SpaceX公司成功完成高空逃逸试验

张田（中国航天员科研训练中心）

2020年1月19日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的“载人龙”（Crew Dragon）飞船在肯尼迪航天中心进行了其载人试飞前的最后一项全船重大测试，按计划成功完成高空逃逸试验，证明了其飞船能够在发射升空过程中出现突发情况时带航天员安全逃离。

1 试验步骤

这次试验的正式叫法是“飞行中中止”（IFA）试验，意在在发射过程中最极端的气动载荷条件下验证飞船的逃逸系统。本次试验涉及整艘飞船，包括其所有发动机、计算机和其他关键系统。飞船载有2台身配传感器的形体假人，由一枚猎鹰-9（Falcon-9）火箭从肯尼迪航天中心第39A发射台发射升空。

根据要求，火箭第一级发动机按照预定程序起飞，起飞后约84s，在约19km高度时，SpaceX公司工程师切断了火箭发动机燃料，以模拟火箭在刚通过最大动压点后发射失败的情形。

随后，飞船迅速发出自动中止指令，触发飞船上8台“超级天龙”（SuperDraco）逃逸推力器点火工作。这些发动机迅速把推力加大到全推力水平，以高达578kN的推力，把飞船从火箭顶部推开。

此时，火箭会被瞬间撕成碎片，火箭油箱破裂，发生爆炸，而飞船已经脱离火箭并有了一定距离。之后，“超级天龙”发动机关机，飞船会在惯性作用下飞到约42km的高度，然后会抛弃不再用得上的轨道服务舱，再利用飞船上推力较小的“天龙座”（Draco）推力器调整方向，以进行下降飞行。

随后，飞船先后打开2部减速伞和4部主伞，最后在卡纳维拉尔角以东距岸边约32km的大西洋上溅落，并由美国军方、美国国家航空航天局（NASA）和SpaceX公司的队伍共同回收。NASA和军方参照载人飞行发生事故时的人员搜救流程安排，美国空军派出了搜救力量来配合开展这次逃逸试验。从起飞到溅落，整个试验过程共持续约10min。

火箭升空84s左右，引擎熄火，飞船上的8个推进器同时点火，达到最大推力，飞船被推出。而猎鹰-9在坠落的过程中，完成其历史使命——按计划爆炸。但整个测试并没有到此结束，飞船借助推进器，还在继续离开爆炸的火箭。

这次试验，SpaceX公司在飞船中安排了乘客——两位模拟人。飞船开始溅落后，停留在大西洋上的救援队也立即开始行动，前往目标海域进行搜救。一方面是测试流程的完整性；另一方面，飞船和其中的假人记录了飞船详细的数据，尤其是假人模型里安装的各个感应器，能够为了解未来“发射时逃逸”这一行为对人体会造成什么影响提供有力依据。

发射后2分24秒，飞船与推进器分离，呈自由落体状向大西洋坠落

2 四手火箭降低试验造价

通过发射真火箭来模拟火箭异常，最能够模拟发射事故最真实的情况，可有效地测试“载人龙”飞船的逃逸能力。不过，进行这么一次试验真的是烧钱。为尽可能节省成本，SpaceX公司采取了如下措施：使用四手火箭；二级发动机使用配重；拆去了用于着陆的4个支架。

被主动炸毁的火箭已经执行过3次飞行任务，这次炸得也算光荣，但成本依旧很高——一枚猎鹰-9火箭的总造价约为5000万美元，约合3.4亿人民币。在发射前，SpaceX公司的首席执行官马斯克就在推特上证实，由于试验中极端的气动载荷，所用的猎鹰-9火箭的第一级在本次试验中将会“牺牲”。作为首枚5型火箭，这枚火箭此前已在2018年5月——12月先后参加了3次卫星发射任务。马斯克说，公司曾试图设法保住这枚火箭，但最终发现不可能。

美国联邦航空管理局（FAA）此前公布的一份环评文件表明，突然失去推力和飞船的离去会让火箭第一和第二级失稳并解体，甚至发生爆炸。在本次试验中，火箭的确发生了爆炸。计算机模拟成果显示，火箭残骸会全部落入海中，大多数会沉入海底。SpaceX公司表示他们已经组织好团队，在测试结束后对漂浮在水面上的火箭残骸进行回收。

和失去一枚火箭相比，这次逃逸实验所搜集的大量数据才是最宝贵的。这次搜集的数据主要包括时间序列、闭环控制、飞行轨道、内部以及外部环四大类数据。

3 发射一波三折

这次高空逃逸试验曾定于2020年1月11日进行，但先是为了有更多时间来处理飞船而推后一周，后又因飞船海上预定回收落区风浪太大推迟一天。而在这次试验圆满之前，已经铺垫了多次的尝试和转折。

2019年3月，“载人龙”飞船首次上天飞行，成功完成了代号为验证-1（DM-1）的无人试飞任务。飞行中，飞船同“国际空间站”实现了对接，最终成功地在大西洋上进行了溅落回收。试飞的顺利让SpaceX公司和整个航天界都充满了信心，对同年晚些时候即将进行的高空逃逸试验及随后的验证-2载人首飞十分乐观。但返航不到2个月，飞船在卡纳维拉尔角的一次地面试车过程中发生了爆炸。SpaceX公司进行了一系列事故调查，并对飞船逃逸发动机增压系统某些部件进行了重新设计。

SpaceX公司调查后认定，逃逸发动机本身在爆炸事故中并无过错，事故是由飞船推进剂贮箱与“超级天龙”发动机之间一条管路内的一个阀门泄漏引起的，爆炸是在“超级天龙”发动机即将点火做试车前发生的。

在完成了替代飞船并用“爆破片”取代有缺陷的阀门后，SpaceX公司于2019年11月在卡纳维拉尔角重新进行了“超级天龙”试车。此次试车未出现大问题，从而为本次高空逃逸试验铺平了道路。

本次高空逃逸试验所用飞船原本是为验证-2载人试飞建造的，但在那次试车事故后被改用于做高空逃逸试验。

4 “礼花”意义重大

有网友开玩笑说这次试验是赶在中国农历新年前放的大礼花，那么这朵“礼花”真是意义非凡。

逃逸系统对载人航天飞行的重要性不言而喻。逃逸系统在实际载人航天发射中最近一次启用是2018年10月，即俄罗斯“联盟”（Soyuz）火箭在发射载人飞船时，起飞2min后便出现故障，幸好火箭逃逸系统发挥了作用，让船上2名航天员得以生还。

这次高空逃逸试验，展示了SpaceX公司的后备计划，证明在载人航天任务时倘若发生极端情况，他们有能力将航天员安全带回地球。这是SpaceX公司与NASA合作的重要一环，也是美国再次凭借自身力量送航天员进入太空的关键节点。过去6年，SpaceX公司一直在研制“载人龙”飞船，并通过一系列演示来证明其飞行器是安全的，能够完成这项艰巨的工作。

2015年5月6日，“载人龙”飞船成功进行了一次发射终止测试，8个“超级天龙”发动机同时点火并达到最大推力，将飞船带离发射台，几秒钟内就达到552km/h的速度，随后“超级天龙”停车，主干部分脱落，降落伞激活，飞船平稳溅落在大西洋上。

这次则是在飞行中进行了一次完整、全流程的测试。在时间节点方面，选择了火箭发射过程中的“最大动压点”（maxQ），也就是受力状态最复杂的时刻，火箭发射后的初始阶段，周围大气依然比较稠密，火箭会受到强烈的大气阻力，这就是动压，它与火箭的速度和大气的密度成正比。随着火箭飞行速度越来越大，空气密度会逐渐降低，当达到某个时间点时，动压会达到极大值，也到达了火箭发射后最危险的时刻。可以说，这个时间点上的成功最具有说服力。

这次测试成功，不仅关乎SpaceX公司与NASA的合作顺利进行，也是载人航天历程中一个里程碑事件。测试成功之后，NASA将会批准SpaceX公司进行往返“国际空间站”的常规载人飞行。

“总体而言，到目前为止这是一项完美的任务。”马斯克在试验后的新闻发布会上说：“我心潮澎湃，这太棒了。”之后，“载人龙”飞船将在地面进行爆炸测试，再次对逃生系统的另一项安全指标进行检查。

本次测试的发射地点位于佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心，其发射工位是著名的LC-39A。该发射工位曾经见证了“阿波罗”（Apollo）登月飞船和航天飞机的历次重大发射事件，之后被SpaceX公司租下来，用于发射火箭。

可以说，选择这个带有纪念意义的工位，既是对“阿波罗”时代辉煌历史的致敬，也意在开启美国航天新的时代。

“载人龙”飞船内部结构

5 身份获认，剑指火星

“载人龙”飞船接下来要做的验证-2载人试飞将把NASA航天员道格·赫尔利（Doug Hurley）和鲍勃·本肯（Bob Behnken）送往“国际空间站”。这2位航天员已多次执行航天飞机飞行任务，他们也参加了这次主动“炸火箭”的高空逃逸试验发射合练，演练了他们在发射日所要执行的程序，包括服装穿戴和前往发射台，但并未实际登船。即将执行正式任务的火箭和飞船都已经完成了制造，正等待在卡纳维拉尔角进行组装，将于2020年5月末进行首飞。即使新冠病毒爆发已经在美国造成了广泛影响，连NASA一所研究中心的工作人员也出现了感染，但似乎并没有给SpaceX公司的进度表造成巨大延误。

自2011年7月8日完成最后一次航天飞机飞行任务以来，美国一直依靠购买俄罗斯“联盟”飞船的座位把航天员送往“国际空间站”。NASA已经证实，SpaceX公司即将成为史上第一家将航天员送入“国际空间站”的私人企业。不过SpaceX公司没有止步于此，其目标很明确，那就是送更多的人登上火星甚至最终殖民火星。

为了向这一远大目标挺进，除了积极推动猎鹰-9等火箭进一步完善、承接NASA订单外，SpaceX公司正在进一步筹集资金，为殖民火星计划的前期投入买单，还制造出号称世界上最强火箭的“星舰”（Starship），让殖民火星计划变得更加具体可实现。

火箭方面，“星舰”可以说是SpaceX公司火箭制造能力的最强体现。

SpaceX公司表示，“星舰”将能够运载多达100人，从地球出发，抵达低地球轨道、月球甚至火星。乘员配置丰富，包括大型公共区域、私人舱室、集中式仓库、日光庇护所和观景廊等。虽然“星舰”经历过爆炸事件的挫折，但并未停止探索的脚步，第二代的原型机已经在佛罗里达的工厂里建造，接下来要继续第三代的设计。

就在这次当众炸火箭之前，马斯克还特意发文推销自己的火星计划，再次强调自己的目标：到2030年，要把1000人送上火星，到了2050年，这个数字将变成100万人。“星舰”就是为这个目标设计的，平均每天3次航班，每年1000次航班，单次航班载荷超过100t，10艘飞船每年就能将百万吨载荷送上轨道。只要每年建造100艘“星舰”，10年就能建造1000艘，到2050年就能将100万人送上火星了。

筹集资金方面，这里不能不提SpaceX公司的“星链”（Starlink）计划。

“星舰”与助推器分离

“星链”计划于2015年提出时，很多人都说是天方夜谭。当时，马斯克宣布SpaceX公司计划将发射约1.2万颗通信卫星，后来还有消息称SpaceX公司把计划数量增加到4.2万颗。这一项目被命名为“星链”。消息传来，业界一片哗然，有人认为这个数字未免太天方夜谭，有人质疑“星链”会干扰天文观测。

然而，就像火箭居然变得可回收一样，如今，SpaceX公司的“星链”也初具雏形。

2018年3月，SpaceX公司在一次常规发射任务中搭载了2颗小卫星——微卫星-2a和2b（Microsat-2a和2b）作为“星链”计划的试验星。2019年5月，首批60颗“星链”卫星被送入轨道，之后又进行了6批发射，目前SpaceX公司已经将422颗“星链”卫星送入太空。

SpaceX公司计划在第一阶段通过12次任务将720颗“星链”卫星送入轨道，每次发射任务送60颗卫星入轨，每颗卫星质量约为260kg。在完成这一阶段任务后，该公司希望在2020年晚些时候开始为美国北部和加拿大的客户提供“星链”服务。SpaceX公司期待每隔2～3周就发射60颗卫星，以迅速搭建起全球卫星互联网。

目前，在全球范围内，约有45%的人能够接入互联网，而他们的联网方式基本都是通过陆地和海底的光纤电缆完成。SpaceX公司的野心就是搭建全球卫星互联网络，使网络覆盖到地球的每一个角落。

马斯克本人曾表示，如果说现在SpaceX公司每年运营火箭发射任务可以获得30亿美元的收入，那么在“星链”布置到一定程度后，提供的潜在宽带网络收入将达到每年300亿美元，这个项目的赚钱能力可见一斑。

此次高空逃逸试验的圆满成功，不仅验证了SpaceX公司日趋完善的猎鹰-9火箭和 “载人龙”飞船的全面能力，也让SpaceX公司的名声更加响亮、民众信心更强。承接下为美国接送航天员的重要任务，全面展开“星舰”计划，又即将通过“星链”攒下雄厚资金基础，可以说，马斯克离他的“移民火星”计划又近了一步。