美國新型載人飛船“獵戶座”首次無人探索飛行試驗(yàn)任務(wù)圓滿完成

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

在10多年的規(guī)劃、準(zhǔn)備、研制和挫敗之后，美國航空航天局（NASA）的新一代載人飛船“獵戶座”（Orion）終于成功發(fā)射，其首次無人探索飛行試驗(yàn)（EFT-1）任務(wù)于2014年12月5日格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間（GMT）12：05由德爾他-4重型運(yùn)載火箭從美國卡納維拉爾角空軍基地37B航天發(fā)射臺發(fā)射，12：22進(jìn)入初始軌道（目標(biāo)初始軌道為近地點(diǎn)185km/遠(yuǎn)地點(diǎn)888km、傾角28.8°）。任務(wù)持續(xù)約4h24min，飛船繞地球軌道飛行兩周，總航程超過96600km；在飛行的第二周遠(yuǎn)地點(diǎn)升至約5800km，隨后乘員艙以約8900m/s的速度再入，16：29濺落于太平洋上，之后打撈回收。任務(wù)設(shè)計(jì)本質(zhì)上近似于1967年用于驗(yàn)證“阿波羅”飛船飛行控制系統(tǒng)和模擬月球任務(wù)返回再入時(shí)熱防護(hù)效果的阿波羅－4任務(wù)。這是自“阿波羅”計(jì)劃結(jié)束后42年來，美國載人航天器飛到距地如此遠(yuǎn)的太空。

美國航空航天局對此次試飛的評價(jià)為“近乎完美”。美國國內(nèi)媒體在報(bào)道此次任務(wù)的時(shí)候紛紛使用了“歷史性”、“里程碑”、“新紀(jì)元”等字眼。

1 任務(wù)背景

建造“獵戶座”飛船的最初提議是由2003年哥倫比亞號航天飛機(jī)事故以及小布什尋求美國總統(tǒng)大選連任的政治因素所致。受政策方向千變?nèi)f化之苦，“獵戶座”計(jì)劃從立項(xiàng)至今經(jīng)歷了漫長而曲折的演進(jìn)過程。它原是美國航空航天局“星座”計(jì)劃中的關(guān)鍵組成部分，本應(yīng)在2015年首飛。但到了2010年初，遭遇了資金短缺、進(jìn)度滯后、設(shè)計(jì)思路分歧等困難而延后，后來又隨著“星座”計(jì)劃的中止而重新調(diào)整。如今該飛船被寄予厚望，已成為美國航空航天局實(shí)現(xiàn)重返深空載人探索目標(biāo)的唯一載人航天器，將來用于載人登陸月球、小行星，乃至火星的計(jì)劃。

“獵戶座”雖然外形類似于“阿波羅”飛船，但技術(shù)性能有大幅提高，其分系統(tǒng)和元件采用許多創(chuàng)新技術(shù)。“獵戶座”飛船由乘員艙、服務(wù)艙和發(fā)射緊急中止系統(tǒng)構(gòu)成，此次任務(wù)未安裝太陽電池翼。飛船具有獨(dú)特的生命保障、推進(jìn)、熱防護(hù)和電子系統(tǒng)，結(jié)合其他組成部分能實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的深空任務(wù)。

首次無人探索飛行試驗(yàn)發(fā)射日期已多次推遲，先從2013年推到2014年9月，后又因讓步軍事衛(wèi)星“地球同步空間態(tài)勢感知”（GEO SSA）系統(tǒng)發(fā)射而推到12月4日。在任務(wù)的最后準(zhǔn)備階段，美國先后遭遇軌道科學(xué)公司“安塔瑞斯”火箭爆炸和維珍銀河公司太空船－2墜毀兩次重大航天事故，盡管推進(jìn)此次任務(wù)的航空航天局官員表示，無需為此改變既定計(jì)劃，但航天飛行的風(fēng)險(xiǎn)始終是他們心中的頭等大事。

12月4日，在既定發(fā)射窗口之內(nèi)，任務(wù)先后受船只誤闖發(fā)射區(qū)域、地面風(fēng)速多次超限影響而推遲，最后階段因火箭液氫閥門運(yùn)轉(zhuǎn)不正常且一時(shí)無法排除而取消發(fā)射，推遲到第2天同樣的發(fā)射窗口。

2 任務(wù)目標(biāo)

美國航空航天局和洛馬公司為此次試驗(yàn)飛行任務(wù)制定了以下目標(biāo)。

1）成功發(fā)射并將飛船送入目標(biāo)初始軌道；

2）演示驗(yàn)證上升和離軌過程中關(guān)鍵的分離事件，包括服務(wù)艙整流罩分離，發(fā)射緊急中止系統(tǒng)拋離，乘員艙/服務(wù)艙分離，前隔艙蓋拋離；

3）演示驗(yàn)證高能再入過程中熱防護(hù)系統(tǒng)的性能；

4）演示驗(yàn)證下降、著陸和回收作業(yè)。

從第一批回傳的數(shù)據(jù)看，基本實(shí)現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)，飛船系統(tǒng)性能良好。此次試飛收集的數(shù)據(jù)將在2015年4月關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審（CDR）前分析完成。

3 后續(xù)任務(wù)計(jì)劃

“獵戶座”飛船/“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）計(jì)劃于2018年前后首次組合試飛，執(zhí)行第一次探索任務(wù)（EM-1）。此前確定的第一次探索任務(wù)飛行計(jì)劃是為期10天的高月球軌道任務(wù)，后調(diào)整為25天，將把一艘無人“獵戶座”飛船發(fā)射到月球以遠(yuǎn)7×104km處的一條遠(yuǎn)距離逆行軌道上。

首次升空的“獵戶座”飛船和火箭上面級在軌飛行構(gòu)型示意圖

第二次探索任務(wù)是“獵戶座”飛船/“空間發(fā)射系統(tǒng)”的首次載人任務(wù)，在2013年初調(diào)整為“載人小行星重定向任務(wù)”（ARCM），計(jì)劃于2021年前后發(fā)射。在第二次探索任務(wù)發(fā)射前，2019年將安排一次任務(wù)，用宇宙神-5火箭發(fā)射無人的小行星捕獲飛船，前往一顆足夠小且相對接近的小行星，捕獲并在1～2年內(nèi)將其拖到月球附近。小行星就位后，“航天發(fā)射系統(tǒng)”將發(fā)射載有兩名乘員的“獵戶座”飛船到達(dá)這顆小行星并進(jìn)行艙外活動(dòng)和樣品采集。

4 結(jié)束語

對美國恢復(fù)本土載人航天發(fā)射能力意義重大

自載人航天活動(dòng)開展以來，美國一直依靠聯(lián)邦機(jī)構(gòu)—美國航空航天局發(fā)射航天員到達(dá)近地軌道和月球。2011年航天飛機(jī)退役后，美國就不再具備本土載人航天發(fā)射能力，“國際空間站”乘員輪換依靠俄羅斯“聯(lián)盟”載人飛船進(jìn)行，貨物補(bǔ)給則由俄羅斯、歐洲和日本的貨運(yùn)飛船及美國商業(yè)公司貨運(yùn)飛船實(shí)現(xiàn)。

“獵戶座”飛船返回艙濺落

如果從單純經(jīng)濟(jì)角度考慮，當(dāng)前購買俄羅斯飛船座位的花費(fèi)至少低于航天飛機(jī)或“獵戶座”飛船的成本，但在美國看來，依賴于其他國家進(jìn)入太空是不能容忍的。毫無疑問，2014年是“后航天飛機(jī)”時(shí)代到來后對于美國載人航天具有非凡意義的一年。除商業(yè)載人運(yùn)輸合同敲定外，此次“獵戶座”飛船試飛任務(wù)的成功意味著，美國距離恢復(fù)本土載人航天發(fā)射能力更近了一步。

美國已開啟新一輪的近地軌道以遠(yuǎn)載人探索活動(dòng)

20世紀(jì)60－70年代，美國成功實(shí)施了6次載人登月任務(wù)，12人親自登上月球，24人到達(dá)過近地軌道以遠(yuǎn)的空間，“阿波羅”計(jì)劃迄今仍是世界載人航天活動(dòng)的巔峰成就。1972年，阿波羅－17飛船執(zhí)行了該計(jì)劃最后一次任務(wù)，載人登月計(jì)劃就此終結(jié)，此后42年來，人類再也沒有突破過近地軌道空間的限制。

2010年4月，奧巴馬政府發(fā)布了“21世紀(jì)太空探索”新戰(zhàn)略，確定的目標(biāo)是進(jìn)行月球以遠(yuǎn)的載人深空探索并構(gòu)建新的載人航天技術(shù)體系，推動(dòng)美國載人航天事業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。2013年7月，《美國航空航天局2013財(cái)年授權(quán)法案》頒布，明確支持近地軌道以遠(yuǎn)的載人探索，稱其應(yīng)是該局的核心任務(wù)；國會強(qiáng)烈支持研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”與“獵戶座”飛船，作為近地以遠(yuǎn)載人探索、先進(jìn)科學(xué)任務(wù)和國家級優(yōu)先項(xiàng)目的使能組成部分；并進(jìn)一步規(guī)定，開發(fā)載人火星及其以遠(yuǎn)任務(wù)所需的能力和技術(shù)，既是航空航天局載人航天和技術(shù)開發(fā)計(jì)劃的最重要優(yōu)先項(xiàng)目，也是美國的國策。

火星始終作為美國可預(yù)見的載人空間探索的最終目標(biāo)

目前，美國制定了以載人登陸火星為最終目標(biāo)的戰(zhàn)略規(guī)劃并穩(wěn)步實(shí)施。在2014年11月6日舉行的新聞發(fā)布會上，美國航空航天局主管探索系統(tǒng)開發(fā)的助理副局長威廉·希爾表示，“獵戶座”飛船此次試驗(yàn)飛行任務(wù)是該局（載人）前往火星的第一塊基石。美國將發(fā)射“洞察”深度鉆巖火星著陸器和2020新型漫游車，并可能實(shí)施無人火星采樣返回任務(wù)，為將來載人火星探索奠定技術(shù)基礎(chǔ)。美國航空航天局希望，最終在21世紀(jì)30年代中期用“獵戶座”飛船結(jié)合使用深空居住艙、空間推進(jìn)級等實(shí)現(xiàn)載人繞火星軌道飛行，之后開展載人登陸火星任務(wù)。