“載人龍”飛船成功實(shí)現(xiàn)世界首次載人飛船重復(fù)使用

苑藝 王功波（北京空間科技信息研究所, 中國航天員科研訓(xùn)練中心）

2021年4月23日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心39A發(fā)射臺利用獵鷹－9（Falcon－9）運(yùn)載火箭成功發(fā)射“載人龍”（Crew Dragon）飛船，執(zhí)行第二次“國際空間站”（ISS）業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)世界首次載人飛船重復(fù)使用，以及首次復(fù)用火箭和復(fù)用飛船組合執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)。“載人龍”飛船搭載的4名航天員計(jì)劃在軌開展為期約6個(gè)月的長期考察任務(wù)，期間將部署新型太陽電池陣列，繼續(xù)提升“國際空間站”長期在軌運(yùn)行能力，確保近地軌道持續(xù)有人存在。

1 任務(wù)概況

此次任務(wù)代號為乘員－2（Crew－2），是“載人龍”飛船第2次正式商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)任務(wù)，也是該型飛船第3次執(zhí)行載人飛行任務(wù)。此次任務(wù)所采用的獵鷹－9火箭和“載人龍”飛船此前均執(zhí)行過載人航天任務(wù)，回收后重復(fù)使用，再次執(zhí)行載人航天任務(wù)。

乘員－2任務(wù)實(shí)現(xiàn)了4個(gè)首次，即首次使用復(fù)用的“載人龍”飛船和復(fù)用的獵鷹－9火箭組合執(zhí)行載人發(fā)射任務(wù)；商業(yè)乘員任務(wù)首次攜帶2名來自國際合作伙伴的航天員前往“國際空間站”；兩次商業(yè)乘員任務(wù)的航天員首次實(shí)現(xiàn)在軌任務(wù)交接，乘員－1和乘員－2任務(wù)的航天員同時(shí)在軌7天，站上總?cè)藬?shù)暫時(shí)性達(dá)到11人；“國際空間站”首次同時(shí)對接2艘商業(yè)載人飛船。

此次任務(wù)中，“載人龍”飛船搭載的4名航天員分別是美國國家航空航天局（NASA）的謝恩·金布羅（Shane Kimbrough）、梅根·麥克阿瑟（Megan McArthur）、日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）的星出彰彥（Akihiko Hoshide）和歐洲航天局（ESA）的托馬斯·佩斯凱（Thomas Pesquet）。JAXA的另1名航天員古川聰（Satoshi Furukawa）和ESA的另1名航天員馬提亞斯·毛瑞爾（Matthias Maurer）擔(dān)任備份航天員。

乘員－2任務(wù)的4名航天員抵達(dá)“國際空間站”后，首先加入站上乘員開始執(zhí)行第65次長期考察任務(wù)，開展一系列空間站建造維護(hù)工作和科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。此次航天員的主要任務(wù)包括：安裝“國際空間站”可推出太陽電池陣列（Roll Out Solar Arrays）；開展一系列“太空中組織芯片”（Tissue Chips in Space）實(shí)驗(yàn)研究；開展“微重力環(huán)境下人體免疫缺陷表征”（CHIME）實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；參與“乘員對地觀測”（CEO）項(xiàng)目等。

2 重復(fù)使用情況

本次任務(wù)重復(fù)使用情況

本次任務(wù)中，獵鷹－9運(yùn)載火箭一子級曾于2020年11月執(zhí)行乘員－1載人發(fā)射任務(wù)，“載人龍”飛船則是執(zhí)行過演示－2（Demo－2）載人飛行試驗(yàn)任務(wù)的奮進(jìn)號（Endeavor）飛船。

奮進(jìn)號“載人龍”飛船曾于2020年5月執(zhí)行演示－2任務(wù)，并于2020年8月返回，濺落在佛羅里達(dá)州以西的墨西哥灣上。隨后，SpaceX公司與NASA工作人員合作，花費(fèi)數(shù)月對飛船進(jìn)行翻修，用以執(zhí)行本次飛行任務(wù)。為確保乘員安全，通常情況下“載人龍”飛船的翻修需要對艙內(nèi)的部分閥門、熱防護(hù)系統(tǒng)組件、降落傘系統(tǒng)等進(jìn)行替換。此次翻修過程中，SpaceX公司還對飛船進(jìn)行了其他重要改進(jìn)，使飛船具有更寬松的發(fā)射和著陸氣象條件準(zhǔn)則。其中一項(xiàng)是對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，使飛船能夠在更大風(fēng)速和浪高情況下返回并濺落，擴(kuò)大著陸窗口；另一項(xiàng)重要改進(jìn)是增加逃逸系統(tǒng)推進(jìn)劑的加注量，提升飛船的發(fā)射中止性能，降低發(fā)射限制，使飛船在地面風(fēng)速較強(qiáng)的情況下也可以發(fā)射。

奮進(jìn)號“載人龍”飛船首次濺落圖（左）和首次翻修圖（右）

系統(tǒng)重復(fù)使用設(shè)計(jì)

“載人龍”飛船任務(wù)整個(gè)大系統(tǒng)具備可重復(fù)使用能力，獵鷹－9運(yùn)載火箭一子級、“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，且發(fā)射過程不需要使用整流罩。

“載人龍”飛船將核心的高價(jià)值設(shè)備均布置在乘員艙，非密封艙僅有太陽電池、熱輻射器等設(shè)備，飛船返回時(shí)高價(jià)值的電子設(shè)備、傳感器、推進(jìn)設(shè)備、對接機(jī)構(gòu)等均隨飛船一起回收。例如，飛船采用了集成式發(fā)射逃逸系統(tǒng)，返回時(shí)自逃逸系統(tǒng)和飛船一起回收。SpaceX公司官方未明確公布“載人龍”飛船重復(fù)使用的部件和需要補(bǔ)充的部件，綜合多方信息，已知“載人龍”系統(tǒng)設(shè)計(jì)可重復(fù)使用部件及需要補(bǔ)充/替換部件如下。

“載人龍”飛船重復(fù)使用情況

同時(shí)，“載人龍”飛船返回過程環(huán)境嚴(yán)峻，為保證設(shè)備回收和復(fù)用，采用了一系列獨(dú)特的設(shè)計(jì)。飛船通過海面濺落方式回收，每臺“超級天龍座”（SuperDraco）發(fā)動機(jī)配備了密封口蓋，一方面保證逃逸時(shí)口蓋快速破壞，另一方面確保正常返回時(shí)避免發(fā)動機(jī)被海水浸泡侵蝕。飛船再入過程中燒蝕較為嚴(yán)重，為保護(hù)頭部的對接機(jī)構(gòu)和傳感器不被燒蝕，配備了頭錐保護(hù)罩，在軌工作時(shí)打開，返回時(shí)關(guān)閉。頭錐接合處安裝了密封襯墊，襯墊能夠承受長期在軌的熱真空、輻射、原子氧的作用，確保在地面環(huán)境下保護(hù)飛船不受降水、冷熱、大風(fēng)的影響，并在海面濺落時(shí)保護(hù)內(nèi)部設(shè)備。

系統(tǒng)重復(fù)使用分析

“載人龍”飛船實(shí)現(xiàn)了世界首次載人飛船重復(fù)使用并載人飛行，SpaceX公司計(jì)劃通過系統(tǒng)回收并重復(fù)使用開展多次任務(wù)，降低任務(wù)整體成本。但在現(xiàn)階段，載人飛船重復(fù)使用并沒有達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，而是一個(gè)逐步深化的過程。

“載人龍”飛船最初設(shè)計(jì)重復(fù)使用10次，隨著研制工作的推進(jìn)，其設(shè)計(jì)指標(biāo)比最初計(jì)劃有所下降，2020年，SpaceX公司提出飛船可使用5次，并表示當(dāng)前階段重復(fù)使用次數(shù)僅為設(shè)計(jì)值，具體取決于回收后飛船的實(shí)際情況。以獵鷹－9火箭、貨運(yùn)“龍”飛船作為參考，獵鷹－9火箭持續(xù)迭代設(shè)計(jì)，首飛6年后經(jīng)過13次任務(wù)才完成首次回收，首飛7年后經(jīng)過31次任務(wù)實(shí)現(xiàn)首次復(fù)用，逐步使重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展成熟，目前已實(shí)現(xiàn)同一枚一子級10次發(fā)射（9次復(fù)用）；貨運(yùn)“龍”飛船經(jīng)過12次任務(wù)才實(shí)現(xiàn)首次復(fù)用，目前已實(shí)現(xiàn)同一艘飛船執(zhí)行3次貨運(yùn)任務(wù)。對于“載人龍”飛船而言，基于獵鷹－9和貨運(yùn)“龍”飛船的基礎(chǔ)，飛船首次載人回收后即實(shí)現(xiàn)復(fù)用，但其進(jìn)一步重復(fù)使用仍需要持續(xù)試驗(yàn)、逐步改進(jìn)。

獵鷹－9系列火箭、貨運(yùn)“龍”飛船復(fù)用情況梳理

3 后續(xù)任務(wù)規(guī)劃

SpaceX公司獲得了NASA授予的2期貨運(yùn)合同，共需向“國際空間站”提供26次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”，目前已完成了21次任務(wù)；同時(shí)，SpaceX公司還獲得了商業(yè)乘員運(yùn)輸合同，共需向“國際空間站”提供6次乘員運(yùn)輸服務(wù)，每次任務(wù)將最多搭乘4名航天員，同時(shí)向“國際空間站”運(yùn)送100kg貨物，本次為第2次任務(wù)；此外，“載人龍”飛船還將提供私人發(fā)射服務(wù)。

為向“國際空間站”提供定期、高密度、可快速重復(fù)使用的乘員和貨物運(yùn)輸服務(wù)，并開展商業(yè)太空旅游業(yè)務(wù)，SpaceX公司計(jì)劃發(fā)展由5～6艘“載人龍”飛船和3艘“貨運(yùn)龍”飛船組成的第二代“龍”飛船編隊(duì)。

“載人龍”飛船方面，目前，SpaceX公司有3艘飛船正在使用，飛船編號分別為C205、C206（奮進(jìn)號）、C207（堅(jiān)韌號），另有3艘飛船在建。除本次任務(wù)外，后續(xù)，SpaceX公司計(jì)劃重復(fù)使用堅(jiān)韌號“載人龍”飛船用于執(zhí)行“鼓舞四人組”（Inspiration4）任務(wù)和公理－1（AX－1）任務(wù)，實(shí)現(xiàn)堅(jiān)韌號“載人龍”飛船的首次重復(fù)使用和二次重復(fù)使用。堅(jiān)韌號“載人龍”飛船曾于2020年11月16日－2021年5月2日首次飛行，成功執(zhí)行乘員－1任務(wù)，目前分別計(jì)劃于2021年9月執(zhí)行“鼓舞四人組”任務(wù)，實(shí)現(xiàn)“載人龍”飛船的首次私人發(fā)射任務(wù)，攜帶4名乘客抵達(dá)540km軌道并開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，飛行3天后返回；2022年1月,公理－1任務(wù)計(jì)劃執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)載人飛船首次攜帶全部4名私人乘客前往“國際空間站”，在軌?？?天，總計(jì)飛行約10天后返回。通過重復(fù)使用，SpaceX公司將有能力利用5～6艘“載人龍”飛船完成NASA授予的6次乘員運(yùn)輸任務(wù)，以及開展多次商業(yè)載人服務(wù)。

4 結(jié)束語

SpaceX公司“載人龍”飛船成功實(shí)現(xiàn)世界首次利用重復(fù)使用的載人飛船將航天員送入軌道，后續(xù)該公司還計(jì)劃進(jìn)一步提升飛船復(fù)用能力，以“載人龍”飛船為代表的新型載人航天系統(tǒng)將推動世界載人航天能力進(jìn)一步提升。SpaceX公司基于第二代“龍”飛船建立天地往返系統(tǒng)編隊(duì)，服務(wù)政府和私人用戶，已經(jīng)成為載人航天商業(yè)化發(fā)展的重要力量。