美國“載人龍”飛船成功完成首次無人飛行試驗(yàn)

北京時(shí)間2019年3月2日下午3：49，在美國肯尼迪航天中心LC－39A發(fā)射臺(tái)，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）使用旗下的獵鷹－9火箭將同為該公司研發(fā)的第二代“載人龍”飛船（Crew Dragon）首次送入太空，執(zhí)行首次無人演示任務(wù)（Demo－1）。在發(fā)射的27小時(shí)后，“載人龍”飛船成功自主對(duì)接“國際空間站”。

本次任務(wù)是“載人龍”飛船的首次升空發(fā)射，同時(shí)也是一次全狀態(tài)試飛，除不搭載航天員外，飛船各項(xiàng)配置與載人狀態(tài)一致。船內(nèi)設(shè)置有一個(gè)身著SpaceX艙內(nèi)航天服的模擬假人和204kg的補(bǔ)給貨物，假人上設(shè)置有多種傳感器，用以搜集飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。此次發(fā)射的飛船已于北京時(shí)間3月8日晚間9：45成功返回地球，并落入預(yù)定海域，SpaceX采用其專用回收船進(jìn)行海上回收作業(yè)。飛船回收后將進(jìn)行翻修，并最早于2019年4月進(jìn)行發(fā)射中逃逸試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證其安全性，證明其具備“全程逃逸能力”。若以上試驗(yàn)順利，則預(yù)計(jì)于2019年年中由全新生產(chǎn)的“載人龍”飛船執(zhí)行首次正式載人發(fā)射，目前首飛航天員乘組（2人）和備份乘組已經(jīng)選定，正在開展相關(guān)訓(xùn)練。

1 飛船總體設(shè)計(jì)

“載人龍”飛船為兩艙設(shè)計(jì)，分為返回艙（加壓艙）和非加壓艙，為盡可能復(fù)用飛船設(shè)備，大部分設(shè)備集中于返回艙。非加壓艙部分僅設(shè)置有體裝式太陽能電池板。飛船采用人、貨通用設(shè)計(jì)，載人版可用于“國際空間站”或未來商業(yè)空間站的近地軌道載人往返服務(wù)，經(jīng)貨運(yùn)化改裝后也可以用于無人貨運(yùn)任務(wù)。飛船默認(rèn)設(shè)置有4個(gè)座位，后排可增設(shè)3個(gè)座位，最多承載7人，與航天飛機(jī)和波音的“星際線”（Starliner）飛船乘員數(shù)一致。

“載人龍”飛船艙內(nèi)設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)潔，控制面板（Control Panel）除3塊大尺寸觸控屏幕和少量實(shí)體按鍵外，無其他設(shè)備。默認(rèn)第一排布置有4個(gè)座位，后排3個(gè)座位可選。

最終首飛時(shí)的設(shè)計(jì)（模擬機(jī)）

與傳統(tǒng)飛船設(shè)計(jì)截然不同，“載人龍”飛船的人機(jī)界面采用大尺寸觸控界面，屏幕所顯示內(nèi)容可自由切換，因此3塊屏幕在受損情況下可互為備份。飛船目前設(shè)計(jì)僅保留有38個(gè)實(shí)體開關(guān)和按鍵，作為應(yīng)對(duì)極端情況的最低限度控制面板。除此之外，“載人龍”飛船還提高了自動(dòng)化程度，降低航天員的學(xué)習(xí)成本，航天員在正常情況下可以擺脫操作手冊(cè)，飛船升空、對(duì)接和返回過程均可無人操控。為適應(yīng)載人發(fā)射，SpaceX還設(shè)計(jì)了一套艙內(nèi)航天服，除在正常發(fā)射中監(jiān)測(cè)航天員生理狀態(tài)和維持體溫呼吸外，還能在飛船艙內(nèi)出現(xiàn)破損而導(dǎo)致急性失壓時(shí)保障航天員生命安全。

與傳統(tǒng)航天服不同，SpaceX特別聘請(qǐng)了時(shí)尚設(shè)計(jì)師進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，在維持安全性水平的前提下進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。此外，艙內(nèi)航天服還選用了定制化的3D打印頭盔，航天服本身采用阻燃外層材料，鞋部增設(shè)了與座椅腳蹬的固定結(jié)構(gòu)。所有航天服與飛船的環(huán)控生保和通信連接集成在一根線纜上，還增設(shè)了額外的聽力保護(hù)裝置。為了適應(yīng)觸控界面，航天服手套手掌內(nèi)側(cè)設(shè)有觸控層，兼顧觸屏操控。頭盔面罩內(nèi)置衍射顯示器，可以顯示關(guān)鍵參數(shù)，關(guān)節(jié)過渡段經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，不僅可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，在艙內(nèi)失壓情況下可密閉并充氣保壓，以保證航天員生命安全。

左為SpaceX的航天服，右為航天飛機(jī)時(shí)代所使用的先進(jìn)乘員逃生航天服（ACES）航天服

除了以上直觀特性外，“載人龍”飛船還具有多項(xiàng)新設(shè)計(jì)，如無需整流罩，載人貨運(yùn)兩用，采用推式逃逸，可以重復(fù)使用，能夠反推著陸（目前已取消），應(yīng)用體裝式太陽能電池板，具備自動(dòng)無人對(duì)接能力等，是美國新一代載人飛船中設(shè)計(jì)最激進(jìn)的一款。

2 飛船研發(fā)背景

1986年1月，“挑戰(zhàn)者”航天飛機(jī)在升空時(shí)因固體助推器O型密封環(huán)失效，凌空爆炸，7名航天員罹難；2003年2月，“哥倫比亞”航天飛機(jī)在再入大氣層過程中解體，又是7名航天員遇難。

這兩次事故不僅使美國失去了兩架航天飛機(jī)和14名航天員，更重?fù)袅嗣癖妼?duì)航天飛機(jī)安全性的信心，加之航天飛機(jī)本身發(fā)射費(fèi)用昂貴，缺乏逃逸設(shè)計(jì)，而機(jī)體日益老化又導(dǎo)致翻修費(fèi)用居高不下，NASA最終只能將航天飛機(jī)提前退役。2011年7月21日，“亞特蘭蒂斯”航天飛機(jī)在肯尼迪航天中心安全著陸，長(zhǎng)達(dá)30年的航天飛機(jī)時(shí)代正式宣告終結(jié)，退役后的幾架航天飛機(jī)陸續(xù)進(jìn)入博物館供人瞻仰。自航天飛機(jī)退役之日起，美國就失去了載人航天能力，但為了維持“國際空間站”的運(yùn)營，NASA只能購買俄羅斯“聯(lián)盟”飛船的座位。自此俄羅斯便壟斷了“國際空間站”的航天員運(yùn)輸業(yè)務(wù)，并不斷抬高“聯(lián)盟”飛船座位的銷售價(jià)格。

“聯(lián)盟”飛船一個(gè)座位的報(bào)價(jià)從2011年航天飛機(jī)退役時(shí)的3000萬美元一路飆漲至現(xiàn)在8100萬美元（“載人龍”飛船為5800萬美元），即便報(bào)價(jià)如此高昂，NASA仍需定期購買“聯(lián)盟”飛船座位以維持“國際空間站”正常運(yùn)行。但事實(shí)上，NASA很早就規(guī)劃了三款新型載人飛船，但是卻因?yàn)檫M(jìn)度、經(jīng)費(fèi)、設(shè)計(jì)等種種原因，三款飛船至今不能服役。其中“載人龍”進(jìn)展最為迅速。波音公司（Boeing）的“星際線”飛船緊隨其后，但試驗(yàn)進(jìn)度落后，因逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)存在推進(jìn)劑泄漏缺陷，發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)至今仍未完成。而“獵戶座”（Orion）飛船由于與太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）配套，首次無人任務(wù)EM－1不早于2021年，首次載人任務(wù)EM－2暫定2023年。

從左至右分別為“星際線”、“載人龍”、“獵戶座”飛船

3 逃逸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2014年發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，前景左側(cè)是Draco姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，右側(cè)為“超級(jí)天龍座”（SuperDraco）反推及逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)

2014年5月，在美國加州霍索恩的廠房?jī)?nèi)，SpaceX對(duì)第二代“龍”飛船的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一次公開展示，在第一代貨運(yùn)型“龍”飛船的基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多革新。

首先，傳統(tǒng)載人飛船為了在火箭出現(xiàn)類似爆炸的緊急情況下讓航天員遠(yuǎn)離火箭、安全返回，設(shè)計(jì)有一系列逃逸措施，其中以逃逸塔為主，上面安裝有若干逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)，一旦點(diǎn)火將瞬間產(chǎn)生巨大推力，迅速將飛船帶離火箭。

逃逸塔設(shè)計(jì)事關(guān)航天員生命安全，需要逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火可靠性高、推力大、響應(yīng)迅速，因此以固體發(fā)動(dòng)機(jī)為主，且為一次性設(shè)計(jì)，飛船升空過程中即與飛船分離并拋棄，無法重復(fù)利用。SpaceX則另辟蹊徑，將逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置于飛船返回艙側(cè)壁，采用推式逃逸方案。此外還專門為“載人龍”飛船研發(fā)了“超級(jí)天龍座”逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)一組，互為備份，每隔90°安裝一組，總計(jì)8臺(tái)?！俺?jí)天龍座”發(fā)動(dòng)機(jī)使用四氧化二氮/甲基肼推進(jìn)劑組合，擠壓循環(huán)，推力約71000N，可重復(fù)使用，燃燒室采用鐵鉻鎳材料經(jīng)激光3D打印技術(shù)生產(chǎn)。由于逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)貼近航天員座位，為防止發(fā)動(dòng)機(jī)爆炸波及，SpaceX額外設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)包容殼來約束飛射物。

4 被取消的反推著陸設(shè)計(jì)

載人龍飛船的懸停試驗(yàn)

在2014年的發(fā)布會(huì)上，SpaceX宣稱“超級(jí)天龍座”發(fā)動(dòng)機(jī)是“一機(jī)兩用”，升空時(shí)用于飛船逃逸，再入大氣返回時(shí)用于著陸反推。反推著陸不同于傳統(tǒng)傘降，落點(diǎn)精度高，可以進(jìn)行定點(diǎn)著陸；變推力發(fā)動(dòng)機(jī)可以有效控制觸地瞬間沖擊，減小著陸沖擊。

除反推著陸外，“載人龍”飛船仍留有傳統(tǒng)傘降落海模式，兩種方式互為備份。在著陸過程中，飛船會(huì)在適當(dāng)高度自動(dòng)對(duì)所有反推（逃逸）發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行點(diǎn)火反推，以減緩飛船再入速度，若系統(tǒng)監(jiān)測(cè)所有發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常，則繼續(xù)進(jìn)行反推著陸。反之若發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)異常，則自動(dòng)切換為傘降落海方式，“載人龍”原設(shè)計(jì)有3個(gè)主降落傘，后增設(shè)為4個(gè)，群傘系統(tǒng)的傘傘之間互為備份，即使2個(gè)傘失效仍可安全降落。該著陸設(shè)計(jì)原定率先應(yīng)用于無人貨運(yùn)任務(wù)，成熟后再拓展至載人任務(wù)。但NASA認(rèn)為反推著陸相對(duì)于傘降落?？煽匦愿?，其優(yōu)點(diǎn)不足以彌補(bǔ)反推技術(shù)不成熟所帶來的風(fēng)險(xiǎn)，2017年7月，SpaceX宣布取消第二代“龍”飛船的反推著陸，同時(shí)代號(hào)“紅龍”（Red Dragon）的火星反推著陸演示項(xiàng)目也隨之取消，現(xiàn)在的“載人龍”飛船僅可通過傘降落海方式返回地球。

5 人貨通用設(shè)計(jì)

目前國際上貨運(yùn)飛船與載人飛船大多采用不同型號(hào)，例如俄羅斯的“聯(lián)盟”飛船和“進(jìn)步”飛船，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)并不通用。但由于SpaceX同時(shí)承擔(dān)著“國際空間站”的貨物（CRS）和人員運(yùn)輸任務(wù)（CCP），若同時(shí)研制和維持生產(chǎn)兩款不同的飛船，其成本和進(jìn)度都是私營航天公司難以接受的。

因此在第二代“龍”飛船上，SpaceX采用了載人、貨運(yùn)通用設(shè)計(jì)，全新制造的“龍”飛船執(zhí)行載人任務(wù)，飛船回收后經(jīng)過翻修執(zhí)行無人貨運(yùn)任務(wù)，兩種任務(wù)所用飛船將高度互換，改裝過程僅需拆除座椅和控制面板，并進(jìn)行適當(dāng)重新配重和設(shè)置即可完成。這將大幅降低CRS－2階段貨運(yùn)任務(wù)的成本，抹平CRS－1到CRS－2合同的預(yù)算增額。

6 先登船再加注

除此之外，SpaceX為對(duì)火箭運(yùn)力進(jìn)行進(jìn)一步挖潛，發(fā)射“載人龍”飛船的獵鷹－9 Block5型火箭采用過冷推進(jìn)劑，為防止推進(jìn)劑溫度升高而損失推進(jìn)劑攜帶容量，加注時(shí)間需盡可能靠近發(fā)射時(shí)間，并大幅壓縮推進(jìn)劑加注耗時(shí)。這就需要改變傳統(tǒng)的載人發(fā)射登船過程，“載人龍”發(fā)射時(shí)航天員先進(jìn)入飛船，關(guān)閉艙門后，再開始推進(jìn)劑加注；而航天飛機(jī)等發(fā)射則是在推進(jìn)劑加注完畢、貯箱狀態(tài)穩(wěn)定后，航天員才登上飛船。但2016年9月1日，原定執(zhí)行Amos－6衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的獵鷹－9火箭在靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)的加注過程中突發(fā)爆炸，星箭俱毀，發(fā)射臺(tái)嚴(yán)重受損。

此次事故原因是火箭二級(jí)貯箱中用于貯存增壓氦氣的“碳纖維復(fù)合材料纏繞壓力容器”（COPV）的碳纖維包覆層和液氧在低溫下發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致。由于SpaceX后續(xù)并未換用傳統(tǒng)鈦合金增壓氣瓶，而是沿用減重效果顯著的碳纖維氣瓶，因此NASA對(duì)“載人龍”的這種加注方式多次表示擔(dān)憂，表示獵鷹－9火箭在加注過程中仍存在突發(fā)爆炸的可能性。但后續(xù)SpaceX對(duì)加注流程和碳纖維在低溫下的液氧相容性開展了大量實(shí)驗(yàn)，并采用新的加注流程，同時(shí)進(jìn)行了大量前置發(fā)射以演示其安全性，NASA最終同意了該登船方案。