“载人龙”飞船成功开启首次载人飞行试验

孙冠杰 何慧东

（1 中国空间技术研究院 2 北京空间科技信息研究所）

美国东部时间2020年5月30日15:22（北京时间5月31日03:22），美国太空探索技术公司（SpaceX）在佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台利用猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭成功将“载人龙”（Crew Dragon）飞船发射入轨，开展载人飞行试验任务。船箭分离后，“载人龙”飞船在飞行约19h后与“国际空间站”（ISS）成功对接。此次任务是“载人龙”飞船首次载人航天飞行，也是航天飞机退役后时隔近9年美国再次自主将本国航天员送入轨道。

1 项目背景

随着航天技术的发展，近地轨道载人航天技术日趋成熟，美国政府层面将下一步目标定位于更具挑战的载人月球及深空探索；同时，在2011年航天飞机退役后，美国只能依靠俄罗斯“联盟”飞船执行载人航天飞行任务。在此背景下，美国国家航空航天局（NASA）积极推动将近地轨道载人航天活动移交商业公司。目前，美国商业货运补给已正式投入服务近8年，商业乘员运输正在发展之中，NASA支持的SpaceX公司“载人龙”飞船和波音公司“星际客船”（Starliner）均在2019年开展了无人飞行试验，“载人龙”飞船计划在2020年下半年投入正式乘员运输服务。

2 任务方案

“载人龙”飞船载人飞行试验任务代号为演示－2（Demo－2），是航天飞机退役后美国首次从本土利用本国航天器将航天员送至“国际空间站”，也是该飞船的最终试验任务。任务对“载人龙”飞船发射、交会、自主对接、停泊、再入、溅落、回收的整个飞行程序进行全流程测试和认证。

根据NASA与SpaceX公司的合同，载人飞行试验完成后，NASA和SpaceX公司将检查所有数据，完成“载人龙”飞船的认证工作。NASA将正式进入商业乘员运输阶段，授予SpaceX公司6次乘员运输任务，每次任务将最多搭乘4名航天员，同时向“国际空间站”运送100kg货物。

发射入轨

本次任务发射过程按照NASA和SpaceX公司确定的操作程序进行，猎鹰－9运载火箭在零发射窗口点火，顺利将“载人龙”飞船送入预定轨道，并成功实现运载火箭第一级的海上垂直回收。

“载人龙”飞船载人飞行试验任务图标

猎鹰－9火箭发射“载人龙”飞船任务剖面

此次载人飞行试验任务原定美国东部时间5月27日16：33发射，由于天气原因，任务在距离发射17min前取消，推迟至备用发射窗口。地面控制抽空猎鹰-9运载火箭燃料，随后航天员关闭飞船发射逃逸系统，登船通道就位后，航天员出舱返回。任务并未因美国总统特朗普、副总统彭斯前来观看而强行发射。从气象条件看，美国第45太空中队5月27日发射前给出的气象报告，发射期间有50%的概率超出允许气象条件，遭遇降水、积雨云、积云、卷层云等。“载人龙”飞船发射任务对气象条件较为敏感，需要确保运载火箭穿过大气层时的气象条件，同时还需要确保发射逃逸着陆海域、运载火箭第一级海上回收区域的气象条件。

“载人龙”飞船发射过程示意图

交会对接

“载人龙”飞船入轨后，乘员和地面控制中心对飞船环控生保系统、推进系统、热控系统等进行测试，随后飞船进行一系列调相机动，追赶“国际空间站”。

“载人龙”飞船与“国际空间站”交会对接任务剖面

“载人龙”飞船与“国际空间站”交会对接示意图

“载人龙”飞船与货运“龙”飞船的接近轨迹不同。货运“龙”飞船从径向（R-bar，即天底方向）接近“国际空间站”，在加拿大臂－2（Canadarm－2）工作范围内停止，由机械臂抓捕后与对接口对接；“载人龙”飞船则从径向接近空间站，随后转移至速度方向（V-bar，即前方），与和谐号节点舱前端的“国际对接适配器”（IDA）对接。

“载人龙”飞船能够自主完成接近和对接，但船上和空间站上航天员会持续监控接近和对接过程，在必要时接管飞船进行人工控制。“载人龙”飞船经过约19h的飞行，于美国东部时间5月31日10：16成功与“国际空间站”软对接，10：27完成对接机构锁定，13：02打开舱门。

打开舱门后，2名航天员进入空间站，并成为第63批长期考察组成员。航天员将在站上对“载人龙”飞船进行一系列测试，并与站上其他航天员开展科学实验等其他任务。

最初计划的载人飞行试验中，2名航天员仅在“国际空间站”驻留2周。在新的飞行计划中，由于目前站上仅有3名航天员（美国籍克里斯·卡西迪，俄罗斯籍阿纳托利·伊万申、伊万·瓦格纳），NASA决定延长驻留时间，支持空间站的维护和运行工作。“载人龙”飞船上的2名航天员将在站驻留30～119天，具体任务时长尚未确定，要综合考虑试飞任务需要、飞船太阳电池性能下降情况、空间站计划安排等多种因素。在对接期间，控制人员将每周“唤醒”飞船一次，测试太阳电池和其他系统的性能。

返回回收

空间站上任务结束后，“载人龙”飞船将搭载2名航天员自主与“国际空间站”分离；随后进行轨道机动，将星下点轨迹与着陆区对准；之后飞船抛掉非密封舱以减轻离轨点火时的质量，乘员舱进行约12min的离轨点火，再入地球大气层减速；减至安全速度后，飞船在5500m高度附近打开2具引导伞，在2000m高度附近打开4具主伞进行进一步减速。根据设计，飞船以约7.6m/s的速度溅落在佛罗里达州以东的大西洋上，着陆后飞船切断主伞；SpaceX公司的回收船将迅速回收飞船，接回航天员，返回卡纳维拉尔角。

3 航天员乘组

此次任务中，“载人龙”飞船搭载了2名航天员，分别是NASA的道格·赫尔利和鲍勃·本肯。道格·赫尔利在航天飞机最后一次任务（STS－135）中担任驾驶员，本次任务担任航天器指挥官，负责发射、着陆和回收等工作；鲍勃·本肯担任联合操作指挥官，负责交会、对接、离站，以及飞船与空间站对接期间的各项工作。

4 系统方案

“载人龙”飞船

“载人龙”飞船是美国政府资助、SpaceX公司研制的新一代载人飞船。未来，NASA只需支付政府航天员运送费用，而由SpaceX公司完成载人飞船的研制、发射和运行任务。“载人龙”飞船具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大、操作友好等特点，能够执行低成本、业务化的近地轨道载人航天飞行任务。

“载人龙”飞船返回回收任务剖面

“载人龙”飞船采用两舱段设计方案，包括乘员舱和非密封舱两部分，设计最多可搭乘7名航天员，执行NASA任务标准状态搭乘4名航天员，独立飞行时可工作1周，对接状态下可工作210天。飞船直径4m，高度8.1m，加压容积9.3m3，非加压容积37m3，上行载荷能力6000kg，下行载荷能力3000kg，能处理废弃物800kg。

SpaceX公司“载人龙”飞船及航天服

猎鹰－9运载火箭

“载人龙”飞船由猎鹰－9 V1.2 Block－5运载火箭发射。猎鹰－9系列火箭是SpaceX公司研制的部分可重复使用运载火箭，截至2020年4月底，猎鹰－9系列火箭累计成功实施83次发射任务，其中31次使用的是重复使用的运载火箭，成功完成了44次火箭第一级陆上回收和海上回收。

猎鹰－9 V1.2 Block－5是全推力型火箭的最新型号，可满足NASA载人任务发射要求，火箭为二级火箭，全长70m，直径3.7m，发射质量549t，低地球轨道运载能力22.8t，地球同步转移轨道运载能力8.3t。

5 结束语

“载人龙”飞船成功开启载人飞行试验意义重大，此次任务是时隔9年美国再次自主将航天员送入轨道，标志着美国重新具备了载人航天飞行能力。美国各界高度重视此次任务，认为此次任务具有“高度优先级”，将“开启新的载人航天时代”；美国总统特朗普和副总统彭斯更是在三天内两度前往肯尼迪航天中心观摩发射活动，见证这一历史性时刻。“载人龙”飞船试验任务成功发射，验证了美国商业乘员计划发展模式，商业航天成为美国载人航天活动中的一个重要力量，美国后续将持续推进商业载人航天系统发展，提升近地轨道载人航天活动能力；同时，此次任务也成为美国未来载人空间探测的一个转折点，为未来月球、火星和更远范围的任务奠定了坚实基础，美国已提出将此模式应用到“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划中，支持商业航天企业开展地月空间货物补给、着陆器研制等工作。