[科普中国]-自动转移飞行器

简介

欧洲首架自动转移飞行器（ATV）于格林尼治时间2008年3月9日4点03 分（北京时间9日中午12时03分）由阿里安-5ES火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射升空，计划于4 月3 日与国际空间站自动对接，在太空停留6个月后脱离空间站，并在可控情况下在太平洋上空的大气层内烧毁。按计划，ATV 将完成3 项任务：一是为国际空间站运送8t左右的水、燃料、食品和科学仪器等；二是充当太空拖船，利用自身动力帮助空间站提升轨道；最后带走空间站上无法处理的废弃物。

ATV是欧空局研制的一次性使用航天货运飞行器，研制开始于1995年10月。ATV呈圆筒状，长9.79m，直径4.48m，重达20t。首驾ATV升空后，欧空局未来还计划发射4 架ATV，每架ATV建造和发射费用约为3 亿欧元(约合4.6亿美元)。欧空局迄今已为ATV项目耗资13亿欧元(约合19.6亿美元)。用于发射ATV的火箭为阿里安5ES火箭，该火箭采用两级结构，低温芯级利用火神2发动机提供动力，在其周围捆绑了2枚大型固体助推器，上面级采用可重复点火的艾斯特斯发动机，近地轨道运载能力可达到21t。阿里安5ES 火箭主要用于进行ATV的发射，未来还可发射伽利略星座卫星。

目前，国际空间站的人员替换和物资补充有3种运输工具，分别是载人飞船、货运飞船和航天飞机。2003年美国哥伦比亚号航天飞机失事后，俄罗斯的进步系列货运飞船一度成为国际空间站唯一的货物运输工具。此次ATV的成功发射，标志着欧洲在空间站的运输方面不再完全依赖于美国的航天飞机和俄罗斯的飞船。ATV与国际空间站的对接将使欧洲掌握自动交会对接技术，为发展载人飞船和轨道转移飞行器奠定技术基础。2

“自动转移飞行器”计划自1987年起， 欧洲工业界就在ESA领导下进行“自动转移飞行器”的概念和系统研究工作。早在1988年， 几个欧洲国家与美国和其他“国际空间站”合作伙伴签订了“政府间协议”，承诺参与“国际空间站”计划。1992年，ESA开始与美国航空航天局（NASA）联合研究。1994年，在俄罗斯加入“国际空间站”计划后， ESA决定建造“自动转移飞行器”。1995年10月举行的部长级ESA会议正式批准“自动转移飞行器”的全面研制计划。在“国际空间站”合作伙伴中， ESA代表涉及“国际空间站”计划的10个欧洲国家（比利时、丹麦、法国、德国、意大利、荷兰、挪威、西班牙、瑞典和瑞士），同时包括哥伦布号实验舱和“自动转移飞行器”项目。

“自动转移飞行器”计划涉及这10个欧洲国家的许多公司及数以千计的技术人员和工程师，主承包商为空客防务与航天公司前欧洲航空航天防务集团（EADS），管理着来自这10个欧洲国家的30多家分承包商及约2000名技术专家和工程师。同时参与合作的还有8家俄罗斯公司，主要由俄罗斯能源火箭航天集团（RKK Energia）牵头，负责建造“自动转移飞行器”对接机构、燃料补加系统和相关电子设备。空客防务与航天公司和法国政府的共有企业阿里安航天公司是全球首家商业空间运输公司，研制了专用于“自动转移飞行器”的阿里安-5ES火箭。

ESA按比例向NASA偿付的“国际空间站”运行成本中，大部分是以实物抵资（包括“自动转移飞行器”）的方式，而非货币支付。ESA在13年间用于“自动转移飞行器”计划研制的预算约13亿欧元，包括建造地面设施、第1个“自动转移飞行器”及其首航，后续每个“自动转移飞行器”建造成本约4.53亿欧元，足够偿付2017年前的“国际空间站”运行成本。3

命名ESA将每个“自动转移飞行器”都以欧洲科学家和思想家的名字命名。自动转移飞行器-1名为“儒勒·凡尔纳”（Jules Verne），19世纪法国科幻作家和预言家。自动转移飞行器-2得名于17世纪德国天文学家约翰尼斯· 开普勒（ JohannesKepler），任务时间为2011年2-6月。自动转移飞行器-3为纪念意大利物理学家爱德华多·阿玛尔迪（ Edoardo Amaldi），2012年3-10月在轨。自动转移飞行器-4以伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦（ Albert Einstein）的名字命名，2013年6-11月在轨。自动转移飞行器-5在2012年2月获名“乔治·勒梅特” （Georges Lemaître），以纪念这位比利时天文学家和宇宙学家，他被认为是宇宙起源“大爆炸理论”之父。3

越来越完善“ 自动转移飞行器” 的设计可靠性非常高， ESA称其执行预定任务的成功率可达98%。对接时， 至少有三道防线保护“国际空间站”及其乘员。

自动转移飞行器-1首航标志着欧洲航天器在“ 国际空间站” 补给任务中的首次交会对接。从那以后，“自动转移飞行器” 一直在改进。首次任务完成， 飞行后的分析工作指出了130项技术改进建议，其中约有30项纳入到后续“自动转移飞行器”设计当中。从电气故障和卡住的通信天线支臂，到分离的隔热层和拒不工作的风扇，每个“自动转移飞行器”都有一堆不危及任务的小缺陷。

“自动转移飞行器”团队对于每次任务都进行循环改进过程，并及时商定纠正和应急措施，由业界和合作伙伴进行评审是工作的一部分。挑战是在每次任务中升级有关系统，更要应对千变万化的货物舱单。从前一次任务结束到下一次“自动转移飞行器”发射通常为半年，因此实施更新的时间就剩下得很少。3

充分利用博客ESA网站上为“自动转移飞行器”开辟的专栏博客（blogs.esa.int）已成为该计划的一大特色且高度成功。“自动转移飞行器”博客是非常受欢迎的消息来源，现在被众多顶级媒体、航天爱好者网站及社交媒体永久链接并经常引用。

自2010年以来，ESA的“脸书”（Face book）主页差不多有621000的页面访问量，证实了它的成功准则：以友好而非正式的文体发布的语录、采访、视频和评论带来“人情味”。博客赢得了任务更新权威来源的口碑，连“自动转移飞行器”任务主管都直接回复博客访者。

自2013年以来，“自动转移飞行器”社交媒体覆盖已扩展到包括流行的@esaoperations推特频道。这已额外产生了3500万来自库鲁、“自动转移飞行器”控制中心和“国际空间站”的新闻和实时更新浏览量。

“ 自动转移飞行器” 任务的所有方面都一一报道，从发射准备、航天员训练、点火升空、对接直到再入，博客在关键任务阶段提供了快速、实时的更新。3

运输系统运载火箭阿里安－5是由阿里安航天公司运营的一次性运载火箭。阿斯特留姆公司（前欧洲航空航天防务集团子公司，现属空中客车集团）是火箭的主承包商，并负责组装火箭。阿里安－5用于发射地球同步转移轨道和近地轨道有效载荷。火箭从法属圭亚那库鲁航天中心发射。阿里安－5火箭在ESA和法国国家空间研究中心（CNES）授权下制造。

自1996年首次发射以来，阿里安－5已累计发射73次。凭借这一纪录，它已成为欧洲航天发射市场的主力军，并将至少运行至2015年。火箭久经飞行考验，成功69次，失败2次，另外2次被认定为部分失败。

阿里安－5是“阿里安”系列的第5种火箭，但并不是直接衍生自早先型号的产品。阿里安－5ES具有阿里安－ECA火箭相对于早先阿里安－5所做的所有提升改进，但仅用于发射“自动转移飞行器”入轨。3

“自动转移飞行器”货运飞船“自动转移飞行器” 主体是一个圆柱体， 长10.3m， 直径4.5m， “ X ” 形太阳电池翼翼展22.3m，外部覆有铝箔层和微流星体防护板。“自动转移飞行器”采用模块化设计，可将不同的舱段、模块平行集成、测试，同时考虑后续任务，可兼容不同的模块。“自动转移飞行器”在结构上分为集成货运舱和服务舱两个舱段。

“自动转移飞行器”与“国际空间站”对接、停靠时间长达6个月，期间可为“国际空间站”提升轨道高度，执行姿态控制和轨道碎片规避机动。作为欧洲迄今最复杂的航天器， “自动转移飞行器”具有高度自主导航和自主交会对接的能力。其精确性让它在轨表现出色，自动转移飞行器-4的对接极其精准， 飞船只偏离对接目标中心11mm，甚至没有接触到周围的对接锥体。除俄罗斯和中国飞船以外，“自动转移飞行器”是另一种能够自动对接的飞船。3

任务运行“自动转移飞行器”自动导航、飞行、与“国际空间站”对接，但确实需要一些地面支持，一次“自动转移飞行器”任务需要分散在世界各地的空间机构之间复杂交会并分担责任。任务运行是一套非常复杂的成文规则和规程，对于“自动转移飞行器”这样的复杂任务至关重要，主要目标是维持与“自动转移飞行器”的实时不间断交互。这项重要工作对于任务是必需的，并需要即时处理飞船的所有遥测数据、参数及其他数据。因为“自动转移飞行器”高度自动化，所以地面控制人员基本上只是监视它的飞行，并在预先确定的步骤向飞船发送“Go”指令，然后执行下一条预编程序列。具体到“自动转移飞行器”，任务运行涉及：3

1）库鲁发射场， ESA位于法属圭亚那， 阿里安－5ES火箭从这里发射“自动转移飞行器”。

2）“ 自动转移飞行器” 控制中心（ATV-CC），位于法国图卢兹，地面团队在这里控制“自动转移飞行器”任务。控制中心与“自动转移飞行器”联通以控制和监视其运行状况和性能，并在需要时发送指令。控制中心与“自动转移飞行器”之间的通信由美国中继卫星或欧洲中继卫星[“阿蒂米斯”（Artemis）]传输，两条路径都随时可用。

3）莫斯科任务控制中心（MCC-M），因“自动转移飞行器”与“国际空间站”的俄罗斯段对接，所以在“自动转移飞行器”与“国际空间站”保持对接的6个月内，大部分时间由该控制中心控制。

4）休斯顿任务控制中心（MCC-H），负责整个“国际空间站”的任务控制，并协调“自动转移飞行器”和“国际空间站”的整体运行。

5）乘员，在交会和货物转移期间负责监控。

每个团队都有各自的工具：

1）飞行规则对飞行指挥官的决策有决定性影响；

2 ） 飞行运行规划由“ 自动转移飞行器” 控制中心飞行控制人员用于在地面执行两类程序：仅与“自动转移飞行器”相关的程序及地面控制后勤的一套程序；

3）多元规程和操作接口规程是分配给各个控制中心及其接口的工作；

4 ） 船载数据文件由在轨操作“ 自动转移飞行器”的航天员使用。3

任务控制中心在法国图卢兹航天中心典雅、现代的“费尔马大楼”中，CNES根据与ESA在2003年签订的合同，开拓并运营着一个专用于处理“自动转移飞行器”在轨任务的控制中心。在E S A 授权下，“自动转移飞行器”控制中心负责准备和校验30名任务控制人员在飞行过程中所用的监控工具。控制中心还负责实施已编制的任务规划，如果需要的话还要落实变更。

在任务进行的全过程中，飞船由“自动转移飞行器”控制中心监控和指挥。控制中心昼夜工作，并与位于俄罗斯和美国的其他控制中心密切配合，所有指令都在与“国际空间站”合作伙伴协调一致的基础上运行。控制中心负责管理飞行中的操作并协调地面资源；负责“自动转移飞行器”的定轨和定位，并监视其接近“国际空间站”的过程，这是富有挑战的工作，需要有很高的专门技术能力。在各种飞行控制和领航能力之中，控制中心还指引“自动转移飞行器”与“国际空间站”的对接解除过程，之后可以指挥“自动转移飞行器”留在“国际空间站”附近，最多可达8个星期，如果需要，还能执行二次对接。

“自动转移飞行器”所有的地面控制指令都从控制中心发出。为在任务中与其他控制中心持续协调并与“自动转移飞行器”不间断联系，控制中心依靠建在德国空间运行中心的地面互联子网络；控制中心与主管“自动转移飞行器”发射和调度的圭亚那航天中心协作；在交会、对接和离站阶段，控制中心与莫斯科和休斯顿的任务控制中心密切配合；控制中心还直接连到哥伦布控制中心，起ESA合作伙伴通信网络中心节点的作用。3

乘员在任务飞行控制中的作用在任务过程中，“国际空间站”上的乘员不参与驾驶“自动转移飞行器”，但需要在俄罗斯星辰号服务舱内用独立设备认真监控“自动转移飞行器”的状态。在任何时刻，只要他们认为安全受到威胁，都可以随时中断飞船的抵近。除容错设计外，“自动转移飞行器”控制人员还通过遥测技术监控“自动转移飞行器”。3

（1）交会操作

“自动转移飞行器”与“国际空间站”之间的距离为40～50km时，无线通信链路一建立，“自动转移飞行器”遥测数据就显示给航天员。万一发生异常或故障，他们可以启动避碰机动，让飞船远离“国际空间站”。距离约250m时，进入最后30min的抵近过程，航天员用视频系统主动检查“自动转移飞行器”是否运转正常。在获得航天员批准后，“自动转移飞行器”控制中心的控制人员向“自动转移飞行器”发出指令走完最后几米。航天员仔细检查“自动转移飞行器”的慢动作接近过程，一旦“自动转移飞行器”没有停留在虚拟接近走廊内，航天员可以拒绝它继续接近。

（2）电视屏幕

航天员使用一块电视屏幕和一个16键控制面板监视操作。因为没有舷窗能直接看到“自动转移飞行器”，航天员只能依靠这个利用摄影机的2种变焦模式和“自动转移飞行器”前锥光学对准设备的简单而强大的系统。航天员可通过电视屏幕监视“自动转移飞行器”的位置和姿态，“自动转移飞行器”的必要遥测数据也显示在屏幕上。

航天员的监视作用在关键时刻非常重要，因为一旦发生故障他们可以随时插进。“自动转移飞行器”系统自动运行，与此同时，在地面上的“自动转移飞行器”控制中心飞行主管也可以中断“自动转移飞行器”抵近，即使航天员没有看到任何干扰因素。飞行控制人员可以利用更多参数分析“自动转移飞行器”的运行状况和性能。

航天员可以用4 种不同方式中断“ 自动转移飞行器” 的抵近过程： 保持（HOLD）、撤回（RETREAT）、逃逸（ESCAPE）或中止（ABORT），取决于异常类型。3

（3）对接后的操作

被“国际空间站”的对接机构捕获后，对接密封件加固，电气和流体连接建立。在经过几次检查后，航天员打开舱门，可以进入“自动转移飞行器”的加压货物段。

装在包袋、抽屉和机柜中的干货由航天员搬运，并由美国休斯顿任务控制中心监督。“自动转移飞行器”上加载的空气由航天员从货舱手动释放到“国际空间站”机舱中，淡水也从地面带上来。站上废液由阀门和软管转移到飞船上，废液还可用软塑折叠容器装。航天员有规律地向飞船内装填站上不再需要的废物和材料。“自动转移飞行器”的推进剂贮箱在对接时自动连到“国际空间站”本身的管道上。

在“自动转移飞行器”与“国际空间站”对接的全程中舱门都保持开启，乘员唯一的工作就是执行需要动手的搬运活动，每次最多有2名航天员同时工作，卸载补给品和进行试验，他们不负责轨道提升、姿态控制或加注管理。3