美國“載人龍”飛船成功完成首次無人飛行試驗

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

本次任務是“載人龍”飛船的首次升空發射，同時也是一次全狀態試飛，除不搭載航天員外，飛船各項配置與載人狀態一致。船內設置有一個身著SpaceX艙內航天服的模擬假人和204kg的補給貨物，假人上設置有多種傳感器，用以搜集飛行狀態數據。此次發射的飛船已于北京時間3月8日晚間9：45成功返回地球，并落入預定海域，SpaceX采用其專用回收船進行海上回收作業。飛船回收后將進行翻修，并最早于2019年4月進行發射中逃逸試驗，以進一步驗證其安全性，證明其具備“全程逃逸能力”。若以上試驗順利，則預計于2019年年中由全新生產的“載人龍”飛船執行首次正式載人發射，目前首飛航天員乘組（2人）和備份乘組已經選定，正在開展相關訓練。

1 飛船總體設計

“載人龍”飛船為兩艙設計，分為返回艙（加壓艙）和非加壓艙，為盡可能復用飛船設備，大部分設備集中于返回艙。非加壓艙部分僅設置有體裝式太陽能電池板。飛船采用人、貨通用設計，載人版可用于“國際空間站”或未來商業空間站的近地軌道載人往返服務，經貨運化改裝后也可以用于無人貨運任務。飛船默認設置有4個座位，后排可增設3個座位，最多承載7人，與航天飛機和波音的“星際線”（Starliner）飛船乘員數一致。

“載人龍”飛船艙內設計非常簡潔，控制面板（Control Panel）除3塊大尺寸觸控屏幕和少量實體按鍵外，無其他設備。默認第一排布置有4個座位，后排3個座位可選。

最終首飛時的設計（模擬機）

與傳統飛船設計截然不同，“載人龍”飛船的人機界面采用大尺寸觸控界面，屏幕所顯示內容可自由切換，因此3塊屏幕在受損情況下可互為備份。飛船目前設計僅保留有38個實體開關和按鍵，作為應對極端情況的最低限度控制面板。除此之外，“載人龍”飛船還提高了自動化程度，降低航天員的學習成本，航天員在正常情況下可以擺脫操作手冊，飛船升空、對接和返回過程均可無人操控。為適應載人發射，SpaceX還設計了一套艙內航天服，除在正常發射中監測航天員生理狀態和維持體溫呼吸外，還能在飛船艙內出現破損而導致急性失壓時保障航天員生命安全。

與傳統航天服不同，SpaceX特別聘請了時尚設計師進行外觀設計，在維持安全性水平的前提下進行了輕量化設計。此外，艙內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，鞋部增設了與座椅腳蹬的固定結構。所有航天服與飛船的環控生保和通信連接集成在一根線纜上，還增設了額外的聽力保護裝置。為了適應觸控界面，航天服手套手掌內側設有觸控層，兼顧觸屏操控。頭盔面罩內置衍射顯示器，可以顯示關鍵參數，關節過渡段經過特殊設計，不僅可以靈活轉動，在艙內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，右為航天飛機時代所使用的先進乘員逃生航天服（ACES）航天服

除了以上直觀特性外，“載人龍”飛船還具有多項新設計，如無需整流罩，載人貨運兩用，采用推式逃逸，可以重復使用，能夠反推著陸（目前已取消），應用體裝式太陽能電池板，具備自動無人對接能力等，是美國新一代載人飛船中設計最激進的一款。

2 飛船研發背景

1986年1月，“挑戰者”航天飛機在升空時因固體助推器O型密封環失效，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和14名航天員，更重擊了民眾對航天飛機安全性的信心，加之航天飛機本身發射費用昂貴，缺乏逃逸設計，而機體日益老化又導致翻修費用居高不下，NASA最終只能將航天飛機提前退役。2011年7月21日，“亞特蘭蒂斯”航天飛機在肯尼迪航天中心安全著陸，長達30年的航天飛機時代正式宣告終結，退役后的幾架航天飛機陸續進入博物館供人瞻仰。自航天飛機退役之日起，美國就失去了載人航天能力，但為了維持“國際空間站”的運營，NASA只能購買俄羅斯“聯盟”飛船的座位。自此俄羅斯便壟斷了“國際空間站”的航天員運輸業務，并不斷抬高“聯盟”飛船座位的銷售價格。

“聯盟”飛船一個座位的報價從2011年航天飛機退役時的3000萬美元一路飆漲至現在8100萬美元（“載人龍”飛船為5800萬美元），即便報價如此高昂，NASA仍需定期購買“聯盟”飛船座位以維持“國際空間站”正常運行。但事實上，NASA很早就規劃了三款新型載人飛船，但是卻因為進度、經費、設計等種種原因，三款飛船至今不能服役。其中“載人龍”進展最為迅速。波音公司（Boeing）的“星際線”飛船緊隨其后，但試驗進度落后，因逃逸發動機存在推進劑泄漏缺陷，發射臺逃逸試驗至今仍未完成。而“獵戶座”（Orion）飛船由于與太空發射系統（SLS）配套，首次無人任務EM－1不早于2021年，首次載人任務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 逃逸系統設計

2014年發布會現場，前景左側是Draco姿控發動機，右側為“超級天龍座”（SuperDraco）反推及逃逸發動機

2014年5月，在美國加州霍索恩的廠房內，SpaceX對第二代“龍”飛船的設計進行了一次公開展示，在第一代貨運型“龍”飛船的基礎上進行了諸多革新。

首先，傳統載人飛船為了在火箭出現類似爆炸的緊急情況下讓航天員遠離火箭、安全返回，設計有一系列逃逸措施，其中以逃逸塔為主，上面安裝有若干逃逸發動機和姿控發動機，一旦點火將瞬間產生巨大推力，迅速將飛船帶離火箭。

逃逸塔設計事關航天員生命安全，需要逃逸發動機點火可靠性高、推力大、響應迅速，因此以固體發動機為主，且為一次性設計，飛船升空過程中即與飛船分離并拋棄，無法重復利用。SpaceX則另辟蹊徑，將逃逸發動機設置于飛船返回艙側壁，采用推式逃逸方案。此外還專門為“載人龍”飛船研發了“超級天龍座”逃逸發動機，兩臺一組，互為備份，每隔90°安裝一組，總計8臺。“超級天龍座”發動機使用四氧化二氮/甲基肼推進劑組合，擠壓循環，推力約71000N，可重復使用，燃燒室采用鐵鉻鎳材料經激光3D打印技術生產。由于逃逸發動機貼近航天員座位，為防止發動機爆炸波及，SpaceX額外設計了發動機包容殼來約束飛射物。

4 被取消的反推著陸設計

載人龍飛船的懸停試驗

在2014年的發布會上，SpaceX宣稱“超級天龍座”發動機是“一機兩用”，升空時用于飛船逃逸，再入大氣返回時用于著陸反推。反推著陸不同于傳統傘降，落點精度高，可以進行定點著陸；變推力發動機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”飛船仍留有傳統傘降落海模式，兩種方式互為備份。在著陸過程中，飛船會在適當高度自動對所有反推（逃逸）發動機進行點火反推，以減緩飛船再入速度，若系統監測所有發動機工作正常，則繼續進行反推著陸。反之若發動機出現異常，則自動切換為傘降落海方式，“載人龍”原設計有3個主降落傘，后增設為4個，群傘系統的傘傘之間互為備份，即使2個傘失效仍可安全降落。該著陸設計原定率先應用于無人貨運任務，成熟后再拓展至載人任務。但NASA認為反推著陸相對于傘降落海可控性更差，其優點不足以彌補反推技術不成熟所帶來的風險，2017年7月，SpaceX宣布取消第二代“龍”飛船的反推著陸，同時代號“紅龍”（Red Dragon）的火星反推著陸演示項目也隨之取消，現在的“載人龍”飛船僅可通過傘降落海方式返回地球。

5 人貨通用設計

目前國際上貨運飛船與載人飛船大多采用不同型號，例如俄羅斯的“聯盟”飛船和“進步”飛船，設計和生產并不通用。但由于SpaceX同時承擔著“國際空間站”的貨物（CRS）和人員運輸任務（CCP），若同時研制和維持生產兩款不同的飛船，其成本和進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、貨運通用設計，全新制造的“龍”飛船執行載人任務，飛船回收后經過翻修執行無人貨運任務，兩種任務所用飛船將高度互換，改裝過程僅需拆除座椅和控制面板，并進行適當重新配重和設置即可完成。這將大幅降低CRS－2階段貨運任務的成本，抹平CRS－1到CRS－2合同的預算增額。

6 先登船再加注

除此之外，SpaceX為對火箭運力進行進一步挖潛，發射“載人龍”飛船的獵鷹－9 Block5型火箭采用過冷推進劑，為防止推進劑溫度升高而損失推進劑攜帶容量，加注時間需盡可能靠近發射時間，并大幅壓縮推進劑加注耗時。這就需要改變傳統的載人發射登船過程，“載人龍”發射時航天員先進入飛船，關閉艙門后，再開始推進劑加注；而航天飛機等發射則是在推進劑加注完畢、貯箱狀態穩定后，航天員才登上飛船。但2016年9月1日，原定執行Amos－6衛星發射任務的獵鷹－9火箭在靜態點火試驗的加注過程中突發爆炸，星箭俱毀，發射臺嚴重受損。

此次事故原因是火箭二級貯箱中用于貯存增壓氦氣的“碳纖維復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生反應導致。由于SpaceX后續并未換用傳統鈦合金增壓氣瓶，而是沿用減重效果顯著的碳纖維氣瓶，因此NASA對“載人龍”的這種加注方式多次表示擔憂，表示獵鷹－9火箭在加注過程中仍存在突發爆炸的可能性。但后續SpaceX對加注流程和碳纖維在低溫下的液氧相容性開展了大量實驗，并采用新的加注流程，同時進行了大量前置發射以演示其安全性，NASA最終同意了該登船方案。