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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

HTV2发射成功的思考  

2011-01-23 20:13:47|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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都说人类一思考,上帝就发笑,不过我还是觉得应该写点什么

HTV2发射成功的思考 - squirrel - 松鼠的空天随笔
发射前的H-IIB F2火箭
 

       2009HTV-1(HTV技术验证飞船)发射成功并圆满完成任务后,2011122日中午北京时间137分,JAXA的第二艘货运飞船HTV-2白鹤顺利升空,根据JAXANASA TV的直播视频,153HTV-2和运载火箭H-IIB顺利分离,发射取得了成功。HTV-2将于27日和国际空间站(ISS)进行对接,向ISS运去补给物资。都说福无双至,不过ATV-2STS133任务的发现号航天飞机也将在近期发射,按现有计划,三者将有一段时间同时接驳ISS,这将构成人类历史上最大的航天组合体,而且由于航天飞机的退役和NASA重心转向深空探测,或许到我生命终结之日也不会再看到这种盛况。

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HTV-2运输的物资,分为非加压和加压两类 
      HTV全称是H-II Transfer Vehicle,这个H-II转移飞行器的名字清楚的说明了它和H-II运载火箭的关系。早在自由号空间站的时代,日本航天机构就积极参与了空间站建设,20多年前计划的实验舱现在名为希望号(Kibo),已经完成了在ISS上的部署,目前20吨质量的KiboISS上最大的舱室。日本参与空间站的另一贡献是货运飞船,日本H-II火箭的研发告一段落后,20世纪90年代开始大型货运飞船的预研,计划使用H-II火箭发射升空,原定计划2001年进行HTV-1的发射。不过H-II火箭的表现并不出色,日本航天转而开发新的H-IIA火箭,同时HTV的正式开发1997年才开始,也不可能在短短的4年时间内完成。进入21世纪H-IIA取得了不错的发射成功率,但好事多磨,发射HTVH-II重型结构火箭又做了重新设计,从液体助推器改为固体助推器,正式编号为H-IIBH-IIB的开发费用大约为270亿日元。HTV经历10余年开发后完成,耗费大约680亿日元,HTV的造价约为140亿日元。
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HTV加压舱室(PLC)的运货配置,理论上它可以携带8个ISPR,但实际会根据具体情况配置
 
       HTV货运飞船将在当前和未来与Progress进步号飞船,ATV飞船承担ISS的货运任务,这其中HTV尤为重要,HTV是航天飞机退役后唯一具备运送国际空间站标准机柜(ISPR:International Standard Payload Racks )的货运飞船,也是唯一具备运送全部非加压货物的货运飞行器(Dragon和Cygnus也能运非加压货物,不过由于舱室容积和出口的限制不是所有的都能运),不过这并不意味着它加压货物的运输能力差,按质量比例来说HTV主要运输的仍然是加压货物。

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 HTV的尺寸和结构

HTV-1作为HTV的首次试验,并没有彻底发挥其运载能力,设计上最大载货量约5.3吨,其中4吨加压货物和1.3吨非加压货物。HTV-1发射时就携带了大约4.5吨货物,其中加压货物3.6吨,包括7HTV补给货架(HRR)和一个加压装载补给货架(PSRR),非加压货物0.9吨其中包括日本舱外实验设备(475千克)NASA舱外实验设备(381千克)。本次发射的HTV-2在运载能力上有进一步的提高,最大载货量增加到6吨,其中加压货物最多可携带5.2吨,非加压货物最多携带1.5吨,当然由于设计的限制加压和非加压的最大载货量无法同时达到,这恐怕是今后数年HTV的标准设计了。HTV-2实际装载了5.3吨货物,其中加压货物4吨包括6HRR货架和质量723千克的KOBAIRO货架与质量580千克的多用途小型载荷货架(MSPR),非加压货物包括一个货物运输集装箱(CTC)和柔性软管旋转接头(FHRC)HTV-2运输的CTC是部署到ISS上的第二个CTC,第一个是由美国航天飞机STS-129任务运输的。FHRC则是第三个,前两个分别是STS-114STS-126任务运输。按JAXA的计划,截止2015年日本将平均每年发射一艘HTV飞船,向ISS提供补给,2010年的补充提到2015~2020年间继续维持这个发射频率,同时试验返回式技术(HTV-R),这将为未来的载人飞船打好技术基础。2009911日,HTV-1试验飞船首次发射并对接成功,向国际空间站输送了一系列加压和非加压货物,2010122日,HTV-2飞船发射成功,不过具体对接仍然要等到数天之后。

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 HTV对接国际空间站的过程

HTV的实际对接要比大多数人想象的麻烦的多,首先HTV飞到ISS5千米的轨道上,随后在RGPS导航下飞到ISS下方500米处;然后使用激光传感器RVS测量相对位置,激光的反射装置安置于日本的Kibo实验舱上,以精确测量信息为基础HTV开始逐渐靠近ISS,速度在1~10每分的范围内,ISS的操作人员此时可以通过指令控制HTV的动作,在接近过程中HTV250米和30米处的支点处都将进行180°的旋转机动,规避可能的冲撞;最后HTV接近到ISS下方10米处通常被称为捕获框的空间内,ISS上的操作员关闭HTV的姿轨控发动机,操作SSRMS机械臂抓住HTV,最后SSRMS机械臂将HTV对接到ISS上。说起对接,我国今年要发射神舟八号和天宫一号进行对接试验,HTVISS的对接和我国的对接并不相同。前者是两者直接对接,后者是接近到一定距离(一般是10),使用空间站上的空间站遥控操纵系统(SSRMS,加拿大的机械臂)抓取并进行对接。在JAXA的英文资料中,将这种方式称之为Berthing,以区别传统的Docking对接。

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停泊在ISS上的HTV1,机械臂此时抓住了非加压的EP货架

日本1998年发射ETS7卫星进行了空间对接的试验,试验中使用机械臂也就是Berthing 方式进行最后阶段的对接,日本从而成为世界上第二个实现自动对接的国家,同时是第一个实现弱撞击对接(Berthing方式)的国家。目前只有HTV使用这种对接方法,美国航天飞机和俄罗斯与欧空局的飞船都是传统的Docking对接,不过未来即将投入使用美国SpaceXDragon飞船和OrbitalCygnus飞船也将采用Berthing的方式。从技术上来说,Docking对对接系统的要求很高,需要精确控制对接飞行器的姿态,对两者接近的速度和对接位置有很高要求,这也是ESAATV-1实现对接后大为振奋的原因,但Docking同样成本也更高。Berthing的实现难度较低,对接系统的费用也低的多。在使用上,Docking方式由于是硬性直接对接,连接处的强度要高得多,在ISS上只有Docking对接方式的ProgressATV飞船可以执行轨道机动的任务,而Berthing方式的HTV由于对接口强度不足根本无法执行这样的操作。不过话说回来,这是结果而不是原因,Berthing对接的对接口是由于Berthing的冲击力不大因此设计上强度就不高,如果要使用HTV进行轨道调整,提高双方对接口的强度并不是多大的问题。

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 HTV的发展构想

HTV使用模块化设计,本身很容易更改为其他用途的航天器,JAXA一直有以HTV为基础发展载人飞船的建议,甚至私下把载人飞船称为日之丸号。此外还有用HTV为基础搭建空间站的设想,甚至还构思以HTV为基础进行地月物资运输,HTV的模块化设计是相当不错的。说起以HTV做空间站核心舱,我国恰好有相反的发展路线,我国载人航天921-2发展中,首先发射天宫一号天空实验室和天宫二号、三号试验空间站,天宫系列飞行器自重8.5吨,是试验空间站的核心舱。以天宫核心舱为基础,我国将发展出运载能力5.5吨的货运飞船。中日两国载人航天在货运飞船和空间站核心舱之间的发展顺序恰好相反,不过殊途同归,最后都要发展载人飞船,货运飞船和空间站。从目前的规划进度看,我国将首先完成载人航天整套系统的建设,不过从天宫一号的设计看,我国货运飞船可能不会有运输非加压货物的功能,希望不至于留下这个遗憾吧。

根据日本非官方2010年统计,自日本参与空间站建设以来,20多年间累计投入7100亿日元,主要用于开发Kibo和地面设置,开发新型火箭和相关发射。Kibo完成后每年运行经费约400亿日元,加上Kibo的运行费用,2015年时投资就将累计达到9000亿日元。此外H-IIB每次发射费用150亿日元外加HTV单价140亿日元,仅此一项每年还要支出290亿日元。日本在载人航天相关领域的投资不可不谓巨大,日本凭借巨额投资产生的技术工程成果对ISS的贡献,获得了ISS使用权的12.8%,在HTV-2成功发射之际,难免有些日本人会问如此巨大的投资获得足够回报了么,中国论坛里更是有一种日本人误上贼船,骑虎难下的论调,更有一部分中国军迷归纳出了“凡是国际合作的都干不好,凡是自力更生的都干得好”的结论,事实真的如此么?

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Kibo的舱外实验平台,很大很眼红
 

中国自载人航天的921计划启动以来,投入的资金已经数以百亿计,汇率折算的话,即使不比日本更多,也不会日本投入的少多少。日本早在Kibo组装完毕前就登上了ISS,获得了大量载人航天的经验,还进行了一系列科研试验,Kibo部署后进行的试验更多。日本为载人航天投入的巨额投资,并不是OEMNASA获得某个舱室的命名权,而是在本国研制生产化为实际的技术和工程能力。进行国际合作没有拖后日本航天自身的技术进步,而是在技术交流和取长补短中促进了日本航天的发展。对比下我国,神舟七号飞船进行了固体润滑材料空间实验,这是首次进行暴露于太空环境并成功回收的空间材料试验,可是多少人留意到暴露时间仅有少得可怜的40小时,而日本Kibo舱外试验平台舱外暴露试验的时间和规模上都比神舟的试验强太多。如果能更多的参与航天领域的国际合作,我国本来是可以走的更远的!如果没有较少但仍然存在的交流,东方红三号卫星或许现在也没有解决好可靠性问题,更不要说没有80~90年代的合作,我国长征二号捆绑火箭和长征三号乙火箭根本不会出世,载人航天工程的的神箭长征二号F就成了无本之木。如果时光可以倒流,日本完全靠自力更生开展载人航天,即使日本工业基础更好,最多也就是比我国现在的进度稍好一些,后进国家参与国际合作的好处不言而谕。我个人认为,对中国参与国际航天合作的排斥,以及对日本参与ISS冠之以受美国干爹限制的嘲笑,如果不是吃不着葡萄说葡萄酸的无奈,就实在令人匪夷所思了。

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