自動轉移飛行器

自動轉移飛行器(ATV)，是歐空局（ESA）研製的極具挑戰意義的航天飛行器，將用來向國際空間站（ISS）提供後勤服務。 ATV從20世紀80年代中期開始，經過近20年的研製，計畫於2007 年首飛，屆時將成為歐洲第1個能同ISS實現自動對接的航天飛行器。ATV呈圓筒狀，長9.79m，直徑4.48m，重達20t。首駕ATV升空後，歐空局未來還計畫發射4 架ATV，每架ATV建造和發射費用約為3 億歐元(約合4.6億美元)。歐空局迄今已為ATV項目耗資13億歐元(約合19.6億美元)。

基本介紹

• 中文名：自動轉移飛行器
• 外文名：Automatic transfer of aircraft
• 研製時間：開始於1995年10月
• 性質：一次性使用的航天貨運飛行器
• 運載火箭：阿里安-5ES火箭
• 發射時間：格林尼治時間2008年3月9日4點3分
• 發射場：法屬蓋亞那庫魯航天中心

簡介

歐洲首架自動轉移飛行器（ATV）于格林尼治時間2008年3月9日4點03 分（台北時間9日中午12時03分）由阿里安-5ES火箭從法屬蓋亞那庫魯航天中心發射升空，計畫於4 月3 日與國際空間站自動對接，在太空停留6個月後脫離空間站，並在可控情況下在太平洋上空的大氣層內燒毀。按計畫，ATV 將完成3 項任務：一是為國際空間站運送8t左右的水、燃料、食品和科學儀器等；二是充當太空拖船，利用自身動力幫助空間站提升軌道；最後帶走空間站上無法處理的廢棄物。

ATV是歐空局研製的一次性使用航天貨運飛行器，研製開始於1995年10月。ATV呈圓筒狀，長9.79m，直徑4.48m，重達20t。首駕ATV升空後，歐空局未來還計畫發射4 架ATV，每架ATV建造和發射費用約為3 億歐元(約合4.6億美元)。歐空局迄今已為ATV項目耗資13億歐元(約合19.6億美元)。用於發射ATV的火箭為阿里安5ES火箭，該火箭採用兩級結構，低溫芯級利用火神2發動機提供動力，在其周圍捆綁了2枚大型固體助推器，上面級採用可重複點火的艾斯特斯發動機，近地軌道運載能力可達到21t。阿里安5ES 火箭主要用於進行ATV的發射，未來還可發射伽利略星座衛星。

目前，國際空間站的人員替換和物資補充有3種運輸工具，分別是載人飛船、貨運飛船和太空梭。2003年美國哥倫比亞號太空梭失事後，俄羅斯的進步系列貨運飛船一度成為國際空間站唯一的貨物運輸工具。此次ATV的成功發射，標誌著歐洲在空間站的運輸方面不再完全依賴於美國的太空梭和俄羅斯的飛船。ATV與國際空間站的對接將使歐洲掌握自動交會對接技術，為發展載人飛船和軌道轉移飛行器奠定技術基礎。

“自動轉移飛行器”計畫

自1987年起， 歐洲工業界就在ESA領導下進行“自動轉移飛行器”的概念和系統研究工作。早在1988年， 幾個歐洲國家與美國和其他“國際空間站”合作夥伴簽訂了“政府間協定”，承諾參與“國際空間站”計畫。1992年，ESA開始與美國航空航天局（NASA）聯合研究。1994年，在俄羅斯加入“國際空間站”計畫後， ESA決定建造“自動轉移飛行器”。1995年10月舉行的部長級ESA會議正式批准“自動轉移飛行器”的全面研製計畫。在“國際空間站”合作夥伴中， ESA代表涉及“國際空間站”計畫的10個歐洲國家（比利時、丹麥、法國、德國、義大利、荷蘭、挪威、西班牙、瑞典和瑞士），同時包括哥倫布號實驗艙和“自動轉移飛行器”項目。

“自動轉移飛行器”計畫涉及這10個歐洲國家的許多公司及數以千計的技術人員和工程師，主承包商為空客防務與航天公司前歐洲航空航天防務集團（EADS），管理著來自這10個歐洲國家的30多家分承包商及約2000名技術專家和工程師。同時參與合作的還有8家俄羅斯公司，主要由俄羅斯能源火箭航天集團（RKK Energia）牽頭，負責建造“自動轉移飛行器”對接機構、燃料補加系統和相關電子設備。空客防務與航天公司和法國政府的共有企業阿里安航天公司是全球首家商業空間運輸公司，研製了專用於“自動轉移飛行器”的阿里安-5ES火箭。

ESA按比例向NASA償付的“國際空間站”運行成本中，大部分是以實物抵資（包括“自動轉移飛行器”）的方式，而非貨幣支付。ESA在13年間用於“自動轉移飛行器”計畫研製的預算約13億歐元，包括建造地面設施、第1個“自動轉移飛行器”及其首航，後續每個“自動轉移飛行器”建造成本約4.53億歐元，足夠償付2017年前的“國際空間站”運行成本。

命名

ESA將每個“自動轉移飛行器”都以歐洲科學家和思想家的名字命名。自動轉移飛行器-1名為“儒勒·凡爾納”（Jules Verne），19世紀法國科幻作家和預言家。自動轉移飛行器-2得名於17世紀德國天文學家約翰尼斯· 克卜勒（ JohannesKepler），任務時間為2011年2-6月。自動轉移飛行器-3為紀念義大利物理學家愛德華多·阿瑪爾迪（ Edoardo Amaldi），2012年3-10月在軌。自動轉移飛行器-4以偉大的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦（ Albert Einstein）的名字命名，2013年6-11月在軌。自動轉移飛行器-5在2012年2月獲名“喬治·勒梅特” （Georges Lemaître），以紀念這位比利時天文學家和宇宙學家，他被認為是宇宙起源“大爆炸理論”之父。

越來越完善

“ 自動轉移飛行器” 的設計可靠性非常高， ESA稱其執行預定任務的成功率可達98%。對接時， 至少有三道防線保護“國際空間站”及其乘員。

歐洲貨運飛船——自動轉移飛行器

自動轉移飛行器-1首航標誌著歐洲太空飛行器在“ 國際空間站” 補給任務中的首次交會對接。從那以後，“自動轉移飛行器” 一直在改進。首次任務完成， 飛行後的分析工作指出了130項技術改進建議，其中約有30項納入到後續“自動轉移飛行器”設計當中。從電氣故障和卡住的通信天線支臂，到分離的隔熱層和拒不工作的風扇，每個“自動轉移飛行器”都有一堆不危及任務的小缺陷。

“自動轉移飛行器”團隊對於每次任務都進行循環改進過程，並及時商定糾正和應急措施，由業界和合作夥伴進行評審是工作的一部分。挑戰是在每次任務中升級有關係統，更要應對千變萬化的貨物艙單。從前一次任務結束到下一次“自動轉移飛行器”發射通常為半年，因此實施更新的時間就剩下得很少。

充分利用部落格

ESA網站上為“自動轉移飛行器”開闢的專欄部落格（blogs.esa.int）已成為該計畫的一大特色且高度成功。“自動轉移飛行器”部落格是非常受歡迎的訊息來源，現在被眾多頂級媒體、航天愛好者網站及社交媒體永久連結並經常引用。

自2010年以來，ESA的“臉書”（Face book）主頁差不多有621000的頁面訪問量，證實了它的成功準則：以友好而非正式的文體發布的語錄、採訪、視頻和評論帶來“人情味”。部落格贏得了任務更新權威來源的口碑，連“自動轉移飛行器”任務主管都直接回復部落格訪者。

自2013年以來，“自動轉移飛行器”社交媒體覆蓋已擴展到包括流行的@esaoperations推特頻道。這已額外產生了3500萬來自庫魯、“自動轉移飛行器”控制中心和“國際空間站”的新聞和實時更新瀏覽量。

“ 自動轉移飛行器” 任務的所有方面都一一報導，從發射準備、航天員訓練、點火升空、對接直到再入，部落格在關鍵任務階段提供了快速、實時的更新。

運輸系統

運載火箭

阿里安－5是由阿里安航天公司運營的一次性運載火箭。阿斯特留姆公司（前歐洲航空航天防務集團子公司，現屬空中客車集團）是火箭的主承包商，並負責組裝火箭。阿里安－5用於發射地球同步轉移軌道和近地軌道有效載荷。火箭從法屬蓋亞那庫魯航天中心發射。阿里安－5火箭在ESA和法國國家空間研究中心（CNES）授權下製造。

阿里安-5運載火箭

自1996年首次發射以來，阿里安－5已累計發射73次。憑藉這一紀錄，它已成為歐洲航天發射市場的主力軍，並將至少運行至2015年。火箭久經飛行考驗，成功69次，失敗2次，另外2次被認定為部分失敗。

阿里安－5是“阿里安”系列的第5種火箭，但並不是直接衍生自早先型號的產品。阿里安－5ES具有阿里安－ECA火箭相對於早先阿里安－5所做的所有提升改進，但僅用於發射“自動轉移飛行器”入軌。

“自動轉移飛行器”貨運飛船

“自動轉移飛行器” 主體是一個圓柱體， 長10.3m， 直徑4.5m， “ X ” 形太陽電池翼翼展22.3m，外部覆有鋁箔層和微流星體防護板。“自動轉移飛行器”採用模組化設計，可將不同的艙段、模組平行集成、測試，同時考慮後續任務，可兼容不同的模組。“自動轉移飛行器”在結構上分為集成貨運艙和服務艙兩個艙段。

“自動轉移飛行器”與“國際空間站”對接、停靠時間長達6個月，期間可為“國際空間站”提升軌道高度，執行姿態控制和軌道碎片規避機動。作為歐洲迄今最複雜的太空飛行器， “自動轉移飛行器”具有高度自主導航和自主交會對接的能力。其精確性讓它在軌表現出色，自動轉移飛行器-4的對接極其精準， 飛船隻偏離對接目標中心11mm，甚至沒有接觸到周圍的對接錐體。除俄羅斯和中國飛船以外，“自動轉移飛行器”是另一種能夠自動對接的飛船。

任務運行

“自動轉移飛行器”自動導航、飛行、與“國際空間站”對接，但確實需要一些地面支持，一次“自動轉移飛行器”任務需要分散在世界各地的空間機構之間複雜交會並分擔責任。任務運行是一套非常複雜的成文規則和規程，對於“自動轉移飛行器”這樣的複雜任務至關重要，主要目標是維持與“自動轉移飛行器”的實時不間斷互動。這項重要工作對於任務是必需的，並需要即時處理飛船的所有遙測數據、參數及其他數據。因為“自動轉移飛行器”高度自動化，所以地面控制人員基本上只是監視它的飛行，並在預先確定的步驟向飛船傳送“Go”指令，然後執行下一條預編程式列。具體到“自動轉移飛行器”，任務運行涉及：

1）庫魯發射場， ESA位於法屬蓋亞那， 阿里安－5ES火箭從這裡發射“自動轉移飛行器”。

2）“ 自動轉移飛行器” 控制中心（ATV-CC），位於法國土魯斯，地麵團隊在這裡控制“自動轉移飛行器”任務。控制中心與“自動轉移飛行器”聯通以控制和監視其運行狀況和性能，並在需要時傳送指令。控制中心與“自動轉移飛行器”之間的通信由美國中繼衛星或歐洲中繼衛星[“阿蒂米斯”（Artemis）]傳輸，兩條路徑都隨時可用。

3）莫斯科任務控制中心（MCC-M），因“自動轉移飛行器”與“國際空間站”的俄羅斯段對接，所以在“自動轉移飛行器”與“國際空間站”保持對接的6個月內，大部分時間由該控制中心控制。

4）休斯頓任務控制中心（MCC-H），負責整個“國際空間站”的任務控制，並協調“自動轉移飛行器”和“國際空間站”的整體運行。

5）乘員，在交會和貨物轉移期間負責監控。

每個團隊都有各自的工具：

1）飛行規則對飛行指揮官的決策有決定性影響；

2 ） 飛行運行規劃由“ 自動轉移飛行器” 控制中心飛行控制人員用於在地面執行兩類程式：僅與“自動轉移飛行器”相關的程式及地面控制後勤的一套程式；

3）多元規程和操作接口規程是分配給各個控制中心及其接口的工作；

4 ） 船載數據檔案由在軌操作“ 自動轉移飛行器”的航天員使用。

任務控制中心

在法國土魯斯航天中心典雅、現代的“費爾馬大樓”中，CNES根據與ESA在2003年簽訂的契約，開拓並運營著一個專用於處理“自動轉移飛行器”在軌任務的控制中心。在E S A 授權下，“自動轉移飛行器”控制中心負責準備和校驗30名任務控制人員在飛行過程中所用的監控工具。控制中心還負責實施已編制的任務規劃，如果需要的話還要落實變更。

在任務進行的全過程中，飛船由“自動轉移飛行器”控制中心監控和指揮。控制中心晝夜工作，並與位於俄羅斯和美國的其他控制中心密切配合，所有指令都在與“國際空間站”合作夥伴協調一致的基礎上運行。控制中心負責管理飛行中的操作並協調地面資源；負責“自動轉移飛行器”的定軌和定位，並監視其接近“國際空間站”的過程，這是富有挑戰的工作，需要有很高的專門技術能力。在各種飛行控制和領航能力之中，控制中心還指引“自動轉移飛行器”與“國際空間站”的對接解除過程，之後可以指揮“自動轉移飛行器”留在“國際空間站”附近，最多可達8個星期，如果需要，還能執行二次對接。

“自動轉移飛行器”所有的地面控制指令都從控制中心發出。為在任務中與其他控制中心持續協調並與“自動轉移飛行器”不間斷聯繫，控制中心依靠建在德國空間運行中心的地面互聯子網路；控制中心與主管“自動轉移飛行器”發射和調度的蓋亞那航天中心協作；在交會、對接和離站階段，控制中心與莫斯科和休斯頓的任務控制中心密切配合；控制中心還直接連到哥倫布控制中心，起ESA合作夥伴通信網路中心節點的作用。

乘員在任務飛行控制中的作用

在任務過程中，“國際空間站”上的乘員不參與駕駛“自動轉移飛行器”，但需要在俄羅斯星辰號服務艙內用獨立設備認真監控“自動轉移飛行器”的狀態。在任何時刻，只要他們認為安全受到威脅，都可以隨時中斷飛船的抵近。除容錯設計外，“自動轉移飛行器”控制人員還通過遙測技術監控“自動轉移飛行器”。

（1）交會操作

“自動轉移飛行器”與“國際空間站”之間的距離為40～50km時，無線通信鏈路一建立，“自動轉移飛行器”遙測數據就顯示給航天員。萬一發生異常或故障，他們可以啟動避碰機動，讓飛船遠離“國際空間站”。距離約250m時，進入最後30min的抵近過程，航天員用視頻系統主動檢查“自動轉移飛行器”是否運轉正常。在獲得航天員批准後，“自動轉移飛行器”控制中心的控制人員向“自動轉移飛行器”發出指令走完最後幾米。航天員仔細檢查“自動轉移飛行器”的慢動作接近過程，一旦“自動轉移飛行器”沒有停留在虛擬接近走廊內，航天員可以拒絕它繼續接近。

（2）電視螢幕

航天員使用一塊電視螢幕和一個16鍵控制臺監視操作。因為沒有舷窗能直接看到“自動轉移飛行器”，航天員只能依靠這個利用攝影機的2種變焦模式和“自動轉移飛行器”前錐光學對準設備的簡單而強大的系統。航天員可通過電視螢幕監視“自動轉移飛行器”的位置和姿態，“自動轉移飛行器”的必要遙測數據也顯示在螢幕上。

航天員的監視作用在關鍵時刻非常重要，因為一旦發生故障他們可以隨時插進。“自動轉移飛行器”系統自動運行，與此同時，在地面上的“自動轉移飛行器”控制中心飛行主管也可以中斷“自動轉移飛行器”抵近，即使航天員沒有看到任何干擾因素。飛行控制人員可以利用更多參數分析“自動轉移飛行器”的運行狀況和性能。

航天員可以用4 種不同方式中斷“ 自動轉移飛行器” 的抵近過程： 保持（HOLD）、撤回（RETREAT）、逃逸（ESCAPE）或中止（ABORT），取決於異常類型。

（3）對接後的操作

被“國際空間站”的對接機構捕獲後，對接密封件加固，電氣和流體連線建立。在經過幾次檢查後，航天員打開艙門，可以進入“自動轉移飛行器”的加壓貨物段。

裝在包袋、抽屜和機櫃中的乾貨由航天員搬運，並由美國休斯頓任務控制中心監督。“自動轉移飛行器”上載入的空氣由航天員從貨艙手動釋放到“國際空間站”機艙中，淡水也從地面帶上來。站上廢液由閥門和軟管轉移到飛船上，廢液還可用軟塑摺疊容器裝。航天員有規律地向飛船內裝填站上不再需要的廢物和材料。“自動轉移飛行器”的推進劑貯箱在對接時自動連到“國際空間站”本身的管道上。

在“自動轉移飛行器”與“國際空間站”對接的全程中艙門都保持開啟，乘員唯一的工作就是執行需要動手的搬運活動，每次最多有2名航天員同時工作，卸載補給品和進行試驗，他們不負責軌道提升、姿態控制或加注管理。