載人龍飛船首次無人試飛

文/李會超

在美國航天飛機停飛后，美國暫時失去了將航天員送入太空的能力。并且由于星座計劃的終止，美國在載人航天載具的研發(fā)和使用上出現(xiàn)了斷檔。近年來，商業(yè)航天模式的興起給美國的載人航天提供了新的實現(xiàn)途徑。航天界新秀太空探索技術(shù)（SpaceX）公司提出的載人型龍飛船和波音公司的CST-100飛船在經(jīng)過層層篩選后，最終成為“商業(yè)載人航天計劃”所支持的首批上天任務(wù)，承擔(dān)起未來在地面和國際空間站間運送航天員的職責(zé)。今年3月，載人型龍飛船完成了第一次無人飛行測試，為美國載人航天的復(fù)飛開了一個好頭。

▲載人型龍飛船首次測試飛行徽章

從貨運飛船升級改造而來

從2012年起，貨運型龍飛船開始承擔(dān)國際空間站的補給運輸工作，至今已成功飛行15次、失敗1次。載人型龍飛船是在貨運型龍飛船的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其基本構(gòu)造與貨運型龍飛船相同。貨運型的加壓艙被改造成了航天員的座艙，一次飛行最多可以搭載7名航天員。而貨運型的非加壓部分，則被改造成了為飛船提供供電和其他保障服務(wù)的“軀干”。相比于貨運型龍飛船，載人型龍飛船外觀最大的變化，在于取消了展開的太陽能電池板，通過太陽能發(fā)電的任務(wù)由附著在軀干表面的太陽能陣列完成。

載人型龍飛船采用了自主逃逸系統(tǒng)，可在整個飛行過程中通過飛船本身的“超級天龍座”發(fā)動機提供終止任務(wù)、安全返回地面的功能。相比于使用額外附加的逃逸塔的方案，自主逃逸系統(tǒng)不但減少了發(fā)射重量，還減少了發(fā)射過程中逃逸塔分離的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步增強了發(fā)射的可靠性。在接到逃逸的指令后，“超級天龍座”發(fā)動機能夠在短短100毫秒內(nèi)達(dá)到最大推力狀態(tài)。同時，飛船在飛行過程中軌道調(diào)整和姿態(tài)控制的工作，也由這些發(fā)動機來完成。

▲試驗成功后，難掩興奮的馬斯克（右）

▲載人龍飛船在對接前接近國際空間站的效果圖

對于載人航天任務(wù)來說，其最基本也是最重要的要求是保證航天員的安全與健康。為了將風(fēng)險降到最小，載人航天器一般都要進(jìn)行無人飛行測試后才會執(zhí)行載人任務(wù)。載人型龍飛船的本次飛行測試并沒有搭載真正的航天員，而是將一個穿著SpaceX公司航天服的假人安放在了用于承載航天員的座椅上。這種假人與汽車碰撞試驗中常用的假人有些類似，可收集能夠?qū)教靻T的生理能夠產(chǎn)生影響的各類參數(shù)。通過假人和飛船其他傳感器收集的數(shù)據(jù)，SpaceX公司的工程師們將可以對飛船的表現(xiàn)和存在的問題作出系統(tǒng)的分析評估，并在執(zhí)行實際的載人任務(wù)前進(jìn)行改進(jìn)。美國宇航局也可以通過任務(wù)中載人型龍飛船的實際表現(xiàn)，對其執(zhí)行載人任務(wù)的可靠性作出評估。同時，SpaceX公司的任務(wù)運行控制團隊將在本次任務(wù)中得到一次全真環(huán)境下的訓(xùn)練。載人龍飛船的地面控制由SpaceX公司的團隊完成，美國宇航局會對其進(jìn)行全程監(jiān)督，但并不直接執(zhí)行控制工作。

▲國際空間站上的航天員拍攝的即將與空間站對接的龍飛船

▲載人型龍飛船發(fā)射33秒后座艙內(nèi)的情景，圖中的藍(lán)色玩偶就是地球仔

▲艾隆·馬斯克和未來乘坐龍飛船去往空間站的航天員參觀已經(jīng)在發(fā)射架上的“龍”飛船

順利完成首次測試任務(wù)

3月2日7點49分（世界協(xié)調(diào)時，以下皆同），載人型龍飛船由獵鷹9號火箭發(fā)射升空，宣告本次測試任務(wù)正式開始。發(fā)射飛船使用的肯尼迪航天中心39發(fā)射復(fù)合體曾經(jīng)執(zhí)行過阿波羅登月和航天飛機的發(fā)射任務(wù)，近年來多用于SpaceX公司“獵鷹9號”的發(fā)射，還曾經(jīng)執(zhí)行過重型獵鷹火箭的首飛發(fā)射。在本次發(fā)射前，SpaceX公司在發(fā)射使用的39A發(fā)射架上增加了供航天員登上飛船的通道，其外觀與民航機場使用的登機廊橋極其相似。同時，SpaceX公司還修復(fù)了這個發(fā)射架上的索降逃生系統(tǒng)。這個系統(tǒng)曾經(jīng)供航天飛機使用，如果航天員在發(fā)射前碰到需要緊急撤離的情況，他們可以利用這套系統(tǒng)吊在鋼索上，快速滑向地面。在“龍”飛船的發(fā)射過程中，如果情況的嚴(yán)重程度還沒有到需要啟用逃逸系統(tǒng)的級別，航天員們將使用這套系統(tǒng)撤離。

在發(fā)射約27個小時后，載人型龍飛船與國際空間站成功對接。在對接過程中，載人型龍飛船首先接近到距離國際空間站150米的位置。之后，為了測試其控制自身位置與姿態(tài)的能力，它又后撤到距離控制站180米的位置。最后，它繼續(xù)接近到距離空間站20米的位置，執(zhí)行了最終的對接程序，與國際空間站成功對接。

在本次發(fā)射之前，作為國際空間站的另一個主要參與運營國，俄羅斯對載人型龍飛船的安全性提出了顧慮。與已經(jīng)和國際空間站成功對接多次的貨運型龍飛船相比，載人型龍飛船的對接程序發(fā)生了一些變化。貨運型龍飛船在對接時，從國際空間站下方逐漸接近空間站，并在與國際空間站距離較近時被國際空間站上的機械臂捕獲，最后與國際空間站對接的過程是由機械臂的牽引完成的。而載人型龍飛船與國際空間站的對接則不再借助機械臂，通過發(fā)動機自主控制與空間站對接。

在這個對接流程中，存在與國際空間站相撞的可能，而由于載人型龍飛船在本次任務(wù)中是第一次與國際空間站對接，因此相撞的風(fēng)險顯得更大。美國宇航局對俄羅斯方面的顧慮表示理解，并與俄羅斯共同商定了一些防護(hù)措施。在對接前，國際空間站的航天員們關(guān)閉了國際空間站上的各個艙門。萬一發(fā)生飛船與空間站相撞的事故，這個措施可以將造成的損害限制在一些艙段中，避免波及整個空間站。同時，站上航天員們也預(yù)先做好了撤離到與國際空間站對接在一起的俄羅斯聯(lián)盟號飛船的準(zhǔn)備。一旦撞擊造成的危害無法控制，他們可以通過“聯(lián)盟號”撤回地球。

實際上，這些預(yù)先制定的措施都沒有派上用場，載人型龍飛船正常地完成了與國際空間站的對接。在本次過程中，載人型龍飛船沒有浪費寶貴的飛行機會，為國際空間站送去了補給物資。同時，他們還將一個萌萌的“地球仔”（Little Earth）玩偶帶上了空間站，給航天員們帶來了不少歡樂。這個玩偶本來用于在載人龍飛船的過程中指示失重狀態(tài)的出現(xiàn)，但航天員們還是鄭重其事地歡迎了它，帶它到空間站的各個艙室中游玩，還帶它一起與地面進(jìn)行視頻連擇變得更加苛刻。選取的發(fā)射窗口必須使得發(fā)射后的飛船在一天左右的時間內(nèi)就能與國際空間站完成對接。這樣，才能保證發(fā)動機燃料管路中的溫度不至于低到足以產(chǎn)生凍結(jié)的程度。未來，工程師們將為發(fā)動機的燃料管路添加加熱裝置，以永久性解決這個問題，但這還需要時間。

▲獵鷹9火箭和載人型龍飛船由總裝廠房轉(zhuǎn)運到發(fā)射塔

▲獵鷹9火箭發(fā)射尾焰

▲起豎

▲NASA直播載人型龍飛船發(fā)射的截圖畫面

同時，本次飛行中飛船的狀態(tài)沒有達(dá)到和載人飛行完全相同的程度。由于飛船運載的是假人，飛船的生命保障系統(tǒng)沒有實現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)配置”的運行，本次使用的僅僅是一個簡配版。搭載航天員飛行時，航天員與飛船需要通過飛船的顯示交互系統(tǒng)了解飛船的狀態(tài)，控制飛船的飛行，而這套系統(tǒng)在本次測試中也無法進(jìn)行考核。此外，飛船的軟件系統(tǒng)在進(jìn)行實際載人的飛行時還要再進(jìn)行相應(yīng)的升級。

▲廠房中的載人型龍飛船

▲“龍”飛船返回再入

在本次測試之后，龍飛船還將對逃逸系統(tǒng)再進(jìn)行一次測試飛行，才會讓載人型龍飛船執(zhí)行載人測試任務(wù)。在2015年，SpaceX公司曾經(jīng)進(jìn)行過一次逃逸系統(tǒng)測試。在那次測試中，龍飛船的8臺發(fā)動機點火，將飛船由肯尼迪航天中心40號發(fā)射復(fù)合體帶離地面。飛船在99秒之后成功在肯尼迪航天中心東面的海上著陸。在那次測試中，沒有火箭與飛船連接，飛船從靜止?fàn)顟B(tài)下逃逸，模擬的實際是火箭點火前出現(xiàn)險情、進(jìn)行逃逸的情況。在未來的逃逸測試中，飛船將先由火箭發(fā)射升空，達(dá)到Max Q位置時再進(jìn)行逃逸。

▲載人型龍飛船返回艙漂浮于海面

在大氣層中飛行的物體會因為與空氣的相互作用而受到空氣的動壓力，飛行器相對于空氣的速度越大，飛行器周圍的大氣密度越大，飛行器受到的空氣動壓力就越大。在火箭發(fā)射時，隨著高度的不斷增加，大氣的密度逐漸減小，但火箭的速度在不斷增加，因此火箭所受到的空氣動壓力會經(jīng)歷一個先增加、后減小的過程，而Max Q則為火箭受到空氣動壓力最大的時刻。在“獵鷹9號”的飛行中，Max Q一般在發(fā)射后一分鐘左右到達(dá)。在這種情況下執(zhí)行飛船的逃逸，難度是最大的，也最能考驗逃逸系統(tǒng)的實際能力。由于載人型龍飛船具有回收重復(fù)使用的功能，未來的逃逸測試還將使用剛剛成功執(zhí)行第一次測試任務(wù)的飛船。

首次載人有可能延期

如果一切順利的話，在完成逃逸系統(tǒng)測試一個月后，載人型龍飛船就將進(jìn)行真正搭載航天員的飛行。按照美國宇航局目前給出的時間表，載人飛行將不早于今年7月進(jìn)行。然而，按照SpaceX公司一貫的“做派”，實際的飛行很有可能延期跳票。

4月20日，在卡納維拉爾角進(jìn)行發(fā)動機測試的載人型龍飛船發(fā)生異常。據(jù)《今日佛羅里達(dá)報》報道，有目擊者看到大量的煙霧從“龍”飛船進(jìn)行測試的位置飄出。負(fù)責(zé)卡納維拉爾角空軍基地運作的美國空軍45聯(lián)隊表示，事故沒有造成人員傷亡，現(xiàn)場的情況很快就得到控制。而NASA與SpaceX公司則表示，正在對發(fā)生的問題進(jìn)行審慎的分析調(diào)查。此次發(fā)生的事故，更為載人型龍飛船后續(xù)測試飛行的進(jìn)度蒙上了一層陰影。

2014年，當(dāng)美國剛剛將商業(yè)載人航天計劃的首批飛行合同簽給SpaceX公司和波音公司時，美國宇航局期望的首次載人飛行時間為2017年年底。這個時間安排已經(jīng)比美國宇航局在2010年給出的時間計劃晚了兩年，還在實際執(zhí)行中被一拖再拖。但這也十分符合美國宇航局的行事風(fēng)格，從詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡到該局自研的獵戶座飛船，近些年所有重大的航天項目，似乎沒有一個是按照一開始制定的時間表完成，被拖延的時間動輒就要好幾年。對于可能的拖延，美國宇航局也已經(jīng)有了第二手打算。他們已經(jīng)和俄羅斯航天局續(xù)約，以保證在美國飛船載人飛行延期的情況下，美國航天員仍能往來于國際空間站。