美国太空探索技术公司首次发射复用“龙”飞船

焦通 （中国空间技术研究院）

美国太空探索技术公司首次发射复用“龙”飞船

焦通 （中国空间技术研究院）

SpaceX Launched Reuse Dragon Spacecraft Firstly

2017年6月3日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon－9）火箭从肯尼迪航天中心发射升空，成功将“龙”（Dragon）飞船送入初始目标轨道，执行该公司第11次“商业补给服务”（CRS）合同任务（SpX－11）。执行本次任务的“龙”飞船曾于2014年9月发射升空，与“国际空间站”（ISS）对接停留34天后返回地球，降落太平洋。本次任务的成功标志着航天史上首次实现货运飞船加压舱重复使用，具有极为重大的意义。

火箭发射升空3min后，主引擎按计划关闭，火箭第一级分离，第二级引擎点火。在发射升空后不到8min，火箭第一级在发射台附近的着陆场垂直着陆。这是SpaceX公司第5次成功实现陆地火箭回收，总计第11次实现火箭回收，本次的火箭发射也是美国航空航天局（NASA）LC－39A发射台执行的第100次发射任务。

本次任务中，“龙”飞船携带约2700kg的物资，包括太阳电池板、地球观测工具与中子星研究设备。其中，由北京理工大学邓玉林教授团队独立设计的一个实验项目也搭乘“龙”飞船上天。该项目旨在研究空间辐射及微重力环境对抗体编码基因的突变影响。2017年6月5日，“龙”飞船被加拿大机械臂－2（Canadarm－2）捕获，成功将货物补给以及实验设备送抵“国际空间站”。本次货物补给运输任务顺利完成后，“龙”飞船于7月3日返回地球。

1 任务背景

根据NASA与SpaceX公司在2008年12月签订的“商业补给服务”合同，SpaceX公司要在2016年之前为NASA发射12艘载货型“龙”飞船，共向“国际空间站”运送20t货物，合同价值16亿美元。载货型“龙”飞船曾是首个到访“国际空间站”的商业航天器，也是首个从轨道返回地球的商业航天器。

SpaceX公司作为首个向“国际空间站”运输货物的私人航天公司，自2012年以来已经向“国际空间站”发射11艘飞船。这是美国现役货运飞船发射合同中次数最多的一家，虽然难与俄罗斯的“进步”（Progress）系列货运飞船匹敌，但在为“国际空间站”提供货物运输这一领域，已经成为极具影响力的主流力量。

2 飞行任务情况

本次发射任务原计划于美国东部时间6月1日17：55（北京时间6月2日5：55）进行，但因肯尼迪航天中心附近出现闪电，飞船无法在30min内发射，任务执行因此延迟。美国东部时间6月3日17：07，猎鹰－9火箭点火发射升空。

根据3日晚间的跟踪数据，火箭起飞后10min就释放了“龙”飞船，飞船进入204km×354km的初始轨道。船箭分离2min内，“龙”飞船抛离了2个太阳能阵列盖，展开发电阵列。在飞船绕地飞行第1圈时，位于加利福尼亚州霍桑市SpaceX公司总部的驻地任务控制小组对“龙”飞船飞行速度进行调整，以确保其所有系统在搭载猎鹰－9进入轨道之后都能运行。

第一次高度调整/椭圆形机动，使“龙”飞船进入“国际空间站”下方2500m的轨道，并继续追赶空间站。北京时间6月5日18：00之前，飞船进入距离空间站28km的通信区，开启相对导航，通过空间站和飞船之间的空对空无线电链路来实现GPS导航数据的交换。

第三次高度调整/椭圆形机动，使“龙”飞船到达空间站下方1400m处，并进行了一系列修正。北京时间19：15，任务控制中心下达启动逼近指令，飞船以0.3m/s的速度转移至空间站的正下方。北京时间20：00，在飞船距空间站350m时获取R－Bar，“国际空间站”和地面控制中心实现虚线连接。“龙”飞船随后进入一个短时保持模式，专门用于180°偏航操控，以正确定位抓捕装置，将推进器指向适当的方向，以进行可能的中止机动。随后，飞船由相对导航系统转换为邻近导航系统，检查无误后，休斯顿任务控制中心和SpaceX公司总部的驻地任务控制小组发出“GO”的指令。飞船接到指令后，轻轻推动飞船上的“天龙”（Draco）推力器，继续前进20m，以到达距空间站仅10m的捕获点。北京时间21：38，飞船到达捕获点，将其和空间站的相对速率归零。站上乘员接收到捕获指令后，释放加拿大机械臂－2的制动器，指挥飞船进入自由漂移状态。北京时间21：52，确认成功捕获飞船。

3 复用“龙”飞船

“龙”飞船是由SpaceX公司研制并运营的商业轨道飞行器，有载货型和载人型两种构型。载货型“龙”飞船任务飞行方案多变并可作为重复使用航天器，装有防热罩和降落伞，任务结束后在洋面上溅落回收，是目前唯一能够携带物品返回的空间站货运飞船。

人类航天史上有过众多的货运飞船和载人飞船，都没有尝试过重复使用。由于发射和返回过程中，飞船会受到剧烈震动、空间辐射和再入大气层的高温灼烧以及海水浸泡等，很可能在复用中导致设备和零件失效。但SpaceX公司可靠性副总裁汉斯·科尼格斯曼表示，该公司工程师对比了2014年该艘“龙”飞船首次飞行中经历的结构载荷记录和组件在最初设计时留下的设计裕量，认为各个部件仍具有足够的寿命和可靠性。SpaceX公司的技术人员在翻修中更换了几种被海水浸泡的零件，如电池和飞船的隔热罩，但船体、推进器、推进剂储箱、线路系统和一些导航电子设备等都是上一次执行任务的飞船部件，复用比例相当高。SpaceX公司对“龙”货运飞船的期望是能够重复使用3次，这对于降低成本至关重要。由于SpaceX公司将集中精力研发载人型“龙”飞船，后续“商业补给服务”合同下的所有载货型“龙”飞船都将采用复用飞船。本次“龙”飞船按照预期在“国际空间站”停留1个月，于7月3日返回地球，溅落太平洋。

4 科学有效载荷

飞船上携带约2700kg的物资，包括太阳能电池板、地球观测工具与中子星研究设备。加压货物（含包装）质量1665kg，其中包括科学研究装置1069kg，硬件199kg，乘员补给242kg，计算机资源27kg，太空行走设备56kg。非加压货物1002kg。在“龙”飞船搭载的货物中，有一个来自北京理工大学的质量为3.5kg的装置，航天员在大约2周的时间内使用该设备进行研究，并将数据发回中方研究人员，这个项目旨在研究空间辐射及微重力环境对抗体编码基因的突变影响。本次“龙”飞船携带的货物将支持超过250项科学和研究调查。此外，“龙”飞船返回时装载了1900kg返回货物，包括实验硬件、系统硬件、乘组人员不再需要的物品。

中子星内部成分探测器

飞船上的中子星内部成分探测器（NICER）属于NASA“天体物理学探险者计划”，将用来研究中子星不同寻常的引力、电磁和核物理环境，并首次试验把中子星作为导航信标的技术，它将提供比当前基于无线电的导航架构更高的精度。

飞船上的中子星是超密度恒星，直径只有几十千米，是温度最高的恒星之一，拥有最高的稳定密度。多年来发展出多种关于中子星的理论，但需要通过天体物理观察进行验证。中子星内部成分探测器在软X射线谱带中收集中子星热辐射和非热辐射的高灵敏度旋转分辨光谱。探测器将采用前所未有的测量精度探测中子星内部结构，了解中子星超能粒子加速的原理。

铺开式太阳电池阵

飞船上的铺开式太阳电池阵（ROSA）用于试验一种能在发射时卷收起来、上天后再像卷尺一样铺展开的柔性太阳电池阵设计。它将研究展开太阳电池阵列部署、收回和形状变化的动态，以评估阵列在实际操作环境中的实力和耐久性，以降低其技术风险。

多用户地球遥感系统

飞船上的多用户地球遥感系统（MUSES）由特里达因·布朗工程公司根据同NASA的协议研制，可装载高分辨率数字式相机和高光谱成像仪等对地观测仪器。

多用户地球遥感系统一次最多可容纳4台仪器，该系统针对各种传感器进行了优化，包括但不限于高分辨率数码相机、高光谱成像仪、激光雷达、磁传感器、大气监测有效载荷和技术验证专用传感器。

啮齿动物研究－5

飞船上的啮齿动物研究－5设备是“国际空间站”上部署的第2套啮齿动物住所，以出资方美国礼来公司（Eli Lilly）的名字命名，将密切研究肌肉生长抑制素的抑制作用，用于预防小鼠在长时间航天飞行过程中的骨骼肌肉萎缩和肌无力。航天飞行中的航天员会经受骨质和肌肉质量的快速流失，尤其是腿和脊柱，流失速率接近地面上的萎缩症患者。这项研究利用小鼠作为模式生物体，检查某种药物对预防肌肉或骨质流失的反应。

果蝇实验－2

飞船上的果蝇实验－2研究将使用果蝇（黑腹果蝇）更好地了解长期接触微重力对心脏不良反应的潜在机制。前期的航天研究表明，空间环境可以影响航天员的心血管系统。该实验将有助于开发果蝇的微重力心脏模型。

蛋白质晶体生长－6

飞船上的蛋白质晶体生长－6实验继续开发利用空间站上的新环境，研究微重力环境中的蛋白质结晶，理解蛋白质晶体生长的机制，以便改进地球上的药用物品。蛋白质晶体生长－6包括两项研究，充分利用站上可用于基于结构的药物设计（SBDD）的独特环境，用蛋白质晶体学引导设计更高效、更有针对性的药物。

心脏干细胞

该研究将阐明干细胞在心脏生物学和组织生成中的作用，以及微重力环境加速老化过程的假设。航天员将活的心脏细胞带到空间站上，用一个月时间来培养它们，以测试其大小、形状和跳动模式的变化。受微重力环境影响，人类心脏作为一个整体将会产生一些结构性的变化。为获得心脏细胞，科学家将人体皮肤细胞转化为干细胞，然后将它们培养成心脏细胞。在太空飞行后，他们将与地面样品进行比较，以了解他们的基因表达发生了怎样的变化。心脏干细胞旨在确定微重力对新生儿和成年干细胞早期心血管干细胞信号、迁移、增殖、分化和衰老的影响。特别关注的是对这些参数的年龄依赖性影响，以验证空间环境加速老化过程的假设。

此外，本次发射的飞船上还搭载了由日本九州工业大学在“联合全球多国鸟卫星”项目下建造的5颗单体立方体卫星，质量均为1kg。该项目由日方牵头，旨在帮助没有卫星制造能力的非航天国家设计、研制和运行卫星。

5 结语

SpaceX公司此次发射复用火箭及飞船，是人类航天史上的又一重大里程碑。为了节省成本，未来，马斯克计划全面回收并重复使用一级、二级火箭和“龙”飞船，现在已经成功完成了回收一级火箭和“龙”飞船的任务。马斯克此前曾表示，“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭2017年晚些时候首飞时，SpaceX公司将尝试回收二级火箭。

展望未来，SpaceX公司在2017年2月披露，其龙－2飞船将搭载2名私人乘客进行环月飞行，飞船再入速率和从火星返回地球的速率相似。如果SpaceX公司可成功完成计划，将向马斯克的终极目标—移民火星迈进一大步。