天舟返回地球：中國百噸空間站指日可待！

9月17日，天舟一號貨運飛船經過5個月的軌道運行後基本完成了任務，按計劃與天宮二號分離。整個分離過程是這樣的，天舟一號分離後與天宮二號保持120米的距離，待地面控制中心確認之後，天舟一號開始在400公里的軌道上獨立運行，並且進行最後階段的空間試驗。

天舟一號是一次性，沒有重複使用功能

天舟一號的定位是貨運飛船，在完成貨運補給之後就沒有繼續使用的價值了，不像載人飛船那樣可以返回地球後繼續使用，由此可以看出天舟一號是一次性的，沒有重複使用的功能。作為中國航天第一種貨運飛船，天舟一號的起點是相當之高的，上行運載能力為6噸，低於歐洲的ATV自動運載飛船，後者的運載能力為7.5噸，最大起飛質量20噸。與日本宇宙航空研究開發機構的HTV貨運飛船相比，天舟一號的運載能力與HTV相當，後者也為6噸，都超過了俄羅斯進步貨運飛船不到3噸的上行運載能力。如果算載荷比，天舟一號超過了歐洲和日本的貨運飛船。

圖1.作為中國航天第一種貨運飛船，天舟一號的起點是相當之高的，上行運載能力為6噸

許多人看到了貨運飛船的上行能力，其實貨運飛船還有下行運載能力，因為在返回地球過程中，貨運飛船相當於一輛高級垃圾車，可以將空間站上的垃圾運走。日本HTV飛船和美國的龍式飛船有加壓和非加壓貨倉兩種，天舟一號為加壓貨倉，這就是說前者可運送非加壓貨物。龍式貨運飛船還有一個特點，是唯一一種可返回、重複使用的貨運飛船。通過橫向的簡單對比我們可以看出，天舟一號的性能已經與美歐的運貨飛船齊平，超過了俄羅斯的貨運飛船。在當今這個提倡可重複使用的年代，一次性的產品用完就丟到太平洋中，而龍式貨運飛船可以再次使用，效費比更高一些。

圖2.日本HTV飛船和美國的龍式飛船有加壓和非加壓貨倉兩種，天舟一號為加壓貨倉

天舟一號受控墜落，不用擔心掉到頭上！

天舟一號重返大氣層之後會大部分部件會在大氣層中燒毀，因為天舟一號本來就不是可返回的飛船，也就沒有完備而複雜的隔熱系統。返回大氣層時摩擦產生高溫足夠燒毀貨運飛船，但是仍然會有一些殘片沒有完全燒毀。於是國際上約定對失效航天器的處理方式：通過受控墜毀到南太平洋上，這裡有一片非常大的深海無人區，也稱為航天器的墳場，和平號空間站也就受控濺落於此。事實上航天器受控墜毀也不是一個新鮮的技能，就算沒有失去控制，地球上也有70%的海洋，陸上也有無人區和沙漠，城市面積佔地球表面1%就已經很不錯了。當然也有發生過人造衛星墜毀到陸地上的，比如蘇聯在1977年發射的宇宙954衛星，還是一個核動力衛星，墜毀到加拿大，造成10萬平方公里受到輻射污染。

圖3.天鵝座」貨運飛船返回地球燒毀

如果航天器不受控墜落，那麼可以轉移到同步軌道之上數百公里的墳墓軌道，一部分報廢的衛星就丟到這個軌道，可以保證在相當長的未來不會落到地面上。天宮一號任務結束後也會受控墜落，南太平洋那片深海無人區是大部分受控墜毀航天器的歸宿。所以掉到頭上的概率是很低的，甚至可以媲美買中了彩票。

載人空間站項目已經開始加速推進

隨著載人飛船、貨運飛船系統成熟之後，中國建造空間站的步伐也開始加速。據載人航天工程辦公室此前透露，中國將在2022年建成中國空間站，採用軌道艙對接的模式建造，包括一個核心艙、兩個實驗艙，總質量不低於60噸，可對接一艘載人飛船、一艘貨運飛船，最大擴展質量可達到180噸的規模。組裝後與俄羅斯的和平號空間站相當，後者也是由一個核心艙和兩個量子艙構成，擴展4個艙，總質量超過120噸。國際空間站為桁架結構，與中俄的空間站完全不一樣，總質量超過400噸，造價也超過1000億美元。如果沒有太空梭，國際空間站也無法建成，畢竟大尺寸部件需要太空梭的超大貨倉和機械臂。不論是國際空間站還是和平號，都需要載人飛船和貨運飛船支持，一個運人，一個運貨，當天舟一號和神舟飛船出現後，中國的空間站就可指日可待了。

圖4.與俄羅斯的和平號空間站相當，後者由一個核心艙和兩個量子艙構成，擴展4個艙，總質量超過120du噸

未來貨運飛船會如何發展？

貨運飛船的特點就是不載人，只拉貨，美國的龍式飛船提供了一個發展方向，我們知道美國是一個連國防工業都由私企壟斷的國家，像洛馬、波音、雷神這樣的公司雖然承包了幾乎所有的美軍武器研發，但其本質上是個私企。因此這些公司當然是以掙錢為目的，賠錢的事基本不幹，這就能理解為什麼龍式運貨飛船被設計成可重複使用。SpaceX從美國宇航局那邊拿了十幾億美元的合同，合同總額就這麼多，如果能控制成本，那麼毛利就更多了。發展可重複使用的火箭、貨運飛船，從技術上降低成本，這就是毛利增加的地方。當然，SpaceX要從十幾億美元的合同中掙錢，除了增加毛利外，還有提升純利，因此像SpaceX這樣的公司是不會去養閑人，最後的結局就是技術提升帶動了整個行業的變革式發展，單次發射成本控制在3000萬美元以下，原本要5000萬美元，貨運飛船回收後再次使用，還能壟斷商業航天發射市場，越少的人掙越多的錢。

圖5.美國的龍式飛船

【回顧】天舟一號是我國首個貨運飛船，也是我國迄今體積和重量最大的航天器，起飛質量達13噸，一次可運送6噸以上貨物至空間實驗室或空間站。今年4月20日19時41分，天舟一號由長征七號火箭在我國文昌航天發射場發射升空。4月22日12時23分，天舟一號與在軌運行的天宮二號空間實驗室順利完成自動交會對接。入軌至今，天舟一號與天宮二號先後進行了自動交會對接、自主快速交會對接等3次交會對接，3次推進劑在軌補加，以及空間應用和航天技術等領域的多項實(試)驗。

按照預定計劃，天舟一號與天宮二號組合體在軌飛行約2個月，天舟一號獨立飛行約3個月。完成既定任務後，天舟一號會在今天受控離軌，隕落至太平洋預定安全海域。

文章由企鵝科學和科普中國聯合推出

轉載請註明來自「科普中國」

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