一份送往太空的包裹！中国太空快递正式营业

　　2021年5月29日晚，中国的天舟二号货运飞船载着6.8吨的物资升空，成功与天和号核心舱对接。此外，根据中国载人航天工程办公室主任郝淳透露的信息，今年6月将实施神州十二号飞船任务，9、10月将分别实施天舟三号和神州十三号载人飞船任务。作为中国载人航天工程＂三步走＂战略的最后一步，中国空间站，已经正式进入工程建设阶段。
　　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。
　　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？今天，「哈工创投」带您了解。
　　在空间站的建造和长期运营过程中，货运飞船扮演着基础和保障的重要角色。
　　空间站作为近地轨道的大型航天器，其本身需要不断地补充消耗掉的推进剂等不可再生能源，以及更换故障设备，从而延长空间站的在轨飞行寿命；而长期驻守在空间站中的的航天员，所消耗的工作生活用品也需要地面持续补给；空间站中的试验载荷也需要不断更新，在空间站建成之后，若要实现功能扩展,也需要地面运送平台和设施；此外，航天员在空间站中工作生活所产生的废弃物，以及空间站中的报废设备也需要下行进行销毁。
　　上述需求都需要依靠货运飞船来实现。因此，拥有一款技术成熟，且稳定高效的货运飞船是中国空间站建设和长期运营过程中十分重要的一环。
　　货运飞船用途广泛
　　货运飞船是从载人飞船演变过来的。在20世纪70年代，苏联和美国开始发展体积大、寿命长、用途广的空间站。刚开始时，苏美两国都是用人货混装的载人飞船为空间站提供少量补给，每艘载人飞船1次只能为空间站运去几百千克的物资，因而大大影响了空间站的运行寿命和站上航天员在轨工作时间。
　　随着苏联空间站的不断发展，对运货量的要求也日益增加，于是苏联航天专家奇思妙想，从1978年开始把联盟号载人飞船改装成无人货运飞船，即去掉了联盟号飞船上的座椅、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，以便运送更多的货物。
　　图 | 俄罗斯进步号货运飞船，来源：科普中国
　　实践证明，这种人货分开的运输方式，既能增加货物的运载量，又能降低成本，还很安全，可以说是苏联的一个创新。改装后的货运飞船称为进步号，每次飞行可为空间站送去2吨多物资。现在，俄罗斯每年向＂国际空间站＂发射4艘货运飞船，它们不仅为＂国际空间站＂运去货物，还带回大量的空间站垃圾，然后在再入大气层时烧毁。
　　图 | 俄罗斯进步-MS号货运飞船与火箭分离，来源：航天大讲堂
　　其实，货运飞船还有许多其他用途。例如，由于空间站是在低地球轨道运行，会受到残存大气阻力的影响而逐渐降低轨道高度，所以在空间站轨道高度降低到一定情况下要提升它的轨道高度才行，而携带较多燃料的货运飞船在空间站的轨道维持方面能发挥重要作用。
　　目前，＂国际空间站＂主要是靠货运飞船提升空间站的轨道高度，以抵消大气阻力的影响，并使＂国际空间站＂与将要与之对接的天地往返运输器处于最佳对接位置。它有时也用于机动＂国际空间站＂轨道位置，以便躲避飞来的太空垃圾。
　　图 | 国际空间站，来源：视觉中国
　　＂进步＂系列飞船还曾2次用于试验＂人造月亮＂。1993年2月4日，＂进步＂货运飞船离开了和平号空间站，它携带一把折叠好的巨大＂太阳伞＂——＂人造月亮＂。12分钟以后，它在离空间站160米的地方被打开，然后用这把直径22米的＂太阳伞＂，在距离地球350千米高的地方进行了人造月亮的照明试验，向处于黑夜的欧洲地区反射了一道宽约10千米的亮光，其亮度相当于月亮的2～3倍，从南到北扫过地球，依次照亮了里昂、日内瓦、慕尼黑和白俄罗斯。1999年的2月4日，俄罗斯用＂进步＂系列飞船再次实施了一次人造月亮试验。
　　图 | 俄罗斯进步号货运飞船与空间站对接，来源：视频中国
　　俄罗斯的＂进步＂系列飞船在2001年和平号空间站寿终正寝的坠落中也发挥过重要作用。当时，与和平号对接的＂进步＂系列飞船通过多次点火，使和平号空间站的飞行速度不断降低，最终成功地把和平号推离原运行轨道坠入大气层，落到被称为＂航天器坟场＂的南太平洋某一区域。
　　由此可见，货运飞船的用途越来越广。因此，欧洲、日本、美国、中国也陆续开始发展货运飞船。
　　图 | 美国＂天鹅座＂（Cygnus）货运飞船抵达国际空间站，来源：神秘的地球
　　各国货运飞船盘点
　　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。
　　图 | 欧空局ATV飞船，来源：科普中国
　　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。
　　图 | 日本HTV飞船，来源：科普中国
　　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。
　　美国轨道科学公司研制的＂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。
　　图 | 美国天鹅座飞船，来源：科普中国
　　龙（Dragon）飞船来自于埃隆·马斯克领导的Space X公司，它既能无人飞行搭载货物，又可以在未来增加载人飞行的功能。龙飞船由两个舱段组成，位于飞船前方的锥形加压舱用来运输一般的补给品。位于飞船尾部的非加压舱，用来运输安装在空间站外部、不需要运进空间站加压环境内的货物。
　　图 | 美国龙飞船，来源：科普中国
　　长期进行各类空间科学实验是空间站的重要功能，实验中获得的样品一般要运回地面的实验室中进行分析。和其它货运飞船相比，龙飞船有一项独门绝技，就是能通过加压舱运载比较多的货物返回地球。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。
　　图 | 被国际空间站机械臂捕获的美国龙飞船，来源：科普中国
　　龙飞船的加压舱，可以一次携带3吨左右的货物返回地面，是目前货运飞船中下行运载能力最强的。
　　图 | 返回地面后被回收的龙飞船加压舱，来源：科普中国
　　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。
　　图 | 各国货运飞船参数对比，根据公开资料整理
　　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。
　　＂中国-太空快递＂正式营业
　　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。
　　图 | 中国空间站示意图
　　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。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？
　　中国载人航天
　　＂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。
　　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。＂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。
　　人类走向太空
　　人类走向太空的下一步怎么走？不只是中国，全世界航天人都在思考这个问题。
　　2019年2月，美国首富，商业航天公司蓝色起源老板杰夫·贝索斯（Jeff Bezos），在纽约一间俱乐部的活动上，与《太空新闻》资深编辑福斯特（Jeff Foust）围绕这一问题展开了一场精彩对话。
　　贝索斯直接否定了马斯克等人所鼓吹的火星大规模殖民，调侃有类似情结的人们，可以先在珠穆朗玛峰顶定居一年时间，因为和火星的自然环境相比，珠穆朗玛峰顶简直堪称天堂。
　　图 | NASA拍摄的火星照片，拍摄于1997年
　　贝索斯随后开始阐述他的理念，这位全球首富，敏锐感受到人类发展与地球资源环境承载力之间的矛盾，工业革命曾经为人类打开的增长空间，随着基础理论和重大应用技术创新的减速，出现了重新向马尔萨斯循环闭合的迹象，贝索斯悲观地举例，人类能源需求哪怕按几个百分点的速度复合增长，未来地球的表面积全部贴满太阳能电池板也已无法满足，出于保护蓝色母星的目的，人类必须要走向太空。
　　既不能停在地球，移民其他行星又极不现实，人类的出路何在？贝索斯给出的答案，是在近地空间建设大规模人工殖民地。
　　在贝索斯的梦想中，大量经典奥尼尔构型人工天体密布在地月空间，人工重力环境下，每个殖民点都能容纳上万乃至更多人口定居生活，依靠接受太阳能量，从月球和小行星采掘物质加工，形成可长期自持的生态循环。这样的殖民地，将使人类完全从地球环境的约束下解放出来，人类文明，将进化为一种典型的卡达肖夫II型文明，即能够有效利用其所在星系的恒星能量。
　　图 | 杰拉德奥尼尔经典的圆柱形太空殖民地构型
　　在那个时候，人类种群的规模将完全突破数十亿量级，贝索斯甚至认为可以达到万亿规模，在如此大的人口基数下，原本可能百年一遇的天才，将层出不穷涌现，从而空前提高人类社会的科学和艺术发展速度。
　　贝索斯描绘的人类文明未来蓝图，无疑还很遥远，但千里之行，始于足下。近地轨道空间站，就是人类＂走出地球＂的第一步。俄罗斯和美国，相继迈出了这＂第一步＂，但接着一个缩了回来，另一个，在迈步向前还是退回去之间游移不定。
　　中国人在太空中定居的＂第一步＂，即921载人航天工程，即将圆满收官，无论下一步迈向哪里，至少有一点是肯定的，中国人，只会向前，向前，在人类文明向太空迈进的征途里，中国人，绝不会缺席。
　　本文综合转载自＂甲子光年＂、＂ 科普中国＂、＂科工力量＂、＂赛先生＂等，为分享前沿资讯及有价值的观点，「哈工创投」转载此文，并经过编辑。如文中图片或文字侵犯了您的权益，请联系我们。