逃逸試驗成功載人龍飛船即將載人首飛

文/ 田豐

▲ 試驗起飛瞬間

▲ 逃逸試驗分離瞬間

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

發射中逃逸試驗是指在發射過程中最極端的氣動載荷條件下驗證飛船的逃逸系統性能。此次試驗的飛船由一枚獵鷹9 Block-5型火箭發射，一級編號1046.4，已經發射并回收了三次，此次為第四次也是最后一次發射。火箭二級為模仿真實發射狀態，正常加注了推進劑，但發動機被更換為配重。同時船內載有兩臺遍布傳感器的假人，火箭起飛后按照預定程序飛行了84秒，在約19公里高度上和接近2馬赫的速度下提前關機，以模擬火箭在剛通過最大動壓點后出現問題的情況。飛船隨后迅速發出自動中止指令，船上8臺逃逸發動機迅速點火并達到滿推力，以高達568千牛的推力工作，7秒內從大約1931公里/時加速到超過2414公里/時（約670米/秒），從而將飛船帶離火箭。緊接著火箭一級在巨大動壓作用下發生爆炸，但此時飛船已距離火箭1.5公里，隨后飛船拋棄非加壓艙，于發射后約9分鐘傘降在海面上并順利回收。

此次逃逸時峰值過載為3.3g，相對于傳統載人飛船應急逃逸時8-15g的過載可謂十分“柔和”，身體健康的成年人基本都能耐受，比部分過山車過載還小。但逃逸速度能否滿足逃生需求還要美國宇航局和SpaceX公司進一步評估。此外，中止測試中達到最高速度約2.3馬赫，最高海拔超過40公里。

▲ 火箭解體爆炸瞬間

▲ 試驗時飛船艙內布置

載人龍飛船主要參數指標

▲ 3D打印的超級天龍座發動機燃燒室

飛船基本情況

載人龍飛船采用獵鷹9 Block-5型火箭發射，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，“載人龍”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等少數設備。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，最多承載7名航天員，多于俄羅斯聯盟號飛船的3人。但由于美國宇航局對飛船落水時沖擊的限制，目前僅有4座模式能滿足該要求。

▲ 2014年發布會現場，正在演示反推著陸

▲ 一組逃逸發動機，外面是包容殼

▲ 逃逸發動機點火試車

創新與風險并存的推式逃逸系統

2014年5月，SpaceX公司為第二代“龍飛船”的設計召開了專場發布會，在第一代貨運型龍飛船的基礎上進行了諸多革新，其中最主要的就是推式逃逸系統。

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“拉”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公司則另辟蹊徑，將逃逸發動機設置于飛船返回艙側壁，采用“推”開飛船的逃逸方案。因此專門為載人龍飛船研發了超級天龍座（Super Draco）逃逸發動機，兩臺一組，互為備份，每隔90度安裝一組，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，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，還額外設計了發動機包容殼來約束飛射物。因為推式逃逸系統布置于返回艙內，無需拋離并可隨返回艙返回地球，可重復使用以降低發射成本。

發布會上公司宣稱超級天龍座發動機是“一機兩用”，升空時可用于飛船逃逸，再入大氣返回時則用于著陸反推。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減小著陸瞬間沖擊。后因美國宇航局認為反推著陸技術風險過大，該方案目前已被取消。但推式逃逸系統仍不乏其優點，由于逃逸發動機始終搭載在飛船上，從火箭點火至飛船入軌前的任意時刻，都可以通過該逃逸系統完成逃逸，也就是SpaceX公司宣稱的“全程逃逸系統”（Full Envelope Abort System）。這種逃逸方式相對于傳統逃逸方式有所簡化。以我國神舟飛船為例，發射段逃逸以發射后120秒為界，分為“有塔逃逸模式”和“無塔逃逸模式”，而有塔逃逸模式又細分為3種逃逸程序；反觀推式逃逸整個發射段都采用同一系統完成，可謂是“以不變應萬變”。

傳統逃逸方式雖然復雜，但歷經考驗表現穩定，多次拯救航天員生命。最近一次是2018年10月，當時在執行聯盟MS-10飛船發射的火箭于起飛2分鐘后出故障，一枚助推器歪頭撞上火箭一級。好在老而彌堅的“聯盟號”飛船逃逸系統正常工作，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）

▲ 發射臺逃逸試驗點火瞬間

▲ DM-1中飛船正在對接國際空間站

6年研發幾經坎坷

在航天飛機退役之前的2010年，美國宇航局就開始物色新一代載人飛船的承包商，當時波音、藍色起源、內華達山脈和SpaceX公司四家企業進入觀察資助名單。這些公司的載人飛船將替代當時行將退役的航天飛機，擺脫對俄羅斯聯盟飛船的依賴，項目名為“商業載人航天計劃（Commercial Crew Program）”。

與阿波羅計劃和航天飛機時期不同，商業載人航天計劃借鑒了商業貨運服務計劃（Commercial Resupply Service）的成功經驗，項目中飛船所有權歸屬企業本身，中標企業可以在滿足美國宇航局任務需求的條件下執行其他商業航天任務（如太空旅游），借此激勵企業創新和自籌部分項目資金，而美國宇航局只是購買飛船的“載人服務”。但為了控制安全、進度和經費，美國宇航局設置了一系列“里程碑”對中標企業進行控制，如逃逸試驗、熱真空試驗、電磁兼容性試驗等，還提出了一些基本的設計限制，如成員損失率不得高于1/270，正常情況下全程航天員過載不得大于3個g等。美國宇航局還不限定所使用的運載火箭，在運力充裕的前提下只對火箭提出可靠性要求。除此之外，美國宇航局盡量減少對飛船設計的介入，減少監造人員和介入深廣度，改為定期進行公開的進度溝通。

最終經過長達4年的觀察和評估，2014年美國宇航局正式宣布波音和SpaceX公司雀屏中選，各自研發新型載人飛船，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“載人龍”），資助額26億美元。

▲ 發射臺逃逸試驗點火瞬間

SpaceX公司于2015年5月進行了發射臺逃逸試驗，其間超級天龍座發動機出現了混合比異常的問題，但不影響逃逸效果，美國宇航局予以認可；2015年11月SpaceX公司進行了載入龍飛船的懸吊懸停試驗，以演示超級天龍座發動機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發射臺首次將載人龍飛船送入太空，執行首次無人演示任務（DM-1）。在發射27小時后，載人龍飛船成功自主對接國際空間站并順利返回地球。至此，在2011年航天飛機正式退役后，曾將人類6次送上月球的美國終于初步恢復了載人航天能力。

首次無人試飛雖然圓滿，但通往載人之路依舊坎坷。2019年4月，執行完首次無人試飛的飛船在一次逃逸發動機的靜態點火試驗中，因管路殘留推進劑在高壓氣體作用下發生了“水錘效應”，常溫推進劑與鈦制閥芯發生罕見反應，發生劇烈爆炸，飛船全毀。除此之外，“載人龍”的降落傘也屢發狀況，最終被美國宇航局要求換用改進的MK3降落傘并進行了10次空投試驗后才告通過。

至此，SpaceX公司已經掃清了通往首次載人發射任務的一切障礙，只待美國宇航局審查通過后，初步定于今年二季度搭載兩名試乘航天員前往國際空間站，正式結束美國長達9年的載人航天空窗期。★