“載人龍”飛船首次正式商業乘員運輸任務分析

何慧東 （北京空間科技信息研究所）

美國東部標準時間2020 年11 月15 日19:27（北京時間11 月16 日08:27），太空探索技術公司（SpaceX）“載人龍”飛船（Crew Dragon）由獵鷹-9（Falcon-9）運載火箭從肯尼迪航天中心第39A 發射臺發射，執行首次“國際空間站”業務化商業乘員運輸服務。“載人龍”飛船經過27.5 小時的飛行后與“國際空間站”對接，飛船搭載了美國籍的邁克爾·霍普金斯、維克多·格洛弗、香農·沃克和日本籍野口聰一等4 名航天員，航天員將在“國際空間站”開展為期約6 個月的科學任務。

1 任務背景

隨著航天技術的發展，近地軌道載人航天技術日趨成熟，美國政府層面將下一步目標定位于更具挑戰性的載人月球/深空探索；同時，在2011 年航天飛機退役后，美國只能依靠俄羅斯“聯盟”（Soyuz）飛船執行載人航天飛行任務。在此背景下，美國國家航空航天局（NASA）積極推動將近地軌道載人航天活動移交商業公司。

目前，美國商業貨運補給已發展成熟，正式投入服務超過8 年，“龍”（Dragon）飛船、“天鵝座”（Cygnus）飛船等商業貨運飛船累計為“國際空間站”提供了34 次貨運補給服務。商業乘員運輸正在發展之中，NASA 支持了SpaceX 公司“載人龍”飛船和波音公司“星際客船”（CST-100 Starliner）的研發工作，兩型載人飛船均在2019 年開展了無人飛行試驗，“載人龍”飛船在2020 年成功開展了發射逃逸試驗、載人飛行試驗，率先完成全部認證工作，正式投入業務化商業乘員運輸服務。

2 任務發展歷程

NASA 通過發展商業乘員運輸計劃向“國際空間站”往返運送航天員。在“商業乘員計劃”（CCP）框架下，SpaceX 公司獲得了NASA 四個階段的合同，用于開展飛船的設計、研制、試驗、生產、運行等各項工作，合同總金額約31.53 億美元。

“載人龍”飛船項目研制合同匯總

“載人龍”飛船項目歷經10 年的設計、研制、試驗，獲得最終認證。期間，SpaceX 公司根據研制計劃開展了4 次“載人龍”飛船重大飛行試驗任務，分別是：發射臺逃逸試驗、飛行過程逃逸試驗、無人飛行試驗和載人飛行試驗。

“載人龍”飛船發射臺逃逸試驗，飛船從試驗臺飛離

“載人龍”飛船無人飛行試驗，飛船與“國際空間站”對接

“載人龍”飛船發射逃逸試驗，飛船分離后，獵鷹-9 火箭爆炸

“載人龍”飛船載人飛行試驗，航天員安全返回

3 任務基本情況

此次任務代號為乘員-1（Crew-1），是“載人龍”飛船首次正式商業乘員運輸服務任務，也是該型飛船的第2 次載人飛行任務。

執行此次任務的航天員將飛船命名為堅韌號（Resilience），一方面象征NASA、SpaceX 公司、任務乘組近年的堅持和努力，另一方面象征全世界在新冠疫情等重大挑戰中面對壓力、克服困難。任務圖標中間是“龍”、數字“1”和“載人龍”飛船的形狀，外環上方是“國際空間站”，下方是航天飛機、“阿波羅”（Apollo）、“雙子座”（Gemini）和“水星”（Mercury）的標識，代表美國歷史上發展過的載人運輸系統。

“載人龍”飛船Crew-1 任務圖標

飛行方案

（1）發射入軌

本次任務發射過程按照NASA 和SpaceX 公司確定的操作程序進行，獵鷹-9 運載火箭在零發射窗口點火，順利將“載人龍”飛船送入預定軌道，并成功實現運載火箭第一級的海上垂直回收。

（2）交會對接

“載人龍”飛船入軌后，乘員和地面控制中心對飛船環控生保系統、推進系統、熱控系統等進行測試，隨后飛船進行一系列調相機動，追趕“國際空間站”。“載人龍”飛船從徑向接近空間站，隨后轉移至速度方向（V-bar，即前方），經過約27.5 小時的飛行，于北京時間11 月17 日12：01 與“國際空間站”和諧號節點艙前端的“國際對接適配器”（IDA）對接。

“載人龍”飛船Crew-1 任務乘組

“載人龍”飛船結構圖

完成對接后，“載人龍”飛船和“國際空間站”進行壓力平衡，隨后打開艙門，4 名航天員進入空間站，成為第64 長期考察組乘員。

（3）返回回收

4 名航天員計劃在“國際空間站”工作約6 個月，站上任務結束后，“載人龍”飛船將搭載4 名航天員自主與“國際空間站”分離。隨后飛船減速、再入大氣層，濺落在佛羅里達州附近的海面上。SpaceX 公司的回收船將迅速回收飛船，接回航天員，返回卡納維拉爾角。

系統設計

（1）“載人龍”飛船

“載人龍”飛船是美國政府資助、SpaceX 公司研制的新一代載人飛船。未來，NASA 只需支付政府航天員運送費用，而由SpaceX 公司完成載人飛船的研制、發射和運行任務。

“載人龍”飛船具有可重復使用、乘員運輸能力強、內部空間大、操作友好等特點，能夠執行低成本、業務化的低地球軌道載人航天飛行任務。“載人龍”飛船采用兩艙段設計方案，包括乘員艙和非密封艙兩部分：乘員艙用于運送乘員和加壓貨物；非密封艙可攜帶非加壓貨物，同時在外表面安裝了太陽電池和熱輻射器用于發電和熱控制，4 個尾翼在緊急分離情況下可提供氣動穩定性。

飛船設計最多可搭乘7名航天員，獨立飛行時可工作1 周，對接狀態下可工作210 天。飛船直徑4m，高度8.1m，加壓容積達9.3m3，非加壓容積達37m3，發射質量超過12000kg，上行載荷能力6000kg，下行載荷能力3000kg， 處理廢棄物800kg。

“載人龍”飛船還具有高安全性的特點。NASA對于商業飛船有著極端苛刻的安全性要求，遠高于歷史上各型載人航天器，包括“聯盟”飛船、航天飛機等系統。

（2）獵鷹-9 運載火箭

“載人龍”飛船由獵鷹-9 v1.2 Block-5 運載火箭發射。獵鷹-9 系列火箭是SpaceX 公司研制的可重復使用運載火箭，由NASA“商業軌道運輸服務”（COTS）計劃部分資助，已成為美國主力運載火箭之一，火箭一級陸上回收和海上回收技術也已成熟。

獵鷹-9 運載火箭先后研制了v1.0、v1.1、v1.2 等多個型號，與早期型號相比，全推力型（v1.2）采用了更長的二級火箭和密度更大的推進劑，運載能力大幅提升。獵鷹-9 v1.2 Block-5 是第5 批次生產的全推力型火箭，可滿足NASA 載人任務發射要求，火箭為二級火箭，全長70m，直徑3.7m，發射質量549t，低地球軌道運載能力22.8t，地球同步轉移軌道運載能力8.3t。

4 分析與思考

首次商業乘員運輸任務意義重大，標志美國正式恢復載人航天運輸能力

“載人龍”飛船成功開啟首次正式任務，這是世界首次利用商業載人飛船執行商業乘員運輸服務，也是美國航天飛機退役后首次業務性地將航天員送入軌道。

美國已補齊載人航天運輸短板，擺脫對俄羅斯“聯盟”飛船的依賴。美國從2006 年開始購買俄羅斯“聯盟”飛船的座位，2011 年航天飛機退役后暫時失去乘員運輸能力，只能依靠“聯盟”飛船開展乘員運輸，維持在“國際空間站”上的存在。從2011年起“聯盟”單座位價格持續增長，截至2019 年底，NASA 累計購買了70 個座位，總共向俄羅斯支付了39 億美元。

此次任務取得成功，標志著美國正式恢復乘員運輸能力，SpaceX 公司也成為全球第一家具備獨立載人航天能力的商業公司。

載人航天商業化發展模式取得成效，商業公司成為載人航天重要力量

“載人龍”飛船任務成功發射，驗證了美國“商業乘員計劃”發展模式，商業航天成為美國載人航天活動中的一個重要力量。美國政府采用了創新的項目和合同管理模式：傳統模式中，NASA 負責項目整體管理和運行，研制工作向承研商層層分包；在“商業乘員計劃”中，入選的商業公司負責項目的整套運營，包括總體設計、研制、試驗、發射和運營管理等，NASA 僅采購乘員運輸服務，并負責進度、安全監管及技術支持，提升商業公司在項目研制和運作上的自主性、靈活性。同時，NASA 通過評估里程碑事件完成情況，決定后續資金投入，以此有效提高工作效率和效果。通過上述手段，NASA 從傳統的購買產品或服務，轉為與工業界合作，幫助其開發近地軌道運輸服務，支持SpaceX 公司等商業公司成為載人航天領域新的力量級。

鑒于商業貨物補給和商業乘員運輸計劃的成功，美國后續將持續推進商業載人航天發展，一方面提升近地軌道載人航天活動能力，另一方面將此模式拓展應用到“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃中，支持商業航天企業開展地月空間貨物補給、著陸器研制等工作。

飛船采用全新設計思路和方案，任務綜合效能顯著提升

載人飛船系統經過60 年發展，設計思路幾經變革，針對新的任務場景，SpaceX 公司的“載人龍”飛船明確往返運輸功能定位，采用了創新的設計思路和方案。“載人龍”飛船采用兩艙段設計，加壓空間集中在一個艙段內，內部空間更大，航天員舒適度大幅提升，飛船最多能搭乘7 名航天員，運載能力達到航天飛機同等水平。飛船還采用了簡潔化座艙設計，信息化水平大幅提高，高度電子集成和平板顯示降低了飛船操作難度，對航天員十分友好，安全性、操作性大幅改善。整體看，“載人龍”飛船等新一代載人飛船相較上一代的“聯盟”飛船技術能力有顯著提升，發射質量、最大乘員人數大幅增加，任務適應性更加強大。

飛船引入重復使用、自逃逸、先進制造等新技術，整體性能躍升

“載人龍”飛船整個大系統均具備可重復使用能力，獵鷹-9 運載火箭一級、“載人龍”飛船乘員艙均可回收，僅獵鷹-9 火箭二級和飛船非密封艙無法回收，通過重復使用開展多次任務有望大幅降低成本。此外，“載人龍”飛船設計了自逃逸系統，發射時飛船直接安裝在運載火箭上，不需要使用逃逸塔和整流罩，可在發射全過程提供乘員逃逸能力。飛船的制造環節也使用了3D 打印、新材料等一系列新技術實現提質增效。“超級天龍”（SuperDraco）發動機燃燒室采用3D 打印技術制造，由高性能鎳鉻基高溫合金（Inconel）采用金屬粉末激光直接燒結工藝制成，這種材料具有高強度，可提高發動機可靠性。憑借3D 打印技術，僅用傳統制造方法的一小部分成本和時間就可制造出高性能的發動機零件。熱防護系統使用的新型PICA-X 隔熱罩能夠承受多次高溫燒蝕而不呈現嚴重退化，針對月球或火星飛行任務也無需任何改動，提升了“載人龍”飛船熱防護能力，簡化了重復使用所需的維護操作。

飛船采用多種舉措降低成本，但并未達到最初設計值

NASA 授予SpaceX 公司的合同總金額約31.53億美元，根據合同SpaceX 公司需要利用“載人龍”飛船開展2 次試驗飛行和6 次乘員運輸服務，正式任務中，每次飛船將向“國際空間站”運送4 名NASA航天員，同時可以運送1 名太空游客。

如果從總價格折算，均攤研發費用后平均每次任務價格3.94 億美元（包括獵鷹-9 運載火箭每次約6000 萬美元的發射費用），單座價格約9850 萬美元。如果分開計算飛船的研制和生產費用，“載人龍”飛船的總研制費用約17.45 億美元，后續正式任務每次費用約2.35 億美元（包括獵鷹-9 火箭約6000 萬美元的發射費用），單座價格約5800 萬美元。從成本看，“聯盟”飛船最新報價達到每座9000 萬美元，“載人龍”飛船均攤研發費用后的單座價格與“聯盟”大致相當，不均攤研發費用情況下，單座位價格低于“聯盟”飛船，但與SpaceX 公司最初宣稱的每座位2000萬美元存在較大差距。

當前階段，美國推動“載人龍”飛船發展，能夠適度降低任務成本，但更為重要的是使美國重新獲得載人航天自主性，并推動載人航天能力進步。