）。不過，日本對飛船發(fā)動(dòng)機(jī)國產(chǎn)化的嘗試已經(jīng)成功。在HTV-3和HTV-5兩艘飛船上，所有的發(fā)動(dòng)機(jī)都已經(jīng)是日本自己生產(chǎn)的了。

小火箭在這里要指出的是，日本國產(chǎn)的飛船火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不僅僅用于日本HTV飛船，在其系列化產(chǎn)品中，有一些已經(jīng)出口到美國，開始應(yīng)用在美國的“天鵝座”貨運(yùn)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(hào)，是一個(gè)長11.2米、外徑4.4米、內(nèi)徑4.2米的圓筒形狀模組。HTV飛船的外徑和希望號(hào)艙段相同，而長度僅僅短了1.4米，其發(fā)射質(zhì)量高達(dá)14.5噸。因此，日本需要研制推力更強(qiáng)的火箭才行。

于是，H-IIB運(yùn)載火箭應(yīng)運(yùn)而生。該火箭的研制與HTV貨運(yùn)飛船的研制同步進(jìn)行。而2009年9月11日的HTV飛船的首次飛行試驗(yàn)同時(shí)也是日本H-IIB運(yùn)載火箭的首次發(fā)射。H-IIB運(yùn)載火箭是在H-IIA運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的。H-IIA火箭主要用來執(zhí)行地球同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，其同步軌道運(yùn)載能力為4噸。

H-IIB運(yùn)載火箭在H-IIA火箭的基礎(chǔ)上，芯級(jí)增加了1臺(tái)LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)，變?yōu)榱?臺(tái)。助推器則由原來的2臺(tái)增加為4臺(tái)。這樣，H-IIB火箭的同步軌道運(yùn)載能力比H-IIA提升了50%，同時(shí)，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(fā)射需求。

有關(guān)H-IIB這款火箭，小火箭今后會(huì)專門寫一個(gè)系列。(重點(diǎn)是其液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī))

對接

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

HTV飛船的對接系統(tǒng)由近傍通訊系統(tǒng)、PROX天線、PROX-GPS天線、PROX溝通設(shè)備以及硬件指令面板構(gòu)成。HTV飛船向依靠相對GPS定位技術(shù)飛到國際空間站下方。然后，在安裝在國際空間站的日本核心艙段希望號(hào)下方的接收會(huì)合激光的反射器和飛船的激光雷達(dá)的共同作用下，實(shí)施會(huì)合機(jī)動(dòng)。

當(dāng)HTV飛船與國際空間站的相對距離為10米時(shí)，飛船關(guān)閉姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)，開始進(jìn)入“自由飄浮”狀態(tài)，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，并隨后被拉到對接口位置實(shí)施對接。

日本宇航員與NASA的宇航員在一起訓(xùn)練操縱國際空間站上的加拿大2號(hào)機(jī)械臂捕獲HTV貨運(yùn)飛船。

他們的對接訓(xùn)練系統(tǒng)的界面上這樣的。

實(shí)驗(yàn)

日本的HTV飛船是連接國際空間站日本核心艙段希望號(hào)與地球表面上的日本多所太空探索相關(guān)研究機(jī)構(gòu)之間的紐帶。HTV飛船因此也就承擔(dān)了大量的實(shí)驗(yàn)任務(wù)。

日本早稻田大學(xué)研制的用于研究宇宙射線與暗物質(zhì)的“量能器電子望遠(yuǎn)鏡”就是由HTV飛船送入太空的。該望遠(yuǎn)鏡最終與希望號(hào)艙段連接成功。而以發(fā)射商業(yè)衛(wèi)星起家的日本航天發(fā)射部門當(dāng)然不會(huì)放過任何掙錢的機(jī)會(huì)。HTV飛船專門設(shè)計(jì)了帶載和釋放小衛(wèi)星的機(jī)構(gòu)。第5艘HTV飛船進(jìn)入太空時(shí)，就順便釋放了歐空局的2顆立方星和巴西的1顆小衛(wèi)星。

2012年，日本HTV-3貨運(yùn)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(yùn)飛船帶上來的小衛(wèi)星。從左至右依次是：由美國圣何塞州立大學(xué)和瑞典AAC微技術(shù)公司聯(lián)合研制的立方星“技術(shù)與教學(xué)星” (TechEdSat星)；由越南FPT大學(xué)FPT技術(shù)研究院F航天(FSpace)實(shí)驗(yàn)室研制的教學(xué)用立方星（F1星）；由日本福岡工業(yè)大學(xué)研制的立方星。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(wèi)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(wèi)星的存儲(chǔ)元器件。

另外，HTV飛船還曾經(jīng)把6種酒送入了國際空間站。當(dāng)然，國際空間站是不提倡宇航員在太空飛行的任務(wù)中飲用這么多白酒的。這些酒實(shí)際上是用來做太空環(huán)境靜置實(shí)驗(yàn)的。6種酒在國際空間站被放置1年后，會(huì)交給專業(yè)的分析和測評機(jī)構(gòu)，以便分析太空環(huán)境對酒類口味的影響。

HTV飛船6號(hào)機(jī)的實(shí)驗(yàn)任務(wù)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(shè)備。該設(shè)備由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)研制。設(shè)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(dāng)宇航員發(fā)現(xiàn)并追蹤到大塊的太空垃圾后，會(huì)設(shè)法用繩子將其和HTV飛船連到一起。這樣，隨著HTV飛船執(zhí)行完任務(wù)再入大氣層燒毀的時(shí)候，也就能順便清理一些太空垃圾了。不過，從今年年初的結(jié)果來看，實(shí)驗(yàn)不夠理想。

在總裝廠房內(nèi)的日本HTV貨運(yùn)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(yùn)飛船運(yùn)來的新鮮水果時(shí)開心的樣子。

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

最后，小火箭要強(qiáng)調(diào)的是，雖然中國第一顆人造地球衛(wèi)星和第一艘無人貨運(yùn)飛船的發(fā)射時(shí)間都晚于日本，但是中國的第一顆人造地球衛(wèi)星與第一艘無人貨運(yùn)飛船的技術(shù)含量均高于日本。

從衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間上來說，日本是繼蘇聯(lián)、美國和法國之后，第4個(gè)獨(dú)立發(fā)射人造地球衛(wèi)星國家（1970年2月11日04時(shí)25分），其第一顆人造地球衛(wèi)星的質(zhì)量為23.8千克。中國緊隨其后，在2個(gè)多月后，于公元1970年4月24日21時(shí)35分45秒發(fā)射了自己的第一顆人造地球衛(wèi)星，而其質(zhì)量為173千克（是日本第一顆人造地球衛(wèi)星的7.27倍）。

從貨運(yùn)飛船發(fā)射時(shí)間上來說，日本是繼蘇聯(lián)、美國和歐空局之后，第4個(gè)獨(dú)立掌握貨運(yùn)飛船技術(shù)的國家（2009年9月），其第一艘貨運(yùn)飛船的運(yùn)載能力為6噸，發(fā)射質(zhì)量為16.5噸。中國2017年4月發(fā)射了自己第一艘無人貨運(yùn)飛船，其運(yùn)載能力為6.5噸。另外，中國天舟飛船具備在軌補(bǔ)加能力，其載荷比也優(yōu)于日本和歐洲的貨運(yùn)飛船。