“載人龍”飛船系統(tǒng)設(shè)計與經(jīng)驗分析

周峰 何慧東（ 航天東方紅衛(wèi)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(yè)化發(fā)展，以“載人龍”（Crew Dragon）飛船為代表的商業(yè)載人飛船取得了顯著的發(fā)展，并呈現(xiàn)出技術(shù)創(chuàng)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(guān)注。對“載人龍”飛船的項目背景、系統(tǒng)設(shè)計、典型任務(wù)進行深入分析，并得出發(fā)展思考。

1 “載人龍”飛船項目背景

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，近地軌道技術(shù)日趨成熟，美國將未來的目標定位于更復(fù)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(lián)盟”（Soyuz）飛船執(zhí)行載人航天飛行任務(wù)。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(yè)公司。目前，商業(yè)貨運補給服務(wù)已業(yè)務(wù)化，商業(yè)乘員運輸處于發(fā)展之中。美國太空探索技術(shù)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(yè)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(yè)載人航天任務(wù)的發(fā)展進程。

SpaceX公司計劃開展2次“載人龍”飛船的飛行試驗任務(wù)。第一次任務(wù)為無人飛行試驗任務(wù)（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(fā)射臺利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭成功將“載人龍”飛船發(fā)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(wù)是NASA商業(yè)乘員計劃的重要組成部分，也是商業(yè)建造并運營的美國載人飛船的首次發(fā)射。第二次任務(wù)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(wù)，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(tài)點火試驗中發(fā)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(diào)查結(jié)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(yè)乘員運輸階段，授予SpaceX公司6次乘員運輸任務(wù)。每次任務(wù)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(tǒng)設(shè)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(fā)射和運行任務(wù)?！拜d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)化的低地球載人航天飛行任務(wù)。

“載人龍”飛船試驗及飛行任務(wù)安排

“載人龍”飛船結(jié)構(gòu)圖

“載人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計方案，包括乘員艙和非密封艙（Trunk）兩部分，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，側(cè)壁傾斜角15°，加壓容積9.3m3，非加壓容積37m3，干質(zhì)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(wù)，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(shè)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(wěn)定性。在“載人龍”飛船非密封艙表面一側(cè)貼太陽能電池，任何角度的陽光照射均可發(fā)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(tǒng)可靠性，簡潔、一體化的設(shè)計，可支持飛船直接從運載火箭上發(fā)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(jù)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(dǎo)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(cè)配置了4組推力器裝置，每組配置了2臺“超級天龍”（SuperDraco）發(fā)動機和4臺“天龍”（Draco）發(fā)動機，其中，Draco發(fā)動機主要用于在軌機動，SuperDraco發(fā)動機主要用于發(fā)射逃逸（原計劃也可用于軟著陸）?！拜d人龍”飛船采用了集成式的發(fā)射逃逸方案，該方案相較傳統(tǒng)的逃逸塔方案具有多項優(yōu)勢：能夠在發(fā)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(tǒng)可重復(fù)使用；逃逸發(fā)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(fā)）。

3 “載人龍”飛船典型任務(wù)

以“載人龍”飛船首次無人飛行試驗任務(wù)為參照，說明其執(zhí)行典型任務(wù)的具體情況。任務(wù)的重要節(jié)點如下。

“載人龍”飛船飛行試驗任務(wù)重要節(jié)點

獵鷹－9運載火箭發(fā)射“載人龍”飛船時序

發(fā)射入軌

“載人龍”飛船發(fā)射過程按照NASA和SpaceX公司確定的發(fā)射場操作程序進行。發(fā)射任務(wù)采用了“加注后即發(fā)射”（load-and-go）模式，在發(fā)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(wù)，航天員將在發(fā)射前約2h進入飛船，隨后激活發(fā)射臺逃逸系統(tǒng)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(fā)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(zhì)量較大，發(fā)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(fā)射，但是對于載人飛船，在出現(xiàn)緊急情況發(fā)射中止時，采用這種發(fā)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(diào)相機動，經(jīng)過約1天的飛行，與“國際空間站”交會，飛抵距空間站3000m內(nèi)，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(qū)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(jié)點艙前端的“國際對接適配器”（IDA）“軟捕獲”（soft capture）；之后對接機構(gòu)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(nèi)停止，由機械臂抓捕后與對接口對接?！拜d人龍”飛船則從徑向接近空間站，隨后轉(zhuǎn)移至速度方向（V-bar，即前方），任務(wù)中航天員和地面專家密切監(jiān)控飛船的接近和對接情況，如果發(fā)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(fù)使用飛船，能夠?qū)⒊藛T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(dǎo)傘、主傘，完成海面濺落回收。

“載人龍”飛船離軌返回重要節(jié)點

“載人龍”飛船交會對接重要節(jié)點

“載人龍”飛船返回

4 “載人龍”飛船發(fā)展經(jīng)驗

通過重復(fù)使用技術(shù)降低任務(wù)成本

“載人龍”飛船整個大系統(tǒng)具備可重復(fù)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(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)計了集成式發(fā)射逃逸系統(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，可節(jié)約大量成本（據(jù)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(wù)報價約1.5億美元，平均不到2200萬美元/艘，遠低于俄羅斯“聯(lián)盟”飛船8000萬美元/艘的報價。

新一代飛船采用了創(chuàng)新設(shè)計思路

縱觀國際，載人飛船系統(tǒng)經(jīng)過近60年發(fā)展，設(shè)計思路幾經(jīng)變革，針對新的任務(wù)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(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計思路。以SpaceX公司的“載人龍”飛船為例，飛船采用兩艙段設(shè)計，內(nèi)部加壓空間集中在一個艙段內(nèi)，而非分為軌道艙和返回艙，航天員舒適度大幅增加；設(shè)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(fā)射逃逸系統(tǒng)，可在發(fā)射全過程提供乘員逃逸能力，提高系統(tǒng)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(shù)提質(zhì)增效

“載人龍”飛船的制造使用了一系列新技術(shù)。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以制造出高性能的發(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?zé)g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。