“天鹅座”货运飞船发射记录

“天鹅座”货运飞船整体介绍

2013-

(Cygnus spacecraft)

飞船由来

“天鹅座”飞船由通用服务舱和加压货舱组成。服务舱由轨道科学公司研制,继承了轨道科学公司的LEOStar和GEOStar卫星平台的电子系统,以及GEOStar通信卫星的推进和电源系统。加压货舱由泰雷兹·阿莱尼亚航天公司研制,基于“国际空间站”多功能后勤舱设计,可装载日常物资、备用部件、实验设备等。采用成熟技术的目的是降低成本、风险,减少研制周期。“天鹅座”飞船不具备返回能力,但类似俄罗斯“进步”货运飞船,可装载废弃物再入大气烧毁。

天鹅座”飞船是美国轨道科学公司因应美国国家航空航天局商业轨道运输服务(Commercial Orbital Transportation Services)发展计划的一部分而正在开发的无人驾驶补给飞船(Unmanned resupply spacecraft),是借由安塔瑞斯火箭来将飞船运送至国际太空站所在轨道以补给物资。

2008年2月19日,美国航空航天局(NASA)选中轨道科学公司为商业轨道运输服务计划的另外一个合作伙伴,并与之签订了空间法案协议。

NASA将商业再补给服务合同授予轨道科学公司,其中11次包括在2008年最初签订、后经修订的CRS1合同中,而2016年签订的后续CRS2合同则将包括至少6次飞行,运送约20000kg或以上的货物到“国际空间站”。轨道科学公司根据合同要求将设计、制造和试验金牛座2号运载火箭和“天鹅座”飞船(Cygnus)。NG-15任务的飞船上共载有3810公斤货物。这比以往任何一次空间站商业货运任务的载货量都要多。

火箭情况

安塔瑞斯火箭采用2级光杆构型;
  • 第一级使用RP-1与液氧作为燃烧推进剂,并在内部安装有两部Aerojet公司参考俄罗斯NK-33火箭发动机研发并销售的AJ26火箭发动机。而轨道科学公司为了能够获得第一节火箭的轨道发射之经验与大型液态推进剂使用之技术,因此与乌克兰南方设计局签约以获得天顶号运载火箭相关设计来作为参考。
  • 第二级火箭则采用固态火箭发动机卡斯托30火箭发动机,而其发动机则是参考阿连特科技系统(英语:AlliantTechsystems)所研发的卡斯托120辅助火箭发动机而成,并且透过相关技术能够达成推力向量的效果。
  • 作为可搭配选项的第三级火箭的发动机则可为双推进剂第三节系统(Bi-PropellantThirdStage)或者是阿连特科技系统的星48BV型固体燃料火箭(英语:Star48),其中前者为轨道科学公司其主要卫星平台,使用四氧化二氮与联氨作为推进燃料,计划是拿来将有效载荷精确放置最终轨道之中;而后者则是基于星48型固体燃料火箭开发而成,主要是计划负责需要更多推进能量以前往指定轨道的任务。

安塔瑞斯火箭发射前后时序

发射前时序 时序节点 高度
3时50分00秒 给出发射准备指令 0
3时05分00秒 开始加注液氧 0
3时00分00秒 低温贮箱自检 0
1时30分00秒 开始加注煤油 0
1时25分00秒 常温贮箱自检 0
1时20分00秒 冷氦增压系统自检 0
1时00分00秒 工程人员撤离发射架 0
0时15分00秒  飞船启动内置供电 0
0时12分00秒 主发自检 0
0时11分00秒 工位进入临射状态 0
0时05分00秒 火箭内与惯导供电 0
0时03分00秒 火箭转入全自动状态 0
0时02分00秒 贮箱加压到工作状态 0
发射时序 时序节点 高度
0时00分00秒 主发点火 0
0时00分02秒 火箭起飞 0.001km
0时03分55秒 一级发动机关机 102km
0时04分01秒 一二级分离 108km
0时05分31秒 抛整流罩 168km
0时05分36秒 级间段分离 170km
0时05分40秒 固体二级点火 171km
0时07分57秒 二级发动机燃尽 202km
0时07分58秒 滑行段 202km
0时09分57秒 船箭分离 201km
航天爱好者网制作:冬天的一D锅
开始发射

公元2013年4月21日协调世界时21点00分02秒,安塔瑞斯号运载火箭成功点火。随后,火箭把天鹅座飞船质量模拟器送入预定的测试轨道。模拟器重3.8吨,进入了近地点为241公里,远地点为260公里,倾角为51.64°的轨道。一同进入轨道的,还有4颗搭载的小卫星。这是NK-33液体火箭发动机第一次成功完成入轨任务。安塔瑞斯运载火箭的第一级发动机关机的时候,火箭飞行高度为102公里,突破了卡门线,进入了太空。

2013年9月18日,也就是首飞5个月后,安塔瑞斯号第一次执行国际空间站货运任务,将第一艘天鹅座货运飞船送到了国际空间站。
这是一次技术演示性质的货运任务,因此只带了一半货,700公斤。
货物为:
  • 179.1磅的空间相机云台备件;
  • 116.4磅的卫生巾和丁腈手套生理包;
  • 188.9磅的空间站打印机配件;
  • 另有7个国际空间站宇航员指定的个性包,每个包平均重150磅。

2014年1月9日,第3枚安塔瑞斯运载火箭发射。随后,火箭成功把天鹅座货运飞船送上国际空间站,1.26吨货物安全送达。半年后,2014年7月13日,第4枚安塔瑞斯运载火箭成功发射,给国际空间站送去了1.5吨货物。

2014年10月28日,第5枚安塔瑞斯号运载火箭待命。火箭准备带着有史以来最重的天鹅座飞船(7.59吨),履行火箭的第3次国际空间站正式货运任务,货物总重2.215吨。

失利挫折

然而这次安塔瑞斯号运载火箭的NK-33火箭发动机点火6秒后,突然爆炸!事故原因为:火箭发动机舱A位置的一台NK-33液体火箭发动机涡轮泵在点火后第6秒的爆裂,随后损毁了安装在主发动机-2位置上的NK-33火箭发动机。爆炸导致发动机丧失推力,运载火箭落回并撞击地面,从而导致船箭俱毁。所幸爆炸事故并未造成人员伤亡。对现场的整体调查结果指出,地面系统受到的损失相当严重,但发射综合设施的主要部分没有受到严重损坏。随火箭爆炸而损毁的货物除飞船所载补给品和硬件外还有搭载的几十颗小卫星。

 

浴火重生的复飞与升级

Photos from day 2 of the Orbital ATK CRS-4/OA-4 events at Kennedy Space Center, Florida.
此后天鹅座飞船有3次任务使用阿特拉斯-5 401构型火箭替代执行任务。
2016年10月17日美国东部时间下午7: 45,发射任务数度延迟的Antares火箭在中大西洋地区太空中心发射场,抢在发射窗口关闭前5分钟成功地将一艘天鹅座货运飞船发往国际空间站。这是Antares火箭自2014年以来的首次飞行,在上次飞行中火箭因发动机故障升空不久即坠地爆炸。事后,轨道ATK公司采用俄罗斯动力机械科研生产联合体研制的新型RD- 181发动机替换了此前的NK-33(AJ26)发动机,在今年成功完成了本次发射任务。
天鹅座货运飞船在10月23日抵达国际空间站,为其输送包括科学设备、宇航员补给和空间站硬件在内的2425千克物资。联盟号MS-02宇宙飞船将会在它之前的10月19日运送3名字航员抵达空间站、21日完成对接,并在11月下旬完成燃烧试验和立方星部署后返回地球。

NK-33/AJ-26.
2台NK-33发动机以超过标称值的最大功率工作时,能够为第一级提供332.58吨的推力;而2台RD-181发动机以最大功率状态工作时,则能够为第一级提供372.12吨的推力,推力提升了11.9%。理论上,天鹅座飞船,可以从2.215吨的装载量提升为3.728吨的装载量,也就是国际空间站货运能力可以提升68%
2017年11月12日,第7枚安塔瑞斯运载火箭成功发射,为国际空间站送去3.338吨货物。2018年5月21日,第8枚安塔瑞斯运载火箭成功发射,这一次,3.35吨货物送入国际空间站。2018年11月17日,第9枚安塔瑞斯运载火箭发射成功,为国际空间站送去3.416吨货物。2019年4月17日,第10枚安塔瑞斯,3.447吨货物。
2019年11月2日,第11枚安塔瑞斯发射CRS-2合同的第一艘天鹅座飞船,代号NG-12。飞船装载3.728吨货物。此次太空快运采用安塔瑞斯230升级版火箭(Antares 230+)安塔瑞斯230+最大改进:加固了第一级箭体结构,不必再像之前安塔瑞斯230型火箭达到MaxQ(最大空气动压值)时必须减速,以免箭体无法承受受阻压力。这样一来,火箭可以100%全速推进,直至最大加速度(超过5G,之前版本4G多点)。并且安塔瑞斯火箭与飞船还能实现发射前临时安防保鲜货物,具备了运输时效苛刻的货物运输能力。
第三次升级的安塔瑞斯运载火箭和增强版天鹅座飞船(具有更大的货物舱和服务舱,服务舱的太阳能帆板从硬式帆板更换为星座计划中猎户座飞船拟采用的柔性环型帆板),飞船比当年(2014年)的2.215吨的标准配置,货运能力提升了68.3%。

2020年2月16日第12枚安塔瑞斯运载火箭NG-13任务运输了3.46吨的货物;北京时间2020年10月3日第13枚安塔瑞斯运载火箭NG-14任务运输了3351kg的货物;2021年2月20日在位于NASA沃洛普斯飞行设施的中大西洋地区航天港发射了执行NASA“商业补给服务”(CRS)计划下国际空间站货运补给任务的又一艘“天鹅座”货运飞船,任务代号“诺格”NG-15,又称“天鹅座”CRS-15。火箭于美东部时间12时36分(北京时间2月21日1时36分)点火升空,约9分钟后船箭分离。飞船定于2天后停靠到站上。

未来可期

截至于2021年6月1日,已经有15艘天鹅座飞船对接到国际空间站上面,圆满的完成了运输使命。2021年会执行2次天鹅座货运飞船发射任务。未来,美国主导的LOP-G月球轨道访问站的一期生活模块“HALO”也将以天鹅座飞船加压货舱为原型进行加长尺寸等改造设计,计划2023年由重型猎鹰火箭的加长整流罩构型发射。

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