载人龙飞船首次无人试飞

文/李会超

在美国航天飞机停飞后，美国暂时失去了将航天员送入太空的能力。并且由于星座计划的终止，美国在载人航天载具的研发和使用上出现了断档。近年来，商业航天模式的兴起给美国的载人航天提供了新的实现途径。航天界新秀太空探索技术（SpaceX）公司提出的载人型龙飞船和波音公司的CST-100飞船在经过层层筛选后，最终成为“商业载人航天计划”所支持的首批上天任务，承担起未来在地面和国际空间站间运送航天员的职责。今年3月，载人型龙飞船完成了第一次无人飞行测试，为美国载人航天的复飞开了一个好头。

▲载人型龙飞船首次测试飞行徽章

从货运飞船升级改造而来

从2012年起，货运型龙飞船开始承担国际空间站的补给运输工作，至今已成功飞行15次、失败1次。载人型龙飞船是在货运型龙飞船的基础上改进而来，其基本构造与货运型龙飞船相同。货运型的加压舱被改造成了航天员的座舱，一次飞行最多可以搭载7名航天员。而货运型的非加压部分，则被改造成了为飞船提供供电和其他保障服务的“躯干”。相比于货运型龙飞船，载人型龙飞船外观最大的变化，在于取消了展开的太阳能电池板，通过太阳能发电的任务由附着在躯干表面的太阳能阵列完成。

载人型龙飞船采用了自主逃逸系统，可在整个飞行过程中通过飞船本身的“超级天龙座”发动机提供终止任务、安全返回地面的功能。相比于使用额外附加的逃逸塔的方案，自主逃逸系统不但减少了发射重量，还减少了发射过程中逃逸塔分离的环节，进一步增强了发射的可靠性。在接到逃逸的指令后，“超级天龙座”发动机能够在短短100毫秒内达到最大推力状态。同时，飞船在飞行过程中轨道调整和姿态控制的工作，也由这些发动机来完成。

▲试验成功后，难掩兴奋的马斯克（右）

▲载人龙飞船在对接前接近国际空间站的效果图

对于载人航天任务来说，其最基本也是最重要的要求是保证航天员的安全与健康。为了将风险降到最小，载人航天器一般都要进行无人飞行测试后才会执行载人任务。载人型龙飞船的本次飞行测试并没有搭载真正的航天员，而是将一个穿着SpaceX公司航天服的假人安放在了用于承载航天员的座椅上。这种假人与汽车碰撞试验中常用的假人有些类似，可收集能够对航天员的生理能够产生影响的各类参数。通过假人和飞船其他传感器收集的数据，SpaceX公司的工程师们将可以对飞船的表现和存在的问题作出系统的分析评估，并在执行实际的载人任务前进行改进。美国宇航局也可以通过任务中载人型龙飞船的实际表现，对其执行载人任务的可靠性作出评估。同时，SpaceX公司的任务运行控制团队将在本次任务中得到一次全真环境下的训练。载人龙飞船的地面控制由SpaceX公司的团队完成，美国宇航局会对其进行全程监督，但并不直接执行控制工作。

▲国际空间站上的航天员拍摄的即将与空间站对接的龙飞船

▲载人型龙飞船发射33秒后座舱内的情景，图中的蓝色玩偶就是地球仔

▲艾隆·马斯克和未来乘坐龙飞船去往空间站的航天员参观已经在发射架上的“龙”飞船

顺利完成首次测试任务

3月2日7点49分（世界协调时，以下皆同），载人型龙飞船由猎鹰9号火箭发射升空，宣告本次测试任务正式开始。发射飞船使用的肯尼迪航天中心39发射复合体曾经执行过阿波罗登月和航天飞机的发射任务，近年来多用于SpaceX公司“猎鹰9号”的发射，还曾经执行过重型猎鹰火箭的首飞发射。在本次发射前，SpaceX公司在发射使用的39A发射架上增加了供航天员登上飞船的通道，其外观与民航机场使用的登机廊桥极其相似。同时，SpaceX公司还修复了这个发射架上的索降逃生系统。这个系统曾经供航天飞机使用，如果航天员在发射前碰到需要紧急撤离的情况，他们可以利用这套系统吊在钢索上，快速滑向地面。在“龙”飞船的发射过程中，如果情况的严重程度还没有到需要启用逃逸系统的级别，航天员们将使用这套系统撤离。

在发射约27个小时后，载人型龙飞船与国际空间站成功对接。在对接过程中，载人型龙飞船首先接近到距离国际空间站150米的位置。之后，为了测试其控制自身位置与姿态的能力，它又后撤到距离控制站180米的位置。最后，它继续接近到距离空间站20米的位置，执行了最终的对接程序，与国际空间站成功对接。

在本次发射之前，作为国际空间站的另一个主要参与运营国，俄罗斯对载人型龙飞船的安全性提出了顾虑。与已经和国际空间站成功对接多次的货运型龙飞船相比，载人型龙飞船的对接程序发生了一些变化。货运型龙飞船在对接时，从国际空间站下方逐渐接近空间站，并在与国际空间站距离较近时被国际空间站上的机械臂捕获，最后与国际空间站对接的过程是由机械臂的牵引完成的。而载人型龙飞船与国际空间站的对接则不再借助机械臂，通过发动机自主控制与空间站对接。

在这个对接流程中，存在与国际空间站相撞的可能，而由于载人型龙飞船在本次任务中是第一次与国际空间站对接，因此相撞的风险显得更大。美国宇航局对俄罗斯方面的顾虑表示理解，并与俄罗斯共同商定了一些防护措施。在对接前，国际空间站的航天员们关闭了国际空间站上的各个舱门。万一发生飞船与空间站相撞的事故，这个措施可以将造成的损害限制在一些舱段中，避免波及整个空间站。同时，站上航天员们也预先做好了撤离到与国际空间站对接在一起的俄罗斯联盟号飞船的准备。一旦撞击造成的危害无法控制，他们可以通过“联盟号”撤回地球。

实际上，这些预先制定的措施都没有派上用场，载人型龙飞船正常地完成了与国际空间站的对接。在本次过程中，载人型龙飞船没有浪费宝贵的飞行机会，为国际空间站送去了补给物资。同时，他们还将一个萌萌的“地球仔”（Little Earth）玩偶带上了空间站，给航天员们带来了不少欢乐。这个玩偶本来用于在载人龙飞船的过程中指示失重状态的出现，但航天员们还是郑重其事地欢迎了它，带它到空间站的各个舱室中游玩，还带它一起与地面进行视频连择变得更加苛刻。选取的发射窗口必须使得发射后的飞船在一天左右的时间内就能与国际空间站完成对接。这样，才能保证发动机燃料管路中的温度不至于低到足以产生冻结的程度。未来，工程师们将为发动机的燃料管路添加加热装置，以永久性解决这个问题，但这还需要时间。

▲猎鹰9火箭和载人型龙飞船由总装厂房转运到发射塔

▲猎鹰9火箭发射尾焰

▲起竖

▲NASA直播载人型龙飞船发射的截图画面

同时，本次飞行中飞船的状态没有达到和载人飞行完全相同的程度。由于飞船运载的是假人，飞船的生命保障系统没有实现“标准配置”的运行，本次使用的仅仅是一个简配版。搭载航天员飞行时，航天员与飞船需要通过飞船的显示交互系统了解飞船的状态，控制飞船的飞行，而这套系统在本次测试中也无法进行考核。此外，飞船的软件系统在进行实际载人的飞行时还要再进行相应的升级。

▲厂房中的载人型龙飞船

▲“龙”飞船返回再入

在本次测试之后，龙飞船还将对逃逸系统再进行一次测试飞行，才会让载人型龙飞船执行载人测试任务。在2015年，SpaceX公司曾经进行过一次逃逸系统测试。在那次测试中，龙飞船的8台发动机点火，将飞船由肯尼迪航天中心40号发射复合体带离地面。飞船在99秒之后成功在肯尼迪航天中心东面的海上着陆。在那次测试中，没有火箭与飞船连接，飞船从静止状态下逃逸，模拟的实际是火箭点火前出现险情、进行逃逸的情况。在未来的逃逸测试中，飞船将先由火箭发射升空，达到Max Q位置时再进行逃逸。

▲载人型龙飞船返回舱漂浮于海面

在大气层中飞行的物体会因为与空气的相互作用而受到空气的动压力，飞行器相对于空气的速度越大，飞行器周围的大气密度越大，飞行器受到的空气动压力就越大。在火箭发射时，随着高度的不断增加，大气的密度逐渐减小，但火箭的速度在不断增加，因此火箭所受到的空气动压力会经历一个先增加、后减小的过程，而Max Q则为火箭受到空气动压力最大的时刻。在“猎鹰9号”的飞行中，Max Q一般在发射后一分钟左右到达。在这种情况下执行飞船的逃逸，难度是最大的，也最能考验逃逸系统的实际能力。由于载人型龙飞船具有回收重复使用的功能，未来的逃逸测试还将使用刚刚成功执行第一次测试任务的飞船。

首次载人有可能延期

如果一切顺利的话，在完成逃逸系统测试一个月后，载人型龙飞船就将进行真正搭载航天员的飞行。按照美国宇航局目前给出的时间表，载人飞行将不早于今年7月进行。然而，按照SpaceX公司一贯的“做派”，实际的飞行很有可能延期跳票。

4月20日，在卡纳维拉尔角进行发动机测试的载人型龙飞船发生异常。据《今日佛罗里达报》报道，有目击者看到大量的烟雾从“龙”飞船进行测试的位置飘出。负责卡纳维拉尔角空军基地运作的美国空军45联队表示，事故没有造成人员伤亡，现场的情况很快就得到控制。而NASA与SpaceX公司则表示，正在对发生的问题进行审慎的分析调查。此次发生的事故，更为载人型龙飞船后续测试飞行的进度蒙上了一层阴影。

2014年，当美国刚刚将商业载人航天计划的首批飞行合同签给SpaceX公司和波音公司时，美国宇航局期望的首次载人飞行时间为2017年年底。这个时间安排已经比美国宇航局在2010年给出的时间计划晚了两年，还在实际执行中被一拖再拖。但这也十分符合美国宇航局的行事风格，从詹姆斯·韦伯空间望远镜到该局自研的猎户座飞船，近些年所有重大的航天项目，似乎没有一个是按照一开始制定的时间表完成，被拖延的时间动辄就要好几年。对于可能的拖延，美国宇航局也已经有了第二手打算。他们已经和俄罗斯航天局续约，以保证在美国飞船载人飞行延期的情况下，美国航天员仍能往来于国际空间站。