載人型龍飛船：“龍”2代的風采

▲ 載人型龍飛船內的觸摸屏操作系統(tǒng)

作為航天業(yè)的新秀，太空探索技術（SpaceX）公司近些年的發(fā)展可謂風生水起。在載人航天領域，SpaceX公司之前雖然從未將航天員送入太空，但從2012年就已經開始為國際空間站提供“快遞服務”。SpaceX公司研發(fā)的貨運型龍飛船是美國宇航局（NASA）主導的國際空間站商業(yè)貨運計劃的主力飛船，迄今為止已經成功為國際空間站運送了14次貨物。相比俄羅斯進步號貨運飛船等其他以主動焚毀方式返回地面的貨運飛船，龍飛船最鮮明的特征就是其出眾的下行貨物運輸能力。由于龍飛船的加壓艙使用可回收復用設計，因此在每次返回地面時都能將國際空間站約3噸的各類科學實驗樣品帶回地球，大大緩解了國際空間站的下行運輸壓力，而此次入選商業(yè)載人航天計劃的載人型龍飛船，是SpaceX公司在貨運版龍飛船成功經驗的基礎上，針對載人任務而全新設計的一款飛船。

基本設計

載人型龍飛船也被稱為龍飛船2代。從外觀上看，這種飛船采用了和波音的CST-100飛船及NASA的獵戶座飛船類似的兩艙式結構。但在SpaceX公司對外發(fā)布的信息中，飛船分為了三部分。第一部分為頭錐，在飛船發(fā)射升空時，頭錐為整個飛船和頭錐內部的對接系統(tǒng)提供保護。頭錐和飛船通過鉸鏈相連，在飛船與空間站對接時打開，在飛船撤離空間站時關閉，同飛船本體一同返回地面，從而實現(xiàn)了重復利用。第二部分為飛船本體，除了為航天員的飛行提供空間和保障外，飛船本體上還安裝了降落傘、逃逸發(fā)動機、姿態(tài)控制發(fā)動機等裝置。而飛船尾部的第三部分，外形與其他飛船的服務艙類似，但被SpaceX公司稱為“軀干”。與其他飛船在服務艙上布置提供飛船主要推力的發(fā)動機不同的是，載人型龍飛船的軀干上沒有安裝發(fā)動機，只在表面鋪設了太陽能電池陣列和熱輻射器。 由于不再設置太陽能帆板，因此載人型龍飛船無需進行帆板展開，減小了出現(xiàn)問題的可能性。此外，軀干還能在飛船逃逸時提供氣體動力學穩(wěn)定功能。

載人型龍飛船一次最多可將4名航天員送入太空，可以獨立在太空中飛行一周。目前，spaceX公司計劃在第一次和第二次載人任務時，只安裝了2個座椅，對接到國際空間站后，飛船能夠工作180～210天。雖然飛船儲存的氣體可以讓飛船在出現(xiàn)微小泄露時仍能維持航天員們的呼吸，直至返回地面，但在關鍵飛行過程中，航天員們仍然會穿著SpaceX公司為飛船配套設計的航天服，以應對飛船快速釋壓的險情。

在觸屏手機和平板電腦大行其道的年代，載人型龍飛船的控制系統(tǒng)也采用了觸摸屏作為主要顯示方式，可為航天員提供飛船關鍵狀態(tài)和飛船健康狀況的感知。龍飛船具備自動駕駛和對接的功能，可以在航天員們完全不管的情況下自動完成與國際空間站的對接，且對接過程無需像貨運型龍飛船那樣，借助空間站上的機械臂幫助。在座艙內，生命保障系統(tǒng)為航天員們提供濕度合適的新鮮空氣，將座艙內的氣壓和二氧化碳濃度保持在適宜的范圍內。一旦飛船發(fā)生火警，防火系統(tǒng)會迅速確定起火點并將火撲滅。吸取了哥倫比亞號航天飛機事故的教訓，飛船座椅的設計能夠為航天員們提供更好的保護。

▲ 最初設計安排了7個座位

▲ 載人型龍飛船的頭錐部分打開，準備對接

▲ 逃逸系統(tǒng)測試

逃逸系統(tǒng)與返回方式

與同期入選NASA商業(yè)載人航天計劃的CST-100飛船一樣，載人型龍飛船也采用了自主逃逸系統(tǒng)，可在整個飛行過程中通過飛船本身的發(fā)動機提供終止任務、安全返回地面的功能。相比使用逃逸塔的方案，自主逃逸系統(tǒng)不但減少了發(fā)射重量，還減少了發(fā)射過程中逃逸塔分離的環(huán)節(jié)，進一步增強了發(fā)射的可靠性。逃逸系統(tǒng)的動力來源于超級天龍座發(fā)動機。共有8臺超級天龍座發(fā)動機，分為4組安裝在飛船側面的壁板上，每臺發(fā)動機能夠提供約71千牛的推力。在接到點火的指令后，這種發(fā)動機能夠在短短100毫秒內達到最大推力狀態(tài)。8臺發(fā)動機之間還能互為冗余備份，在其中某些發(fā)動機出現(xiàn)問題時，依靠其他的正常發(fā)動機仍然能夠保證航天員們的安全，其冗余性能已經超過了NASA的要求。

為了驗證飛船的逃逸性能，載人型龍飛船在2015年5月進行了逃逸測試。通過逃逸系統(tǒng)提供的推力，飛船的測試體從卡納維拉爾角航天中心的40號綜合發(fā)射設施起飛，在99秒后按照預定計劃成功地降落在附近的海面上。在測試過程中，SpaceX公司的工程師們在飛船的一個座椅上安裝了模擬假人與傳感器，以收集逃逸過程中航天員可能受到的沖擊數(shù)據。同時，工程師們發(fā)現(xiàn)了一臺超級天龍座發(fā)動機的燃料混合比例問題，但這并沒有影響到整個試驗的成功。

起初，SpaceX公司計劃讓超級天龍座發(fā)動機一機兩用，為飛船著陸提供精準的控制和減速，使飛船能夠在地面軟著陸。然而，隨著商業(yè)航天計劃的進一步深入，NASA和SpaceX公司決定在最初的幾次任務中不采用陸上著陸的方式，而是使用原為備份系統(tǒng)的降落傘進行海上著陸和回收。但這并不意味著超級天龍座發(fā)動機的“失業(yè)”。在正常飛行過程中，兩組超級天龍座發(fā)動機將為飛船提供變軌的動力。

在返回地面的過程中，飛船會與地球大氣發(fā)生劇烈的相互作用而產生大量熱量。為了保證飛船的安全，必須采取有效的熱保護措施。載人型龍飛船所使用的熱保護罩，在NASA提供的酚醛樹脂浸漬碳燒蝕體技術的基礎上進行了改進，使防熱性能獲得了大幅度提升。雖然飛船目前僅被安排執(zhí)行近地軌道飛行任務，但熱保護罩的各項指標已經足以承受以更高速度從月球軌道直接返回大氣層時所釋放的熱量。在回收后，飛船可重復使用約十次，在很大程度上降低了飛行成本。

發(fā)射載具

在今年年初成功試射的重型獵鷹火箭出盡風頭后，SpaceX公司的主力火箭獵鷹9號似乎變成了“過氣網紅”。但實際上，由于載人發(fā)射任務對于安全性和可靠性要求高，剛剛出道的重型獵鷹火箭還不能承擔這方面的任務。此外，在馬斯克提出去往火星的BFR火箭-飛船綜合體方案后，SpaceX公司表示未來將不會使用重型獵鷹火箭承擔載人任務。未來，載人型龍飛船將由獵鷹9號火箭發(fā)射。

獵鷹9號火箭沒有使用助推器，其起飛推力來自于第一級上安裝的9臺梅林發(fā)動機。在火箭第一級底部，除位于中心位置的一臺發(fā)動機外，其余8臺發(fā)動機呈環(huán)形安裝在第一級底部四周。這樣的結構不但有助于保護單臺發(fā)動機，也可以在某些發(fā)動機失效的情況下依靠其他發(fā)動機繼續(xù)完成飛行。在2012年使用獵鷹9型火箭發(fā)射貨運型龍飛船時，一臺發(fā)動機在起飛后79秒時意外關機。其余8臺正常工作的發(fā)動機通過多工作28秒的方式補償了意外造成的推力損失。雖然這次事件造成了附加載荷未能入軌，但作為主載荷的貨運型龍飛船還是成功完成了任務。

盡管獵鷹9型火箭第一級具備成熟的可回收重用能力，回收重用之后的“二手火箭”也已經成功完成了數(shù)次發(fā)射，但這種能力在執(zhí)行載人型龍飛船發(fā)射時可能并不能派上用場。按照NASA的合同約定，發(fā)射載人型飛船時必須使用全新制造的火箭。不過，由于可回收重用設計對火箭第一級機構強度的強化，這種不會使用的功能在一定程度上提高了火箭的可靠性。

提高發(fā)射可靠性的另一個途徑是SpaceX公司在發(fā)射前進行的“全真模擬”。在火箭生產階段，每臺將要上天的發(fā)動機都要進行靜態(tài)點火試驗，發(fā)動機在試驗時所使用的控制軟件工作狀態(tài)和實際飛行時完全一致，可以將可能存在的問題暴露出來。在發(fā)射進行前，整枚火箭還會在發(fā)射臺上再進行一次靜態(tài)點火試驗。在此試驗中，控制人員將按照實際發(fā)射前的流程進行火箭燃料填充等操作，直到倒計時結束、第一級火箭點火。由于第一級火箭被固定在發(fā)射臺上，因此火箭在靜態(tài)點火試驗中不會升空，一旦推力到達預定的起飛推力便會關機。通過這種測試，可以全面檢查火箭本身和地面系統(tǒng)是否為發(fā)射做好了準備，收集到的數(shù)據可為正式發(fā)射前再對火箭進行調試提供依據。最后，在真正進行發(fā)射時，火箭點火并建立推力的過程中，各個系統(tǒng)還會進行一次最終的自我檢測，沒有問題后火箭會被發(fā)射臺釋放，飛向太空。

▲ 航天員登上載人型龍飛船所用的登船搖臂正在加緊安裝

▲ 載人型龍飛船

載人型龍飛船的發(fā)射將在肯尼迪航天中心的39號綜合發(fā)射設施進行。這個綜合發(fā)射設施擁有39A、39B、39C三個發(fā)射塔，SpaceX公司將使用的發(fā)射塔為39A。歷史上，這里曾是阿波羅登月飛船發(fā)射的地方，也曾以每年多次的頻率起飛過航天飛機。在航天飛機退役后，39A發(fā)射架曾一度閑置。2014年，SpaceX公司簽下了為期20年的租約，開始重新啟用該發(fā)射架。為了進行載人發(fā)射，SpaceX公司一方面將會重新修復之前為航天飛機設計的緊急逃生裝置，另一方面也會增加一些新設施，方便航天員進入飛船。