开启商业航天新时代——美国“龙”飞船国际空间站对接试验简析

□ 陈 杰

飞行徽标

美国东部时间2012年5月31日上午11时42分,太空探索技术公司（SpaceX）“龙”飞船与国际空间站分离后再入大气层,溅落在距美国加利弗尼亚西海岸约900千米的海面并被成功回收。至此，美国航宇局（NASA）和SpaceX公司的“龙”飞船国际空间站对接飞行试验结束，任务获得成功。本次飞行试验共历时10天，从火箭发射、飞船接近空间站、对接、航天员卸装货物到与国际空间站分离、再入回收的各个过程进展都比较顺利，同时引起了美国国内和国际社会的重点关注。本次飞行试验任务确实有较为重要的意义，并将对美国乃至国际航天领域发展产生一定影响。

“龙”飞船飞行试验的目标与进度

本次“猎鹰”9火箭发射“龙”飞船与ISS进行对接，是太空探索技术公司按照NASA商业轨道运输服务（COTS）计划要求进行的验证飞行。试验从5月22日持续至5月31日。

飞行试验的目标。 本次飞行试验要验证三方面技术：

一是基本在轨运行技术：包括太阳帆展开技术、姿态调整和轨道机动技术、飞行中止技术、自由飞行技术；绝对GPS导航技术、相对GPS导航技术、与国际空间站的特高频通信技术；飞船太阳电池、辐射器、电子设备在真空、热和辐射环境中的耐受性和运行技术等。

二是与国际空间站的交会对接技术：包括目标逼近操作技术、空间站机械臂抓取技术、利用飞船上的被动通用停泊机构与空间站对接技术、制导与控制技术等。

三是飞船离轨和回收技术：包括对接双方安全分离技术、轨道再入技术、热防护系统技术、溅落回收技术等。

其中以5月25日验证与国际空间站的交会对接技术为本次飞行试验的主要目标。

飞行试验的进度。本次飞行历时十天。

5月22日，“猎鹰”9火箭发射“龙”飞船。

5月23日，“龙”飞船飞往国际空间站。

5月24日，“龙”飞船上的传感器和飞行系统进行一系列复杂的试验，以确定飞船为与ISS对接作好准备。“龙”飞船飞行至距空间站下方2.5千米处，飞船使用特高频通信单元与空间站建立无线电联系。空间站上的航天员监视飞船运行情况并与飞船通信。“龙”飞船在空间站下方、前方、上方、后方绕飞，为对接作准备。

机械臂捕捉到“龙”飞船

打开降落伞

5月25日，“龙”飞船成功与国际空间站对接。美国东部时间2012年5月25日上午5时26分，国际空间站航天员操纵机械臂成功抓住“龙”飞船。5月25日下午12时02分“龙”飞船与国际空间站成功对接。

5月26日～31日，5月26日上午5时53分，空间站航天员成功开启“龙”飞船货舱门并进入“龙”货舱内部。航天员称：“龙”飞船内没有任何异物碎片，就象进入到一辆全新的汽车里一样。

26日～31日，航天员卸下了飞船运送的货物，并将需要运回地球的货物装入“龙”飞船。本次试验飞行中，“龙”飞船向国际空间站运送的货物总质量为460千克，其中包括306千克的食物和航天员供应物品、123千克的货物贮藏器、31千克的计算机硬件和试验用有效载荷。返回时携带的货物总计为620千克，包括345千克的系统硬件、143千克的航天员优选物品、93千克的试验用有效载荷、39千克的太空行走用

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美国方面及有关媒体的反应

“龙”货运飞船的发射，特别是与空间站对接成功后，美国国内和国际社会给予了高度评价。

● 飞船成功发射后,美国总统奥巴马与SpaceX公司创始人和首席执行官马斯克通电话向其表示祝贺。

● NASA局长博尔登在“龙”飞船与国际空间站成功对接后称：美国私营公司已经证明了向ISS提供补给的能力，这开辟了商业航天的新领域。

● 美国白宫科技政策办公室主任认为：对接成功是一项具有重要科技意义的成就，也是奥巴马总统保持美国在太空领域领导力计划的里程碑事件。

● SpaceX公司在其网站上称：SpaceX公司创造了历史，其“龙”飞船成为史上第一种与ISS成功对接的商业飞行器。这在之前是只有美国、俄罗斯、日本和欧洲政府才能实现的挑战性技术壮举。

●《纽约时报》预测：未来几年，美国私营航空航天领域将迎来发展良机，并且会在商业运营上取得巨大成功。

● 英国《经济学人》杂志：如果把ISS看作太空公寓，那么为公寓送货会是一笔大买卖。

● NASA局长博尔登说：“飞船成功溅落以及本次任务其他许多成就预示着美国商业太空飞行新时代的到来。美国的创新能力和灵感再一次显示出他们在设计运行新一代飞行器执行国际空间站货运任务方面的巨大优势。现在我们比以前更加注重继续激励美国企业和美国员工的创新能力，使得任何甚至是全部具有太空飞行梦想的人能到达国际太空战和位于低轨道的目的地”。硬件设备。

“龙”飞船的基本尺寸

二级火箭分离

返回地球

“龙”飞船的总体结构

“龙”飞船结构示意图

5月31日，航天员使用机械臂将“龙”飞船移至距空间站约10米处并释放，飞船启动推力器开始离轨操作，再入地球大气层，进行历时7分钟的再入飞行，依靠降落伞溅落在距美国西海岸900千米的海面。

“龙”飞船的基本情况

“龙”飞船是可重复使用飞船，包括货运型和载人型两种。本次进行飞行试验的是可重复使用货运飞船。

“龙”货运飞船的构型 “龙”货运飞船主要由三个部分组成即前端头锥、加压舱和非加压舱，见左图。前端头锥在飞船入轨过程中如同整流罩一样保护舱门和舱内设施，特别是被称为被动通用停泊机构的空间站对接装置和机械接口，船箭分离后前端头锥将被投弃。加压舱装载加压货物和试验仪器，有舱门和舷窗，还装载推力器、推进剂贮箱、降落伞等。加压舱采用铝合金材料制造，底部有防热罩，防热罩采用类似酚醛浸渍碳烧蚀材料（PICA）的PICA-X新型防热材料，能够承受1850℃的高温。加压舱最多能够装载3300千克货物。非加压舱可携带非加压货物、小卫星、太阳帆板和热辐射器，飞船再入前将被投弃。

“龙”飞船基本尺寸，加压舱舱门直径约1.3米，长2.9米、前端直径2.4米，底部直径2.1米，中部最大直径3.1米，有效载荷容积约10立方米；非加压舱长2.3米、直径3.6米，有效载荷容积约14立方米；传感器舱容积约0.1立方米。

“龙”货运飞船的分系统组成

“龙”飞船包括结构和机构、推进、电子设备、飞行软件，通信、电源、制导导航与控制、环境控制、热控、热防护系统、进入/下降/着陆与回收（EDLR）等十一个分系统，见表1。

“龙”飞船的推进系统在两个推力器发生故障的情况下，仍能实现正常功能。此外还采用了容错计算机以提高电子设备的可靠性。再入大气层时，两个减速伞和三个主降落伞确保着陆过程安全可控。

“龙”飞船技术特征 “龙”飞船与现役货运飞船相比有两个明显的技术特征。第一，太空探索技术公司提出“龙”货运飞船是可以重复使用的，这与欧洲的自动转移飞行器、俄罗斯的“进步”号飞船、日本的H-2转移飞行器属于一次性使用有显著不同。重复使用为降低成本提供了前提，尤其是“龙”飞船与低成本的“猎鹰”9火箭结合使用，可进一步降低国际空间站的货运成本。第二，“龙”飞船采用手动对接方式，这一点与日本H-2转移飞行器相同，而与俄罗斯和欧洲货运飞船不同 ，其与国际空间站对接是通过航天员操控机械臂抓取飞船后执行对接操作，分离也是用机械臂将飞船拖离空间站至安全距离后，飞船再启动自身推进装置离开。这种对接属于手动对接，虽然看起来过程稍复杂，但技术较为成熟、安全可靠性较高。

“龙”飞船后续发射计划 本次飞行试验是NASA COTS计划下的验证飞行，该计划于2006年开始实施，2008年12月，NASA将COTS计划第二阶段合同授予了太空探索技术公司和轨道科学公司，这两家公司将为空间站提供独立的货运补给服务，分别要向空间站运送20吨货物。其中：太空探索技术公司获得了价值16亿美元的合同，将使用“猎鹰”9火箭发射“龙”飞船进行12次货运飞行，该公司公布的发射计划见表2。

“龙”飞船离开国际空间站

“龙”飞船靠近国际空间站

表1 “龙”飞船的分系统组成情况

“龙”飞船发射

“龙”飞船侧视图

“龙”飞船与国际空间站对接

按SpaceX公司公布的计划，2012年和2013年将分别进行两次ISS货运飞行，2014年和2015年分别进行3次和5次飞行。由于SpaceX公司“龙”飞船与国际空间站对接试验的时间从2011年推迟到2012年，后续的飞行计划有可能会随之推后。

太空中的“龙”飞船

“龙”飞船通讯示意图

打开“龙”飞船舱门

“龙”飞船中的首位航天员

“龙”飞船在海中溅落

表2 “龙”货运飞船后续发射计划

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本次飞行试验的意义

“龙”飞船是继“阿波罗”飞船之后，美国时隔四十年研制并进行轨道飞行的第一种飞船；是航天飞机退役后，美国第一次使用本国的飞船与国际空间站进行交会对接。

“龙”飞船是美国四十年来第一种进行飞行试验的飞船

与前苏联采取研制飞船的技术途径不同，美国自上世纪70年代“阿波罗”登月计划之后开始研制并使用航天飞机。1981年～2011年的三十年中，航天飞机执行了135次飞行任务，但并未实现降低航天飞行成本、提高可靠性的设计目标。美国早在2006年制定的、以重返月球为目的的“星座计划”中就考虑研制称为“猎户座”乘员探索飞行器的飞船。虽然“星座计划”2011年正式终结，但在奥巴马的新航天计划中仍计划研制与“猎户座”飞船构型基本一致的“猎户座”多用途乘员飞行器，目前的计划是到2017年进行首次轨道飞行。“龙”飞船是SpaceX公司在NASA商业轨道运输服务（COTS）计划支持下研制的，发展进度走在了“猎户座”多用途乘员飞行器和COTS计划另一家承包商轨道科学公司“天鹅座”货运飞船的前面。本次试验飞行使“龙”飞船成为了美国继“阿波罗”飞船之后、四十年来研制并进行飞行试验的第一种飞船。

“龙”飞船是航天飞机退役后，第一艘与国际空间站对接的美国飞船

2011年航天飞机退役后，国际空间站的货物运输主要依靠俄罗斯的“进步”号飞船、欧洲的自动转移飞行器和日本的H-2转移飞行器，乘员运输依靠俄罗斯的“联盟”号飞船。美国实际上没有用于执行空间站任务的本国运载器。本次“龙”飞船的飞行试验，是美国第一次使用本国的飞船与国际空间站进行交会对接，为后续“龙”飞船真正执行国际空间站货运任务进行技术试验。

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“龙”飞船与国际空间站对接试验成功带来的影响

国外对“龙”飞船对接试验获得成功所带来的影响多冠以“创造了历史”、“开启了新时代”等用评语。本文认为这种影响值得关注，但要客观分析。

“龙”飞船对接试验成功提升了“商业航天”的地位

在美国商业航天项目是相对于军用航天和民用航天项目而言的。商业航天项目指那些由私营机构负责、没有美国政府机构直接参与管理、以赢利为目的航天项目；政府机构作为用户对项目要达到的目标提出具体要求，提供部分项目启动种子资金，但主要研制费用还是由私营企业承担；项目研制出的火箭、飞船等产品归私营机构所有，政府机构可以通过购买的方式为其提供服务。这与军用航天项目由国防部和国家侦察局负责，民用航天项目由NASA和国家海洋和大气管理局负责，而只是由私营企业负责产品研制是不同的，军用和民用项目都属于政府项目，资金主要来源为政府合同拨款。

SpaceX公司的“龙”飞船是美国第一种进行轨道飞行的商业飞船，更是第一种与国际空间站成功对接的商业飞船，其影响远大于商业卫星和商业运载火箭 。尤其是在航天飞机退役后，美国一直依靠俄罗斯、欧洲、日本的货运飞船执行ISS货运任务之时，对接试验的成功将大幅提升商业航天在美国的地位，为其他私营企业进入航天领域提供了范例。这是所谓“创造历史和开启新时代”的第一层含义。

“龙”飞船对接试验成功为美国政府将ISS商业乘员运输任务交给私营企业提供了佐证

奥巴马新航天计划中提出将把国际空间站的货运和载人任务都交给私营企业也就是商业航天力量。在与SpaceX公司和轨道科学公司签定了ISS货运合同后，NASA又制定了商业乘员发展计划，目前正在从SpaceX公司、波音公司等四家企业中遴选合同承包商。值得指出的是：美国国会并不十分支持这一做法，对私营企业执行载人任务的可靠性提出了质疑。同时在项目资金上予以削减，将商业乘员发展计划2012财年预算从8.3亿减少至5.3亿美元。而将更多的资金投入到NASA负责研制的重型运载火箭和“猎户座”多用途乘员飞行器上，将2012财年预算从23亿增至27亿美元。

虽然是货运飞船，但本次“龙”飞船对接任务的成功仍证明了商业航天力量在空间站运输方面的技术水平和可靠性是可以信赖的，使后续为商业乘员项目争取更多的资金投入成为可能，为NASA增加了话语权,为实现美国政府商业乘员发展计划的目标增加了几成胜算。同时将使NASA能够集中精力去完成近地轨道以外的小行星和火星探测。这是所谓“创造历史和开启新时代”的第二层含义。

“龙”飞船对接试验成功将进一步推动实现降低进出空间成

本的目标

谈到太空探索技术公司“龙”飞船和“猎鹰”火箭一定离不开低成本的话题。本次对接试验前SpaceX公司曾表示：与目前美国为购买俄“联盟”载人飞船的一个座位要支付6000万美元相比，“龙”载人飞船未来的目标是把单个乘员的运送费用降低到2000万美元。SpaceX公司还提出：“猎鹰”9火箭能够以5700美元每千克的价格将载荷送入近地轨道，“猎鹰重型”火箭的这一成本更可以降低到2300美元。尽管上述说法遭到了包括美国国内方面在内的质疑，目前也没有充分的数据予以证实，但这毕竟代表了私营企业在降低进出空间成本方面要实现的目标，符合人们对降低进出空间成本的期望。因此，本次“龙”飞船交会对接的成功不仅会为SpaceX公司带来NASA商业轨道运输服务计划16亿美元的合同，更将推动航天领域实现降低进出空间成本的目标。

“龙”飞船的停泊位置

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