“載人龍”飛船系統設計與經驗分析

周峰 何慧東（ 航天東方紅衛星有限公司 北京空間科技信息研究所）

美國大力推進載人航天商業化發展，以“載人龍”（Crew Dragon）飛船為代表的商業載人飛船取得了顯著的發展，并呈現出技術創新、成本低廉等特點。2019年“載人龍”飛船首次飛行試驗成功后，引起了廣泛的關注。對“載人龍”飛船的項目背景、系統設計、典型任務進行深入分析，并得出發展思考。

1 “載人龍”飛船項目背景

隨著航天技術的發展，近地軌道技術日趨成熟，美國將未來的目標定位于更復雜的載人深空探索。航天飛機退役后，美國只能依靠俄羅斯的“聯盟”（Soyuz）飛船執行載人航天飛行任務。針對這種情況，美國國家航空航天局（NASA）將低地球軌道載人航天活動移交商業公司。目前，商業貨運補給服務已業務化，商業乘員運輸處于發展之中。美國太空探索技術公司（SpaceX）的“載人龍”飛船和波音公司的“星際客船”（CST－100 Starliner）入選NASA商業乘員計劃，均計劃在2019年完成無人飛行試驗和載人飛行試驗，加速推動商業載人航天任務的發展進程。

SpaceX公司計劃開展2次“載人龍”飛船的飛行試驗任務。第一次任務為無人飛行試驗任務（SpX-Demo－1），于美國東部時間2019年3月2日 02：49（北京時間 3月 2日 15：49）進行，SpaceX公司在佛羅里達州肯尼迪航天中心39A發射臺利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭成功將“載人龍”飛船發射入軌，飛船順利完成與“國際空間站”的交會對接，并于3月8日再入返回。該任務是NASA商業乘員計劃的重要組成部分，也是商業建造并運營的美國載人飛船的首次發射。第二次任務為載人飛行試驗，計劃于2019年年底至2020年進行，將完成2人2周的飛行任務，屆時將運送2名美國航天員羅伯特·貝肯、道格拉斯·赫利至“國際空間站”。2次飛行試驗中間還將安排1次飛行過程逃逸試驗，原計劃使用無人飛行試驗回收的飛船開展此次試驗，但在2019年4月20日的地面靜態點火試驗中發生爆炸，“載人龍”飛船損毀嚴重，逃逸試驗和載人飛行試驗被迫推遲。初步調查結果顯示，四氧化二氮通過鈦閥門進入氦管路，進而引起了爆炸。

SpaceX公司在事故處理完畢并且順利完成各項飛行試驗和認證后，NASA將正式進入商業乘員運輸階段，授予SpaceX公司6次乘員運輸任務。每次任務將最多搭乘4名航天員，同時向“國際空間站”運送100kg貨物。

2 “載人龍”飛船系統設計

“載人龍”飛船是SpaceX公司研制的新一代載人飛船，由美國政府資助，SpaceX公司研制。未來，NASA只需支付政府航天員運送費用，而由SpaceX公司完成載人飛船的研制、發射和運行任務?！拜d人龍”飛船具有可重復使用、乘員運輸能力強、內部空間大、操作友好等特點，能夠執行低成本、業務化的低地球載人航天飛行任務。

“載人龍”飛船試驗及飛行任務安排

“載人龍”飛船結構圖

“載人龍”飛船采用兩艙段設計方案，包括乘員艙和非密封艙（Trunk）兩部分，設計最多可搭乘7名航天員，獨立飛行時可工作1周，對接狀態下可工作210天。飛船直徑4m、高度8.1m，側壁傾斜角15°，加壓容積9.3m3，非加壓容積37m3，干質量9525kg，上行載荷能力6000kg，下行載荷能力3000kg，處理廢棄物800kg。

非密封艙可為“載人龍”飛船提供服務，同時可攜帶非加壓貨物。非密封艙外表面的1/2安裝了新設計的太陽電池陣，另1/2安裝了熱輻射器，輔助飛船熱控制。4個尾翼在緊急分離情況下可提供氣動穩定性。在“載人龍”飛船非密封艙表面一側貼太陽能電池，任何角度的陽光照射均可發電；與此同時，不配備太陽翼，避免太陽翼展開、對準等過程，能夠提升系統可靠性，簡潔、一體化的設計，可支持飛船直接從運載火箭上發射，而不需要使用整流罩。

“載人龍”飛船支持“自動/手動”交會對接模式，能夠根據實際需要進行切換；采用了第三代PICA-X隔熱罩（即底蓋）和SPAM后蓋（即外殼），再入時可承受1600℃高溫；安裝了2個引導傘和4個主減速傘，采用降落傘減速-水面濺落的方式精確回收。

“載人龍”飛船外側配置了4組推力器裝置，每組配置了2臺“超級天龍”（SuperDraco）發動機和4臺“天龍”（Draco）發動機，其中，Draco發動機主要用于在軌機動，SuperDraco發動機主要用于發射逃逸（原計劃也可用于軟著陸）。“載人龍”飛船采用了集成式的發射逃逸方案，該方案相較傳統的逃逸塔方案具有多項優勢：能夠在發射的全過程提供乘員逃逸能力；由于避免了逃逸塔分離過程，可提高乘員安全性；逃逸系統可重復使用；逃逸發動機能夠在陸地著陸場定點軟著陸的情況下提供推力（此方案暫停研發）。

3 “載人龍”飛船典型任務

以“載人龍”飛船首次無人飛行試驗任務為參照，說明其執行典型任務的具體情況。任務的重要節點如下。

“載人龍”飛船飛行試驗任務重要節點

獵鷹－9運載火箭發射“載人龍”飛船時序

發射入軌

“載人龍”飛船發射過程按照NASA和SpaceX公司確定的發射場操作程序進行。發射任務采用了“加注后即發射”（load-and-go）模式，在發射前加注密度更大的超冷推進劑，通過裝載更多燃料提升火箭運載能力。對于未來的載人任務，航天員將在發射前約2h進入飛船，隨后激活發射臺逃逸系統以保證航天員安全，之后再進行推進劑加注。

“載人龍”飛船與“國際空間站”交會對接示意圖

獵鷹－9運載火箭具備海上回收和陸上回收能力，“載人龍”飛船的發射一般采用海上回收火箭第一級的飛行方案。陸上回收相對海上回收需要消耗更多的燃料，“載人龍”飛船質量較大，發射消耗燃料更多，海上回收可保證更多裕量。同時，陸上回收方案為保證運載火箭返回著陸場，通常盡可能將載荷向更高而非更遠的方向發射，但是對于載人飛船，在出現緊急情況發射中止時，采用這種發射軌跡可能使航天員承受巨大的過載，對航天員安全造成威脅，因此采用海上回收方案。

交會對接

“載人龍”飛船入軌后，通過一系列調相機動，經過約1天的飛行，與“國際空間站”交會，飛抵距空間站3000m內，進入視覺范圍。在最后接近和對接階段，“載人龍”飛船向“接近橢球”（Approach Ellipsoid）飛行（路徑點0）；獲得許可后進入空間站阻進區域（KOS），在距對接口150m的位置停泊（路徑點1）；隨后飛船飛至20m位置（路徑點2）并保持；最終飛船成功與空間站和諧號節點艙前端的“國際對接適配器”（IDA）“軟捕獲”（soft capture）；之后對接機構實施一系列動作完成鎖定，飛船與空間站之間的艙門打開，航天員進入空間站。

“載人龍”飛船與“龍”貨運飛船的接近軌跡不同。貨運飛船從徑向（R-bar，即天底方向）接近“國際空間站”，在加拿大機械臂－2（Canadarm－2）工作范圍內停止，由機械臂抓捕后與對接口對接。“載人龍”飛船則從徑向接近空間站，隨后轉移至速度方向（V-bar，即前方），任務中航天員和地面專家密切監控飛船的接近和對接情況，如果發生異常，飛船將停止接近和對接嘗試，緩慢飛離空間站。

離軌返回

“載人龍”飛船是可重復使用飛船，能夠將乘員及部分實驗樣本和貨物安全運回地面。飛船與空間站分離后，與非密封艙分離，減速再入大氣層，依次打開引導傘、主傘，完成海面濺落回收。

“載人龍”飛船離軌返回重要節點

“載人龍”飛船交會對接重要節點

“載人龍”飛船返回

4 “載人龍”飛船發展經驗

通過重復使用技術降低任務成本

“載人龍”飛船整個大系統具備可重復使用能力，獵鷹－9運載火箭第一級、“載人龍”飛船乘員艙均可回收，僅獵鷹－9火箭第二級和飛船非密封艙無法回收，通過重復使用開展多次任務有望大幅降低成本。此外，“載人龍”飛船設計了集成式發射逃逸系統，發射時飛船直接安裝在運載火箭上，不需要使用逃逸塔和整流罩，可節約大量成本（據SpaceX公司估算，獵鷹－9火箭的兩片整流罩需要約600萬美元）。目前，SpaceX公司對“載人龍”飛船單次任務報價約1.5億美元，平均不到2200萬美元/艘，遠低于俄羅斯“聯盟”飛船8000萬美元/艘的報價。

新一代飛船采用了創新設計思路

縱觀國際，載人飛船系統經過近60年發展，設計思路幾經變革，針對新的任務場景，世界各國新一代載人飛船明確往返運輸功能定位，在繼承原有技術的基礎上，創新設計思路。以SpaceX公司的“載人龍”飛船為例，飛船采用兩艙段設計，內部加壓空間集中在一個艙段內，而非分為軌道艙和返回艙，航天員舒適度大幅增加；設計最多能搭乘7名航天員，達到航天飛機同等水平，具備強大的乘員運輸能力；飛船采用集成式發射逃逸系統，可在發射全過程提供乘員逃逸能力，提高系統安全性；信息化水平大幅提高，高度電子集成和平板顯示降低了飛船操作難度，對航天員十分友好。

利用新材料、新制造技術提質增效

“載人龍”飛船的制造使用了一系列新技術。SuperDraco發動機燃燒室采用3D打印技術制造，由高性能鎳鉻基高溫合金（Inconel）采用金屬粉末激光直接燒結工藝制成，這種材料具有高強度，可提高發動機可靠性。憑借3D打印技術，僅用傳統制造方法的一小部分成本和時間就可以制造出高性能的發動機零件。熱防護系統使用的新型PICA-X隔熱罩，能夠承受多次高溫燒蝕而不呈現嚴重退化，針對月球或火星飛行任務也無需任何改動，提升了“載人龍”飛船熱防護能力，簡化了重復使用所需的維護操作。