逃逸試驗(yàn)成功載人龍飛船即將載人首飛

文/ 田豐

▲ 試驗(yàn)起飛瞬間

▲ 逃逸試驗(yàn)分離瞬間

2020年1月19日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)SpaceX公司）旗下的“載人龍”飛船在肯尼迪航天中心完成了“發(fā)射中逃逸試驗(yàn)”（In-flight Abort Test），作為該船正式載人前的最后一項(xiàng)全船重大測(cè)試，成功證明了飛船具備發(fā)射階段任何時(shí)刻將航天員帶離火箭的逃逸能力。

發(fā)射中逃逸試驗(yàn)是指在發(fā)射過(guò)程中最極端的氣動(dòng)載荷條件下驗(yàn)證飛船的逃逸系統(tǒng)性能。此次試驗(yàn)的飛船由一枚獵鷹9 Block-5型火箭發(fā)射，一級(jí)編號(hào)1046.4，已經(jīng)發(fā)射并回收了三次，此次為第四次也是最后一次發(fā)射?；鸺?jí)為模仿真實(shí)發(fā)射狀態(tài)，正常加注了推進(jìn)劑，但發(fā)動(dòng)機(jī)被更換為配重。同時(shí)船內(nèi)載有兩臺(tái)遍布傳感器的假人，火箭起飛后按照預(yù)定程序飛行了84秒，在約19公里高度上和接近2馬赫的速度下提前關(guān)機(jī)，以模擬火箭在剛通過(guò)最大動(dòng)壓點(diǎn)后出現(xiàn)問(wèn)題的情況。飛船隨后迅速發(fā)出自動(dòng)中止指令，船上8臺(tái)逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)迅速點(diǎn)火并達(dá)到滿(mǎn)推力，以高達(dá)568千牛的推力工作，7秒內(nèi)從大約1931公里/時(shí)加速到超過(guò)2414公里/時(shí)（約670米/秒），從而將飛船帶離火箭。緊接著火箭一級(jí)在巨大動(dòng)壓作用下發(fā)生爆炸，但此時(shí)飛船已距離火箭1.5公里，隨后飛船拋棄非加壓艙，于發(fā)射后約9分鐘傘降在海面上并順利回收。

此次逃逸時(shí)峰值過(guò)載為3.3g，相對(duì)于傳統(tǒng)載人飛船應(yīng)急逃逸時(shí)8-15g的過(guò)載可謂十分“柔和”，身體健康的成年人基本都能耐受，比部分過(guò)山車(chē)過(guò)載還小。但逃逸速度能否滿(mǎn)足逃生需求還要美國(guó)宇航局和SpaceX公司進(jìn)一步評(píng)估。此外，中止測(cè)試中達(dá)到最高速度約2.3馬赫，最高海拔超過(guò)40公里。

▲ 火箭解體爆炸瞬間

▲ 試驗(yàn)時(shí)飛船艙內(nèi)布置

載人龍飛船主要參數(shù)指標(biāo)

▲ 3D打印的超級(jí)天龍座發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室

飛船基本情況

載人龍飛船采用獵鷹9 Block-5型火箭發(fā)射，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，“載人龍”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(yáng)能電池板等少數(shù)設(shè)備。飛船采用人、貨通用設(shè)計(jì)，載人版可用于國(guó)際空間站或未來(lái)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(wú)人貨運(yùn)任務(wù)。飛船默認(rèn)設(shè)置有4個(gè)座位，最多承載7名航天員，多于俄羅斯聯(lián)盟號(hào)飛船的3人。但由于美國(guó)宇航局對(duì)飛船落水時(shí)沖擊的限制，目前僅有4座模式能滿(mǎn)足該要求。

▲ 2014年發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，正在演示反推著陸

▲ 一組逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，外面是包容殼

▲ 逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車(chē)

創(chuàng)新與風(fēng)險(xiǎn)并存的推式逃逸系統(tǒng)

2014年5月，SpaceX公司為第二代“龍飛船”的設(shè)計(jì)召開(kāi)了專(zhuān)場(chǎng)發(fā)布會(huì)，在第一代貨運(yùn)型龍飛船的基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多革新，其中最主要的就是推式逃逸系統(tǒng)。

傳統(tǒng)載人飛船為了在火箭出現(xiàn)類(lèi)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“拉”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(guò)程中即與飛船分離并拋棄，無(wú)法重復(fù)利用。SpaceX公司則另辟蹊徑，將逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)置于飛船返回艙側(cè)壁，采用“推”開(kāi)飛船的逃逸方案。因此專(zhuān)門(mén)為載人龍飛船研發(fā)了超級(jí)天龍座（Super Draco）逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，兩臺(tái)一組，互為備份，每隔90度安裝一組，總計(jì)8臺(tái)。超級(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)，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，還額外設(shè)計(jì)了發(fā)動(dòng)機(jī)包容殼來(lái)約束飛射物。因?yàn)橥剖教右菹到y(tǒng)布置于返回艙內(nèi)，無(wú)需拋離并可隨返回艙返回地球，可重復(fù)使用以降低發(fā)射成本。

發(fā)布會(huì)上公司宣稱(chēng)超級(jí)天龍座發(fā)動(dòng)機(jī)是“一機(jī)兩用”，升空時(shí)可用于飛船逃逸，再入大氣返回時(shí)則用于著陸反推。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)可以有效減小著陸瞬間沖擊。后因美國(guó)宇航局認(rèn)為反推著陸技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)過(guò)大，該方案目前已被取消。但推式逃逸系統(tǒng)仍不乏其優(yōu)點(diǎn)，由于逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)始終搭載在飛船上，從火箭點(diǎn)火至飛船入軌前的任意時(shí)刻，都可以通過(guò)該逃逸系統(tǒng)完成逃逸，也就是SpaceX公司宣稱(chēng)的“全程逃逸系統(tǒng)”（Full Envelope Abort System）。這種逃逸方式相對(duì)于傳統(tǒng)逃逸方式有所簡(jiǎn)化。以我國(guó)神舟飛船為例，發(fā)射段逃逸以發(fā)射后120秒為界，分為“有塔逃逸模式”和“無(wú)塔逃逸模式”，而有塔逃逸模式又細(xì)分為3種逃逸程序；反觀推式逃逸整個(gè)發(fā)射段都采用同一系統(tǒng)完成，可謂是“以不變應(yīng)萬(wàn)變”。

傳統(tǒng)逃逸方式雖然復(fù)雜，但歷經(jīng)考驗(yàn)表現(xiàn)穩(wěn)定，多次拯救航天員生命。最近一次是2018年10月，當(dāng)時(shí)在執(zhí)行聯(lián)盟MS-10飛船發(fā)射的火箭于起飛2分鐘后出故障，一枚助推器歪頭撞上火箭一級(jí)。好在老而彌堅(jiān)的“聯(lián)盟號(hào)”飛船逃逸系統(tǒng)正常工作，將兩名航天員平安送回了地面。

▲ 兩款飛船的效果圖（左：波音公司，右：SpaceX公司）

▲ 發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)點(diǎn)火瞬間

▲ DM-1中飛船正在對(duì)接國(guó)際空間站

6年研發(fā)幾經(jīng)坎坷

在航天飛機(jī)退役之前的2010年，美國(guó)宇航局就開(kāi)始物色新一代載人飛船的承包商，當(dāng)時(shí)波音、藍(lán)色起源、內(nèi)華達(dá)山脈和SpaceX公司四家企業(yè)進(jìn)入觀察資助名單。這些公司的載人飛船將替代當(dāng)時(shí)行將退役的航天飛機(jī)，擺脫對(duì)俄羅斯聯(lián)盟飛船的依賴(lài)，項(xiàng)目名為“商業(yè)載人航天計(jì)劃（Commercial Crew Program）”。

與阿波羅計(jì)劃和航天飛機(jī)時(shí)期不同，商業(yè)載人航天計(jì)劃借鑒了商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)計(jì)劃（Commercial Resupply Service）的成功經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目中飛船所有權(quán)歸屬企業(yè)本身，中標(biāo)企業(yè)可以在滿(mǎn)足美國(guó)宇航局任務(wù)需求的條件下執(zhí)行其他商業(yè)航天任務(wù)（如太空旅游），借此激勵(lì)企業(yè)創(chuàng)新和自籌部分項(xiàng)目資金，而美國(guó)宇航局只是購(gòu)買(mǎi)飛船的“載人服務(wù)”。但為了控制安全、進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)，美國(guó)宇航局設(shè)置了一系列“里程碑”對(duì)中標(biāo)企業(yè)進(jìn)行控制，如逃逸試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)等，還提出了一些基本的設(shè)計(jì)限制，如成員損失率不得高于1/270，正常情況下全程航天員過(guò)載不得大于3個(gè)g等。美國(guó)宇航局還不限定所使用的運(yùn)載火箭，在運(yùn)力充裕的前提下只對(duì)火箭提出可靠性要求。除此之外，美國(guó)宇航局盡量減少對(duì)飛船設(shè)計(jì)的介入，減少監(jiān)造人員和介入深廣度，改為定期進(jìn)行公開(kāi)的進(jìn)度溝通。

最終經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)4年的觀察和評(píng)估，2014年美國(guó)宇航局正式宣布波音和SpaceX公司雀屏中選，各自研發(fā)新型載人飛船，其中波音飛船名為CST-100（后改名為“星際線”），資助額42億美元；SpaceX公司則為第二代龍飛船（Dragon V2，后稱(chēng)“載人龍”），資助額26億美元。

▲ 發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)點(diǎn)火瞬間

SpaceX公司于2015年5月進(jìn)行了發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)，其間超級(jí)天龍座發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了混合比異常的問(wèn)題，但不影響逃逸效果，美國(guó)宇航局予以認(rèn)可；2015年11月SpaceX公司進(jìn)行了載入龍飛船的懸吊懸停試驗(yàn)，以演示超級(jí)天龍座發(fā)動(dòng)機(jī)的變推力能力和飛船的懸停特性。

2019年3月2日，SpaceX公司從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺(tái)首次將載人龍飛船送入太空，執(zhí)行首次無(wú)人演示任務(wù)（DM-1）。在發(fā)射27小時(shí)后，載人龍飛船成功自主對(duì)接國(guó)際空間站并順利返回地球。至此，在2011年航天飛機(jī)正式退役后，曾將人類(lèi)6次送上月球的美國(guó)終于初步恢復(fù)了載人航天能力。

首次無(wú)人試飛雖然圓滿(mǎn)，但通往載人之路依舊坎坷。2019年4月，執(zhí)行完首次無(wú)人試飛的飛船在一次逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)的靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中，因管路殘留推進(jìn)劑在高壓氣體作用下發(fā)生了“水錘效應(yīng)”，常溫推進(jìn)劑與鈦制閥芯發(fā)生罕見(jiàn)反應(yīng)，發(fā)生劇烈爆炸，飛船全毀。除此之外，“載人龍”的降落傘也屢發(fā)狀況，最終被美國(guó)宇航局要求換用改進(jìn)的MK3降落傘并進(jìn)行了10次空投試驗(yàn)后才告通過(guò)。

至此，SpaceX公司已經(jīng)掃清了通往首次載人發(fā)射任務(wù)的一切障礙，只待美國(guó)宇航局審查通過(guò)后，初步定于今年二季度搭載兩名試乘航天員前往國(guó)際空間站，正式結(jié)束美國(guó)長(zhǎng)達(dá)9年的載人航天空窗期。★