太空快递谁来送？世界货运飞船大盘点

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作者：李会超（中国科学院国家空间科学中心）

飞出地球、走向太空是长久以来人类共同的梦想，而空间站的出现让航天员在太空中有了一个可以长期停留的家。

但是，空间站这个“太空大房子”的正常运转，需要方方面面的补给，比如：宇航员要想在其中长期生活和工作，需要水、食品、氧气等生活必需品的不断供给，需要用到各种实验设备；空间站本身的正常工作，需要定期获得各类设备备件，补充燃料和气体；空间站中产生的各类废物，不能直接抛弃在太空中，需要运出空间站销毁……

而为太空大房子吐故纳新的，就是我们今天要讲的主角——货运飞船。

那么，人类历史上，已经发射或即将发射哪些货运飞船，去往太空“送快递”呢？

“快递小哥”一：“进步”号

人类空间站技术的先驱是苏联的“礼炮”（Salyut）系列空间站。

在礼炮空间站设计初期，苏联设计师们就意识到了为太空中长期执行任务的宇航员提供补给的重要性。

上世界70年代中期研制礼炮-6号空间站时，补给问题愈发显现，设计师们决定以载人的联盟飞船为基础，设计出一种只运载货物、不搭载宇航员的货运飞船，并将其命名为“进步”号。

进步号飞船

进步号采用了与联盟号相同的三舱式结构，而不同的是，联盟号中供宇航员使用的轨道舱和返回舱被改为存储不同货物的舱段。 

最前部的、处在联盟号飞船轨道舱位置的货物舱，用来存储各类货物。当进步号与空间站对接后，空间站的宇航员会穿过对接舱口进入货物舱，将送来的“快递包裹”们搬出。之后，再将空间站需要抛弃的废物转移到货物舱中。在飞船返回大气层的过程中，这些废物将随飞船一同烧毁。

位于飞船中部、联盟号返回舱位置的，是进步号的补加舱，这里贮存着给空间站补充的燃料、氧化剂和水，而进步号的货物舱和补加舱一次总共可以运输约2.3~2.5吨货物。当进步号与空间站对接后，以补加舱里存贮的液体通过对接环上的液体连接器转移到空间站自身的推进系统中。

与国际空间站对接的进步号飞船

1978年1月20日，第一艘进步号飞船发射升空，与礼炮-6号空间站成功对接，此后至今的近40年间，进步号经过了多次改进，产生了进步M、进步M1、进步M2等改进型号。

目前，进步号飞船是国际空间站补给工作的主力军。

值得一提的是，由于空间站工作的轨道上仍然有稀薄的大气，空间站会在大气阻力的作用下逐渐降低轨道高度。如果放任这个过程继续，空间站就会坠落到地面上（这种悲剧在历史上真的发生过，参见《美国天空实验室坠落内幕》） 。

进步号的推进舱除了给飞船自身的飞行提供动力外，还可以在对接后利用自身推力提高空间站的轨道高度，补偿因为大气阻力而造成的轨道下降。

进步号由“卖家”俄罗斯航天局从哈萨克斯坦拜科努尔航天基地“发货”后，乘坐联盟火箭来到太空之中，一般在两天左右的时间之后才能到达“买家”国际空间站手中。

2012年8月，在卖家优化了物流服务、采用了新的交会对接方案后，买家只需6个小时就可以收货了。

不过，地面上阴晴雨雪等不便送货的天气会使快递包裹的配送延误，如果空间站碰到需要躲避太空垃圾的情况，或者进步飞船本身出现问题，太空物流的时效也会受到影响，这时候，进步号就仍会退回到两天的时效水平。

发射进步-M飞船的联盟-U火箭正在起竖

“快递小哥”二：龙飞船

受益于航天飞机强大的运载能力，美国在国际空间站运行初期并没有开发专用的货运飞船。

在航天飞机退役后，美国的宇航员不得不购买俄罗斯联盟号飞船八千万美元一张的船票去往空间站，而货物运输的任务，则由商业轨道运输项目支持下开发出的两种货运飞船来执行。

龙飞船

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。

例如，在龙飞船第二次前往国际空间站执行任务时，为国际空间站的辐射散热系统送去了一些新备件，这些备件由宇航员在太空行走时直接安装在空间站的相关部分上。

被国际空间站机械臂捕获的龙飞船

和进步号相比，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。

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。

而前面提到的进步号飞船，其早期型号只能将空间站的垃圾在大气层中销毁，不能让有用的货物回到地面。

后期型号虽然通过附加“彩虹号”返回舱获得了150kg的下行运载能力，但相比空间站的需求来说仍然非常不足。这时候，龙飞船的可贵之处就充分体现出来了。

返回地面后被回收的龙飞船加压舱

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。

秉承Space X一贯的可重用设计理念，返回地球的加压舱也能够被多次重复利用。

未来，龙飞船的载人型号出现后，宇航员们生活的舱段将由加压舱改造而成，一次飞行可以搭载7名宇航员，而从空间站搬走垃圾销毁的任务，则由非加压舱来完成。

国际空间站其他送货的“快递小哥”

除了这两种飞船之外，参与国际空间站计划的国家还设计了其他几种货运飞船。

它们之中，有美国的“天鹅座”飞船、欧空局的ATV飞船和日本的HTV飞船，日本还计划以HTV飞船为基础发展本国的载人航天计划。

天鹅座飞船

ATV飞船

HTV飞船

来自中国的“快递小哥”：天舟一号

随着天宫二号空间实验室的成功入轨，被国际空间站计划拒之门外的中国将在2020年开始独立建设自己的空间站。

作为空间站运行的必要助手，我国的第一艘货运飞船——天舟一号，计划于近日发射。

它是一艘全密封的货运飞船，由货物舱和推进舱两个舱段组成，拥有与天宫二号空间实验室交会对接、推进剂在轨补加、开展空间科学实验和技术试验等功能。

根据报道，它的上行货物运载能力有6.5吨，还能为空间站补加2吨燃料，运输能力居于国际前列。

去年下半年，天宫二号的发射成功以及所搭载的一系列科学实（试）验的有序开展、与神舟十一号的顺利交会对接，标志着我国全面进入空间实验室和空间站任务实施阶段。

而为了未来实现宇航员在空间实验室的长期驻留和各项空间科学实（试）验的实施，货物补给就显得尤为重要。

本次天舟一号上天的重要任务，就是与天宫二号进行三次交会对接，并在期间完成推进剂的在轨补加。

首先，在天舟一号发射进入轨道之后，它将与天宫二号进行首次对接，对接之后，天舟一号和天宫二号的组合体将进行两个月的在轨飞行。

这两个月期间，在完成状态检查后，天舟一号就会进行推进剂的补加试验，与此同时，还会测试货运飞船对组合体的控制能力。

紧接着，在这一阶段任务完成之后，天舟一号会撤离天宫二号，绕飞到另一侧与天宫二号进行第二次对接，然后二次分离，两个飞行器独立飞行三个月。

这三个月里，天舟一号主要完成搭载的空间科学实（试）验，本次天舟一号共搭载了包括非牛顿引力实验验证、主动隔振关键技术验证、两相系统实验平台关键技术验证以及多项微重力对细胞增殖和分化影响等十余项科学实（试）验。

最后，在这三个月的末期，天舟一号还要与天宫二号进行第三次也是本次天舟任务的最后一次的对接，验证自主快速交会对接技术，这个要求两个航天器在6个小时左右完成对接。

这是一个比较新的试验项目，突破以后，包括载人飞船和货运飞船都可以使用这个技术进行快速对接。

这一系列任务顺利完成后，我国的载人空间站计划就又大大向前迈进了一步，不知道将来空间站上的中国航天员收到天舟一号送来的太空快递时，是否会体验到咱们剁手党收快递时的愉快心情呢。

厂房内的天舟一号

本文由科普中国融合创作出品，中国科学院国家空间科学中心李会超、科学大院共同制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌

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天宫二号系列科普：

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