“載人龍”飛船首次正式商業(yè)乘員運輸任務(wù)分析

何慧東 （北京空間科技信息研究所）

美國東部標準時間2020 年11 月15 日19:27（北京時間11 月16 日08:27），太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“載人龍”飛船（Crew Dragon）由獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭從肯尼迪航天中心第39A 發(fā)射臺發(fā)射，執(zhí)行首次“國際空間站”業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運輸服務(wù)?！拜d人龍”飛船經(jīng)過27.5 小時的飛行后與“國際空間站”對接，飛船搭載了美國籍的邁克爾·霍普金斯、維克多·格洛弗、香農(nóng)·沃克和日本籍野口聰一等4 名航天員，航天員將在“國際空間站”開展為期約6 個月的科學任務(wù)。

1 任務(wù)背景

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，近地軌道載人航天技術(shù)日趨成熟，美國政府層面將下一步目標定位于更具挑戰(zhàn)性的載人月球/深空探索；同時，在2011 年航天飛機退役后，美國只能依靠俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船執(zhí)行載人航天飛行任務(wù)。在此背景下，美國國家航空航天局（NASA）積極推動將近地軌道載人航天活動移交商業(yè)公司。

目前，美國商業(yè)貨運補給已發(fā)展成熟，正式投入服務(wù)超過8 年，“龍”（Dragon）飛船、“天鵝座”（Cygnus）飛船等商業(yè)貨運飛船累計為“國際空間站”提供了34 次貨運補給服務(wù)。商業(yè)乘員運輸正在發(fā)展之中，NASA 支持了SpaceX 公司“載人龍”飛船和波音公司“星際客船”（CST-100 Starliner）的研發(fā)工作，兩型載人飛船均在2019 年開展了無人飛行試驗，“載人龍”飛船在2020 年成功開展了發(fā)射逃逸試驗、載人飛行試驗，率先完成全部認證工作，正式投入業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運輸服務(wù)。

2 任務(wù)發(fā)展歷程

NASA 通過發(fā)展商業(yè)乘員運輸計劃向“國際空間站”往返運送航天員。在“商業(yè)乘員計劃”（CCP）框架下，SpaceX 公司獲得了NASA 四個階段的合同，用于開展飛船的設(shè)計、研制、試驗、生產(chǎn)、運行等各項工作，合同總金額約31.53 億美元。

“載人龍”飛船項目研制合同匯總

“載人龍”飛船項目歷經(jīng)10 年的設(shè)計、研制、試驗，獲得最終認證。期間，SpaceX 公司根據(jù)研制計劃開展了4 次“載人龍”飛船重大飛行試驗任務(wù)，分別是：發(fā)射臺逃逸試驗、飛行過程逃逸試驗、無人飛行試驗和載人飛行試驗。

“載人龍”飛船發(fā)射臺逃逸試驗，飛船從試驗臺飛離

“載人龍”飛船無人飛行試驗，飛船與“國際空間站”對接

“載人龍”飛船發(fā)射逃逸試驗，飛船分離后，獵鷹-9 火箭爆炸

“載人龍”飛船載人飛行試驗，航天員安全返回

3 任務(wù)基本情況

此次任務(wù)代號為乘員-1（Crew-1），是“載人龍”飛船首次正式商業(yè)乘員運輸服務(wù)任務(wù)，也是該型飛船的第2 次載人飛行任務(wù)。

執(zhí)行此次任務(wù)的航天員將飛船命名為堅韌號（Resilience），一方面象征NASA、SpaceX 公司、任務(wù)乘組近年的堅持和努力，另一方面象征全世界在新冠疫情等重大挑戰(zhàn)中面對壓力、克服困難。任務(wù)圖標中間是“龍”、數(shù)字“1”和“載人龍”飛船的形狀，外環(huán)上方是“國際空間站”，下方是航天飛機、“阿波羅”（Apollo）、“雙子座”（Gemini）和“水星”（Mercury）的標識，代表美國歷史上發(fā)展過的載人運輸系統(tǒng)。

“載人龍”飛船Crew-1 任務(wù)圖標

飛行方案

（1）發(fā)射入軌

本次任務(wù)發(fā)射過程按照NASA 和SpaceX 公司確定的操作程序進行，獵鷹-9 運載火箭在零發(fā)射窗口點火，順利將“載人龍”飛船送入預(yù)定軌道，并成功實現(xiàn)運載火箭第一級的海上垂直回收。

（2）交會對接

“載人龍”飛船入軌后，乘員和地面控制中心對飛船環(huán)控生保系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等進行測試，隨后飛船進行一系列調(diào)相機動，追趕“國際空間站”。“載人龍”飛船從徑向接近空間站，隨后轉(zhuǎn)移至速度方向（V-bar，即前方），經(jīng)過約27.5 小時的飛行，于北京時間11 月17 日12：01 與“國際空間站”和諧號節(jié)點艙前端的“國際對接適配器”（IDA）對接。

“載人龍”飛船Crew-1 任務(wù)乘組

“載人龍”飛船結(jié)構(gòu)圖

完成對接后，“載人龍”飛船和“國際空間站”進行壓力平衡，隨后打開艙門，4 名航天員進入空間站，成為第64 長期考察組乘員。

（3）返回回收

4 名航天員計劃在“國際空間站”工作約6 個月，站上任務(wù)結(jié)束后，“載人龍”飛船將搭載4 名航天員自主與“國際空間站”分離。隨后飛船減速、再入大氣層，濺落在佛羅里達州附近的海面上。SpaceX 公司的回收船將迅速回收飛船，接回航天員，返回卡納維拉爾角。

系統(tǒng)設(shè)計

（1）“載人龍”飛船

“載人龍”飛船是美國政府資助、SpaceX 公司研制的新一代載人飛船。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(fā)射和運行任務(wù)。

“載人龍”飛船具有可重復(fù)使用、乘員運輸能力強、內(nèi)部空間大、操作友好等特點，能夠執(zhí)行低成本、業(yè)務(wù)化的低地球軌道載人航天飛行任務(wù)?！拜d人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計方案，包括乘員艙和非密封艙兩部分：乘員艙用于運送乘員和加壓貨物；非密封艙可攜帶非加壓貨物，同時在外表面安裝了太陽電池和熱輻射器用于發(fā)電和熱控制，4 個尾翼在緊急分離情況下可提供氣動穩(wěn)定性。

飛船設(shè)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(tài)下可工作210 天。飛船直徑4m，高度8.1m，加壓容積達9.3m3，非加壓容積達37m3，發(fā)射質(zhì)量超過12000kg，上行載荷能力6000kg，下行載荷能力3000kg， 處理廢棄物800kg。

“載人龍”飛船還具有高安全性的特點。NASA對于商業(yè)飛船有著極端苛刻的安全性要求，遠高于歷史上各型載人航天器，包括“聯(lián)盟”飛船、航天飛機等系統(tǒng)。

（2）獵鷹-9 運載火箭

“載人龍”飛船由獵鷹-9 v1.2 Block-5 運載火箭發(fā)射。獵鷹-9 系列火箭是SpaceX 公司研制的可重復(fù)使用運載火箭，由NASA“商業(yè)軌道運輸服務(wù)”（COTS）計劃部分資助，已成為美國主力運載火箭之一，火箭一級陸上回收和海上回收技術(shù)也已成熟。

獵鷹-9 運載火箭先后研制了v1.0、v1.1、v1.2 等多個型號，與早期型號相比，全推力型（v1.2）采用了更長的二級火箭和密度更大的推進劑，運載能力大幅提升。獵鷹-9 v1.2 Block-5 是第5 批次生產(chǎn)的全推力型火箭，可滿足NASA 載人任務(wù)發(fā)射要求，火箭為二級火箭，全長70m，直徑3.7m，發(fā)射質(zhì)量549t，低地球軌道運載能力22.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力8.3t。

4 分析與思考

首次商業(yè)乘員運輸任務(wù)意義重大，標志美國正式恢復(fù)載人航天運輸能力

“載人龍”飛船成功開啟首次正式任務(wù)，這是世界首次利用商業(yè)載人飛船執(zhí)行商業(yè)乘員運輸服務(wù)，也是美國航天飛機退役后首次業(yè)務(wù)性地將航天員送入軌道。

美國已補齊載人航天運輸短板，擺脫對俄羅斯“聯(lián)盟”飛船的依賴。美國從2006 年開始購買俄羅斯“聯(lián)盟”飛船的座位，2011 年航天飛機退役后暫時失去乘員運輸能力，只能依靠“聯(lián)盟”飛船開展乘員運輸，維持在“國際空間站”上的存在。從2011年起“聯(lián)盟”單座位價格持續(xù)增長，截至2019 年底，NASA 累計購買了70 個座位，總共向俄羅斯支付了39 億美元。

此次任務(wù)取得成功，標志著美國正式恢復(fù)乘員運輸能力，SpaceX 公司也成為全球第一家具備獨立載人航天能力的商業(yè)公司。

載人航天商業(yè)化發(fā)展模式取得成效，商業(yè)公司成為載人航天重要力量

“載人龍”飛船任務(wù)成功發(fā)射，驗證了美國“商業(yè)乘員計劃”發(fā)展模式，商業(yè)航天成為美國載人航天活動中的一個重要力量。美國政府采用了創(chuàng)新的項目和合同管理模式：傳統(tǒng)模式中，NASA 負責項目整體管理和運行，研制工作向承研商層層分包；在“商業(yè)乘員計劃”中，入選的商業(yè)公司負責項目的整套運營，包括總體設(shè)計、研制、試驗、發(fā)射和運營管理等，NASA 僅采購乘員運輸服務(wù)，并負責進度、安全監(jiān)管及技術(shù)支持，提升商業(yè)公司在項目研制和運作上的自主性、靈活性。同時，NASA 通過評估里程碑事件完成情況，決定后續(xù)資金投入，以此有效提高工作效率和效果。通過上述手段，NASA 從傳統(tǒng)的購買產(chǎn)品或服務(wù)，轉(zhuǎn)為與工業(yè)界合作，幫助其開發(fā)近地軌道運輸服務(wù)，支持SpaceX 公司等商業(yè)公司成為載人航天領(lǐng)域新的力量級。

鑒于商業(yè)貨物補給和商業(yè)乘員運輸計劃的成功，美國后續(xù)將持續(xù)推進商業(yè)載人航天發(fā)展，一方面提升近地軌道載人航天活動能力，另一方面將此模式拓展應(yīng)用到“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃中，支持商業(yè)航天企業(yè)開展地月空間貨物補給、著陸器研制等工作。

飛船采用全新設(shè)計思路和方案，任務(wù)綜合效能顯著提升

載人飛船系統(tǒng)經(jīng)過60 年發(fā)展，設(shè)計思路幾經(jīng)變革，針對新的任務(wù)場景，SpaceX 公司的“載人龍”飛船明確往返運輸功能定位，采用了創(chuàng)新的設(shè)計思路和方案。“載人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計，加壓空間集中在一個艙段內(nèi)，內(nèi)部空間更大，航天員舒適度大幅提升，飛船最多能搭乘7 名航天員，運載能力達到航天飛機同等水平。飛船還采用了簡潔化座艙設(shè)計，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，安全性、操作性大幅改善。整體看，“載人龍”飛船等新一代載人飛船相較上一代的“聯(lián)盟”飛船技術(shù)能力有顯著提升，發(fā)射質(zhì)量、最大乘員人數(shù)大幅增加，任務(wù)適應(yīng)性更加強大。

飛船引入重復(fù)使用、自逃逸、先進制造等新技術(shù)，整體性能躍升

“載人龍”飛船整個大系統(tǒng)均具備可重復(fù)使用能力，獵鷹-9 運載火箭一級、“載人龍”飛船乘員艙均可回收，僅獵鷹-9 火箭二級和飛船非密封艙無法回收，通過重復(fù)使用開展多次任務(wù)有望大幅降低成本。此外，“載人龍”飛船設(shè)計了自逃逸系統(tǒng)，發(fā)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，可在發(fā)射全過程提供乘員逃逸能力。飛船的制造環(huán)節(jié)也使用了3D 打印、新材料等一系列新技術(shù)實現(xiàn)提質(zhì)增效。“超級天龍”（SuperDraco）發(fā)動機燃燒室采用3D 打印技術(shù)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(jié)工藝制成，這種材料具有高強度，可提高發(fā)動機可靠性。憑借3D 打印技術(shù)，僅用傳統(tǒng)制造方法的一小部分成本和時間就可制造出高性能的發(fā)動機零件。熱防護系統(tǒng)使用的新型PICA-X 隔熱罩能夠承受多次高溫燒蝕而不呈現(xiàn)嚴重退化，針對月球或火星飛行任務(wù)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(fù)使用所需的維護操作。

飛船采用多種舉措降低成本，但并未達到最初設(shè)計值

NASA 授予SpaceX 公司的合同總金額約31.53億美元，根據(jù)合同SpaceX 公司需要利用“載人龍”飛船開展2 次試驗飛行和6 次乘員運輸服務(wù)，正式任務(wù)中，每次飛船將向“國際空間站”運送4 名NASA航天員，同時可以運送1 名太空游客。

如果從總價格折算，均攤研發(fā)費用后平均每次任務(wù)價格3.94 億美元（包括獵鷹-9 運載火箭每次約6000 萬美元的發(fā)射費用），單座價格約9850 萬美元。如果分開計算飛船的研制和生產(chǎn)費用，“載人龍”飛船的總研制費用約17.45 億美元，后續(xù)正式任務(wù)每次費用約2.35 億美元（包括獵鷹-9 火箭約6000 萬美元的發(fā)射費用），單座價格約5800 萬美元。從成本看，“聯(lián)盟”飛船最新報價達到每座9000 萬美元，“載人龍”飛船均攤研發(fā)費用后的單座價格與“聯(lián)盟”大致相當，不均攤研發(fā)費用情況下，單座位價格低于“聯(lián)盟”飛船，但與SpaceX 公司最初宣稱的每座位2000萬美元存在較大差距。

當前階段，美國推動“載人龍”飛船發(fā)展，能夠適度降低任務(wù)成本，但更為重要的是使美國重新獲得載人航天自主性，并推動載人航天能力進步。