小火箭 | 自由微信

查看原文

其他

世界上最大的货运飞船：以爱因斯坦和凡尔纳为名

Original 2017-04-18

作者邢强

微信号：小火箭

微信ID：ixiaohuojian

小火箭出品

本文作者：邢强博士

本文是小火箭经典货运飞船系列文章的第2季的开篇。在小火箭经典货运飞船第1季中，小火箭与大家一起分析了美国龙飞船的总体设计、龙飞船的对接、龙飞船的载人版改进、苏联进步货运飞船的发展谱系、进步飞船的总体设计、进步飞船创造的人类航天史上最严重的碰撞事故、进步飞船的货运搭配以及进步飞船与和平号空间站的凄美悲壮往事。

在第2季开篇，小火箭将要介绍的，是目前世界上最大最重的货运飞船：欧洲自动运载器ATV飞船。

说起货运飞船，我们脑海中或许会争先恐后地出现两个型号：一个是代表着传统飞船设计理念的“进步”飞船，另一个则是在近几年崭露头角吸睛无数的SpaceX公司的“龙”飞船。而实际上，老欧洲也有着自己的货运飞船。而且，这款飞船是相当有特色的。

欧洲这款叫做自动运载器的飞船是目前在役的货运飞船中个头儿最大的。这个大圆桶长10.31米，最大直径4.482米，俨然就是一辆双层巴士的大小。该飞船空重10.47吨，一次可将7.5吨重的物资运送到国际空间站。从外面看，展开了太阳能帆板的飞船，其“臂展”达到了22.281米，总面积达33.6平方米，可以为飞船提供4.8千瓦的电力。

品质

一款货运飞船能够提升空间站宇航员的生活品质？答案是肯定的。

欧洲自动运载器按设计，有4个用途:

向空间站运送补给物资;

提升国际空间站的轨道;

充当空间站的附加活动室;

返回时作为垃圾筒使用。

这4项用途可以说每一项都与宇航员的生活品质息息相关。

欧洲自动运载器货物的上行运载能力非常突出，其总载货量接近俄罗斯“进步”系列飞船载货量的3倍。

以该系列飞船的第4艘阿尔伯特·爱因斯坦号为例。该飞船在2013年由阿丽亚娜火箭从库鲁航天中心发射升空。满载货物的爱因斯坦号的发射质量达到了20.19吨。要知道，提供了空间站一部分的生命保障系统、可供2名乘员长期在轨生活的国际空间站俄罗斯部分核心舱段星辰号的发射质量也就是20.32吨。

一艘货运飞船的发射质量能够与国际空间站的重要舱段的质量相当，可见其运载能力之强。爱因斯坦号一口气就给国际空间站的俄罗斯舱段运来了570千克的水，外加2.48吨的食物、衣物和仪器设备。如果单纯依靠俄罗斯进步号飞船的话，按目前的发射密度，国际空间站上的宇航员要多等上1年的时间才能收齐这些好吃的和好玩的。

对接

欧洲自动运载器的自动对接和在轨加注方案继承和发扬了俄罗斯的技术。这就使得该飞船成为了除进步号货运飞船之外，唯一同时具备姿态控制、轨道提升和在轨补加3项重要技能的飞船。（当然，中国的天舟1号无人货运飞船也将挑战同时具备这3项技能的任务。）

上图是ATV飞船与国际空间站对接后，刚刚打开舱门时的场景。是不是觉得这个对接的部位有点儿眼熟？

咱们再凑近一些看。哈！读过小火箭经典货运飞船第1季文章的工程师和爱好者们应该会一下子就认出来了！这不就是进步货运飞船的对接口么？详见小火箭公号文章《157次发射：世界上最勤劳的货运飞船》。

是的，欧洲运载器ATV飞船的直径虽大（4.5米），但是其对接口的直径只有0.8米，与进步号货运飞船是一样的。

这是苏联/俄罗斯进步号货运飞船的对接口。与上上图欧洲货运飞船的对接口可以做个对比。焉能辨我是苏欧？

说起对接，小火箭在这里刚好可以说一说这个带有浓厚苏联风味的欧式对接。

这是国际空间站的俄罗斯舱段。小火箭在上图标出了GPS天线和激光反射器的位置。远处正在接近的，就是一艘ATV飞船（ATV-2 开普勒号）。

这是从国际空间站上拍摄的正在接近的ATV-4爱因斯坦号的样子。这熟悉的界面，再次让小火箭想起了进步号货运飞船。

用于辅助对接定位的激光、红外传感器

提升

古人云，身大力不亏。欧洲货运飞船的轨道提升能力是比较强的。以第2艘欧洲自动运载器约翰内斯·开普勒号为例：2011年2月24日，该飞船与国际空间站对接后，为国际空间站补充了850千克燃料。

而开普勒号自身仍携带有4.534吨的燃料。当年3月18日，开普勒号飞船的发动机点火启动，在工作了14分钟42秒后，成功地将国际空间站的轨道向上提升了3900多米。把这项工作交给该飞船来做，给国际空间站的宇航员们省了不少麻烦。

动力

欧洲这款货运飞船ATV，其对接系统传承自久经考验的苏联/俄罗斯进步号货运飞船。那么，她的动力系统与那个飞船又有着关联呢？

小火箭认为，ATV飞船的动力系统兼具美国飞船与苏联飞船的特点。

这是世界上最大的货运飞船欧洲ATV的推进舱。注意其尾部的4台轨道控制发动机。

这4台轨道控制发动机的单台推力为490牛。细心的您或许已经发现，这4台发动机看起来有些眼熟。

没错，你没看错。欧洲ATV飞船的主发动机与美国登月计划所用的阿波罗飞船上面的姿态控制发动机很有渊源。

小火箭画了个圈把阿波罗飞船其中一组姿控发动机圈出来了。

这就是推重比达13.74的阿波罗飞船RCS系统使用的R-4D发动机。

硕大的飞船，配上这4台小小的主发动机，是不是觉得有点儿萌？

这是ATV飞船的发动机燃料舱的结构细节。读过小火箭经典飞船系列第1季的您，应该也能够一眼认出来：哈！和进步货运飞船有点儿像。

这是进步货运飞船的动力系统

舒适

而从提升生活质量的角度来说，最有用处的莫过于增大宇航员们的生活空间了。欧洲ATV自动运载器的内部空间有90%是加压的，容积高达48立方米。宇航员们装卸货物的时候，无需穿戴舱外宇航服，这个设计很贴心。

另外，该飞船的通风系统和空调系统的噪声很小。喜欢宽敞和安静的宇航员可以在搬空货物的货运飞船里睡个好觉。对于女性宇航员来说，这里更是好地方了。国际空间站的核心舱段中，设备密布，饮水和洗澡的时候要格外小心，要防止微重力环境中漂浮的水滴造成国际空间站出现短路事故。而在货运飞船的船舱里，宇航员则可以比较放心地用湿毛巾擦洗身体，甚至可以用一用在核心舱段内极少见到的洗发香波和沐浴露。

在任意一艘欧洲自动运载器对接在国际空间站上的6个多月的时间里，国际空间站的宇航员们都可以享受这个多出来的48立方米的安静舒适且不用过分小心翼翼的空间。这段时光，会是他们日夜期盼，而后又会万分留恋的。你能找到上图中，对接到国际空间站上的一艘ATV飞船么？

宽敞的飞船在返回大气层烧毁之前，宇航员可以将脏衣物、废弃的仪器设备以及不具备回收价值的其他物品塞到飞船里。这样，这艘飞船离开国际空间站的还能顺便带走重达6.5吨的垃圾。

先贤

欧洲自动运载器已经发射了5艘。这5艘飞船的名字是很有趣的，都是科学或者科幻事业的先贤。

第1艘飞船叫儒勒·凡尔纳号。生于法国的凡尔纳被誉为“科幻小说之父”。他的作品对大型潜水艇、探月飞船等概念都有详细的描绘，将其称为预言家也不为过。

第2艘飞船叫约翰尼斯·开普勒号。开普勒是德国天文学家、数学家，其开普勒三大定律奠定了轨道动力学的基础。

第3艘飞船叫爱德华多·阿玛尔迪号。阿玛尔迪是二战后意大利物理学领军人物，航天技术领域的先驱研究者。

第4艘飞船叫阿尔伯特·爱因斯坦号。他创立了被认作是现代物理学两大支柱之一的相对论，同时他也是质能等价公式的发现者。

第5艘飞船叫乔治·勒梅特号。勒梅特是生于比利时的一位宇宙学家。

爱因斯坦号货运飞船正在再入大气。世界上最重的货运飞船，以爱因斯坦的名义，回归故里。

https://v.qq.com/txp/iframe/player.html?vid=i1316kthnnh&width=500&height=375&auto=0

ATV飞船发射视频