美国“载人龙”飞船成功完成首次无人飞行试验

北京时间2019年3月2日下午3：49，在美国肯尼迪航天中心LC－39A发射台，太空探索技术公司（SpaceX）使用旗下的猎鹰－9火箭将同为该公司研发的第二代“载人龙”飞船（Crew Dragon）首次送入太空，执行首次无人演示任务（Demo－1）。在发射的27小时后，“载人龙”飞船成功自主对接“国际空间站”。

本次任务是“载人龙”飞船的首次升空发射，同时也是一次全状态试飞，除不搭载航天员外，飞船各项配置与载人状态一致。船内设置有一个身着SpaceX舱内航天服的模拟假人和204kg的补给货物，假人上设置有多种传感器，用以搜集飞行状态数据。此次发射的飞船已于北京时间3月8日晚间9：45成功返回地球，并落入预定海域，SpaceX采用其专用回收船进行海上回收作业。飞船回收后将进行翻修，并最早于2019年4月进行发射中逃逸试验，以进一步验证其安全性，证明其具备“全程逃逸能力”。若以上试验顺利，则预计于2019年年中由全新生产的“载人龙”飞船执行首次正式载人发射，目前首飞航天员乘组（2人）和备份乘组已经选定，正在开展相关训练。

1 飞船总体设计

“载人龙”飞船为两舱设计，分为返回舱（加压舱）和非加压舱，为尽可能复用飞船设备，大部分设备集中于返回舱。非加压舱部分仅设置有体装式太阳能电池板。飞船采用人、货通用设计，载人版可用于“国际空间站”或未来商业空间站的近地轨道载人往返服务，经货运化改装后也可以用于无人货运任务。飞船默认设置有4个座位，后排可增设3个座位，最多承载7人，与航天飞机和波音的“星际线”（Starliner）飞船乘员数一致。

“载人龙”飞船舱内设计非常简洁，控制面板（Control Panel）除3块大尺寸触控屏幕和少量实体按键外，无其他设备。默认第一排布置有4个座位，后排3个座位可选。

最终首飞时的设计（模拟机）

与传统飞船设计截然不同，“载人龙”飞船的人机界面采用大尺寸触控界面，屏幕所显示内容可自由切换，因此3块屏幕在受损情况下可互为备份。飞船目前设计仅保留有38个实体开关和按键，作为应对极端情况的最低限度控制面板。除此之外，“载人龙”飞船还提高了自动化程度，降低航天员的学习成本，航天员在正常情况下可以摆脱操作手册，飞船升空、对接和返回过程均可无人操控。为适应载人发射，SpaceX还设计了一套舱内航天服，除在正常发射中监测航天员生理状态和维持体温呼吸外，还能在飞船舱内出现破损而导致急性失压时保障航天员生命安全。

与传统航天服不同，SpaceX特别聘请了时尚设计师进行外观设计，在维持安全性水平的前提下进行了轻量化设计。此外，舱内航天服还选用了定制化的3D打印头盔，航天服本身采用阻燃外层材料，鞋部增设了与座椅脚蹬的固定结构。所有航天服与飞船的环控生保和通信连接集成在一根线缆上，还增设了额外的听力保护装置。为了适应触控界面，航天服手套手掌内侧设有触控层，兼顾触屏操控。头盔面罩内置衍射显示器，可以显示关键参数，关节过渡段经过特殊设计，不仅可以灵活转动，在舱内失压情况下可密闭并充气保压，以保证航天员生命安全。

左为SpaceX的航天服，右为航天飞机时代所使用的先进乘员逃生航天服（ACES）航天服

除了以上直观特性外，“载人龙”飞船还具有多项新设计，如无需整流罩，载人货运两用，采用推式逃逸，可以重复使用，能够反推着陆（目前已取消），应用体装式太阳能电池板，具备自动无人对接能力等，是美国新一代载人飞船中设计最激进的一款。

2 飞船研发背景

1986年1月，“挑战者”航天飞机在升空时因固体助推器O型密封环失效，凌空爆炸，7名航天员罹难；2003年2月，“哥伦比亚”航天飞机在再入大气层过程中解体，又是7名航天员遇难。

这两次事故不仅使美国失去了两架航天飞机和14名航天员，更重击了民众对航天飞机安全性的信心，加之航天飞机本身发射费用昂贵，缺乏逃逸设计，而机体日益老化又导致翻修费用居高不下，NASA最终只能将航天飞机提前退役。2011年7月21日，“亚特兰蒂斯”航天飞机在肯尼迪航天中心安全着陆，长达30年的航天飞机时代正式宣告终结，退役后的几架航天飞机陆续进入博物馆供人瞻仰。自航天飞机退役之日起，美国就失去了载人航天能力，但为了维持“国际空间站”的运营，NASA只能购买俄罗斯“联盟”飞船的座位。自此俄罗斯便垄断了“国际空间站”的航天员运输业务，并不断抬高“联盟”飞船座位的销售价格。

“联盟”飞船一个座位的报价从2011年航天飞机退役时的3000万美元一路飙涨至现在8100万美元（“载人龙”飞船为5800万美元），即便报价如此高昂，NASA仍需定期购买“联盟”飞船座位以维持“国际空间站”正常运行。但事实上，NASA很早就规划了三款新型载人飞船，但是却因为进度、经费、设计等种种原因，三款飞船至今不能服役。其中“载人龙”进展最为迅速。波音公司（Boeing）的“星际线”飞船紧随其后，但试验进度落后，因逃逸发动机存在推进剂泄漏缺陷，发射台逃逸试验至今仍未完成。而“猎户座”（Orion）飞船由于与太空发射系统（SLS）配套，首次无人任务EM－1不早于2021年，首次载人任务EM－2暂定2023年。

从左至右分别为“星际线”、“载人龙”、“猎户座”飞船

3 逃逸系统设计

2014年发布会现场，前景左侧是Draco姿控发动机，右侧为“超级天龙座”（SuperDraco）反推及逃逸发动机

2014年5月，在美国加州霍索恩的厂房内，SpaceX对第二代“龙”飞船的设计进行了一次公开展示，在第一代货运型“龙”飞船的基础上进行了诸多革新。

首先，传统载人飞船为了在火箭出现类似爆炸的紧急情况下让航天员远离火箭、安全返回，设计有一系列逃逸措施，其中以逃逸塔为主，上面安装有若干逃逸发动机和姿控发动机，一旦点火将瞬间产生巨大推力，迅速将飞船带离火箭。

逃逸塔设计事关航天员生命安全，需要逃逸发动机点火可靠性高、推力大、响应迅速，因此以固体发动机为主，且为一次性设计，飞船升空过程中即与飞船分离并抛弃，无法重复利用。SpaceX则另辟蹊径，将逃逸发动机设置于飞船返回舱侧壁，采用推式逃逸方案。此外还专门为“载人龙”飞船研发了“超级天龙座”逃逸发动机，两台一组，互为备份，每隔90°安装一组，总计8台。“超级天龙座”发动机使用四氧化二氮/甲基肼推进剂组合，挤压循环，推力约71000N，可重复使用，燃烧室采用铁铬镍材料经激光3D打印技术生产。由于逃逸发动机贴近航天员座位，为防止发动机爆炸波及，SpaceX额外设计了发动机包容壳来约束飞射物。

4 被取消的反推着陆设计

载人龙飞船的悬停试验

在2014年的发布会上，SpaceX宣称“超级天龙座”发动机是“一机两用”，升空时用于飞船逃逸，再入大气返回时用于着陆反推。反推着陆不同于传统伞降，落点精度高，可以进行定点着陆；变推力发动机可以有效控制触地瞬间冲击，减小着陆冲击。

除反推着陆外，“载人龙”飞船仍留有传统伞降落海模式，两种方式互为备份。在着陆过程中，飞船会在适当高度自动对所有反推（逃逸）发动机进行点火反推，以减缓飞船再入速度，若系统监测所有发动机工作正常，则继续进行反推着陆。反之若发动机出现异常，则自动切换为伞降落海方式，“载人龙”原设计有3个主降落伞，后增设为4个，群伞系统的伞伞之间互为备份，即使2个伞失效仍可安全降落。该着陆设计原定率先应用于无人货运任务，成熟后再拓展至载人任务。但NASA认为反推着陆相对于伞降落海可控性更差，其优点不足以弥补反推技术不成熟所带来的风险，2017年7月，SpaceX宣布取消第二代“龙”飞船的反推着陆，同时代号“红龙”（Red Dragon）的火星反推着陆演示项目也随之取消，现在的“载人龙”飞船仅可通过伞降落海方式返回地球。

5 人货通用设计

目前国际上货运飞船与载人飞船大多采用不同型号，例如俄罗斯的“联盟”飞船和“进步”飞船，设计和生产并不通用。但由于SpaceX同时承担着“国际空间站”的货物（CRS）和人员运输任务（CCP），若同时研制和维持生产两款不同的飞船，其成本和进度都是私营航天公司难以接受的。

因此在第二代“龙”飞船上，SpaceX采用了载人、货运通用设计，全新制造的“龙”飞船执行载人任务，飞船回收后经过翻修执行无人货运任务，两种任务所用飞船将高度互换，改装过程仅需拆除座椅和控制面板，并进行适当重新配重和设置即可完成。这将大幅降低CRS－2阶段货运任务的成本，抹平CRS－1到CRS－2合同的预算增额。

6 先登船再加注

除此之外，SpaceX为对火箭运力进行进一步挖潜，发射“载人龙”飞船的猎鹰－9 Block5型火箭采用过冷推进剂，为防止推进剂温度升高而损失推进剂携带容量，加注时间需尽可能靠近发射时间，并大幅压缩推进剂加注耗时。这就需要改变传统的载人发射登船过程，“载人龙”发射时航天员先进入飞船，关闭舱门后，再开始推进剂加注；而航天飞机等发射则是在推进剂加注完毕、贮箱状态稳定后，航天员才登上飞船。但2016年9月1日，原定执行Amos－6卫星发射任务的猎鹰－9火箭在静态点火试验的加注过程中突发爆炸，星箭俱毁，发射台严重受损。

此次事故原因是火箭二级贮箱中用于贮存增压氦气的“碳纤维复合材料缠绕压力容器”（COPV）的碳纤维包覆层和液氧在低温下发生反应导致。由于SpaceX后续并未换用传统钛合金增压气瓶，而是沿用减重效果显著的碳纤维气瓶，因此NASA对“载人龙”的这种加注方式多次表示担忧，表示猎鹰－9火箭在加注过程中仍存在突发爆炸的可能性。但后续SpaceX对加注流程和碳纤维在低温下的液氧相容性开展了大量实验，并采用新的加注流程，同时进行了大量前置发射以演示其安全性，NASA最终同意了该登船方案。