“載人龍”飛船成功開啟首次載人飛行試驗

孫冠杰 何慧東

（1 中國空間技術(shù)研究院 2 北京空間科技信息研究所）

美國東部時間2020年5月30日15:22（北京時間5月31日03:22），美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心39A發(fā)射臺利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭成功將“載人龍”（Crew Dragon）飛船發(fā)射入軌，開展載人飛行試驗任務(wù)。船箭分離后，“載人龍”飛船在飛行約19h后與“國際空間站”（ISS）成功對接。此次任務(wù)是“載人龍”飛船首次載人航天飛行，也是航天飛機退役后時隔近9年美國再次自主將本國航天員送入軌道。

1 項目背景

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，近地軌道載人航天技術(shù)日趨成熟，美國政府層面將下一步目標(biāo)定位于更具挑戰(zhàn)的載人月球及深空探索；同時，在2011年航天飛機退役后，美國只能依靠俄羅斯“聯(lián)盟”飛船執(zhí)行載人航天飛行任務(wù)。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(yè)公司。目前，美國商業(yè)貨運補給已正式投入服務(wù)近8年，商業(yè)乘員運輸正在發(fā)展之中，NASA支持的SpaceX公司“載人龍”飛船和波音公司“星際客船”（Starliner）均在2019年開展了無人飛行試驗，“載人龍”飛船計劃在2020年下半年投入正式乘員運輸服務(wù)。

2 任務(wù)方案

“載人龍”飛船載人飛行試驗任務(wù)代號為演示－2（Demo－2），是航天飛機退役后美國首次從本土利用本國航天器將航天員送至“國際空間站”，也是該飛船的最終試驗任務(wù)。任務(wù)對“載人龍”飛船發(fā)射、交會、自主對接、停泊、再入、濺落、回收的整個飛行程序進行全流程測試和認(rèn)證。

根據(jù)NASA與SpaceX公司的合同，載人飛行試驗完成后，NASA和SpaceX公司將檢查所有數(shù)據(jù)，完成“載人龍”飛船的認(rèn)證工作。NASA將正式進入商業(yè)乘員運輸階段，授予SpaceX公司6次乘員運輸任務(wù)，每次任務(wù)將最多搭乘4名航天員，同時向“國際空間站”運送100kg貨物。

發(fā)射入軌

本次任務(wù)發(fā)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(fā)射窗口點火，順利將“載人龍”飛船送入預(yù)定軌道，并成功實現(xiàn)運載火箭第一級的海上垂直回收。

“載人龍”飛船載人飛行試驗任務(wù)圖標(biāo)

獵鷹－9火箭發(fā)射“載人龍”飛船任務(wù)剖面

此次載人飛行試驗任務(wù)原定美國東部時間5月27日16：33發(fā)射，由于天氣原因，任務(wù)在距離發(fā)射17min前取消，推遲至備用發(fā)射窗口。地面控制抽空獵鷹-9運載火箭燃料，隨后航天員關(guān)閉飛船發(fā)射逃逸系統(tǒng)，登船通道就位后，航天員出艙返回。任務(wù)并未因美國總統(tǒng)特朗普、副總統(tǒng)彭斯前來觀看而強行發(fā)射。從氣象條件看，美國第45太空中隊5月27日發(fā)射前給出的氣象報告，發(fā)射期間有50%的概率超出允許氣象條件，遭遇降水、積雨云、積云、卷層云等。“載人龍”飛船發(fā)射任務(wù)對氣象條件較為敏感，需要確保運載火箭穿過大氣層時的氣象條件，同時還需要確保發(fā)射逃逸著陸海域、運載火箭第一級海上回收區(qū)域的氣象條件。

“載人龍”飛船發(fā)射過程示意圖

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(huán)控生保系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等進行測試，隨后飛船進行一系列調(diào)相機動，追趕“國際空間站”。

“載人龍”飛船與“國際空間站”交會對接任務(wù)剖面

“載人龍”飛船與“國際空間站”交會對接示意圖

“載人龍”飛船與貨運“龍”飛船的接近軌跡不同。貨運“龍”飛船從徑向（R-bar，即天底方向）接近“國際空間站”，在加拿大臂－2（Canadarm－2）工作范圍內(nèi)停止，由機械臂抓捕后與對接口對接；“載人龍”飛船則從徑向接近空間站，隨后轉(zhuǎn)移至速度方向（V-bar，即前方），與和諧號節(jié)點艙前端的“國際對接適配器”（IDA）對接。

“載人龍”飛船能夠自主完成接近和對接，但船上和空間站上航天員會持續(xù)監(jiān)控接近和對接過程，在必要時接管飛船進行人工控制。“載人龍”飛船經(jīng)過約19h的飛行，于美國東部時間5月31日10：16成功與“國際空間站”軟對接，10：27完成對接機構(gòu)鎖定，13：02打開艙門。

打開艙門后，2名航天員進入空間站，并成為第63批長期考察組成員。航天員將在站上對“載人龍”飛船進行一系列測試，并與站上其他航天員開展科學(xué)實驗等其他任務(wù)。

最初計劃的載人飛行試驗中，2名航天員僅在“國際空間站”駐留2周。在新的飛行計劃中，由于目前站上僅有3名航天員（美國籍克里斯·卡西迪，俄羅斯籍阿納托利·伊萬申、伊萬·瓦格納），NASA決定延長駐留時間，支持空間站的維護和運行工作。“載人龍”飛船上的2名航天員將在站駐留30～119天，具體任務(wù)時長尚未確定，要綜合考慮試飛任務(wù)需要、飛船太陽電池性能下降情況、空間站計劃安排等多種因素。在對接期間，控制人員將每周“喚醒”飛船一次，測試太陽電池和其他系統(tǒng)的性能。

返回回收

空間站上任務(wù)結(jié)束后，“載人龍”飛船將搭載2名航天員自主與“國際空間站”分離；隨后進行軌道機動，將星下點軌跡與著陸區(qū)對準(zhǔn)；之后飛船拋掉非密封艙以減輕離軌點火時的質(zhì)量，乘員艙進行約12min的離軌點火，再入地球大氣層減速；減至安全速度后，飛船在5500m高度附近打開2具引導(dǎo)傘，在2000m高度附近打開4具主傘進行進一步減速。根據(jù)設(shè)計，飛船以約7.6m/s的速度濺落在佛羅里達(dá)州以東的大西洋上，著陸后飛船切斷主傘；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。

3 航天員乘組

此次任務(wù)中，“載人龍”飛船搭載了2名航天員，分別是NASA的道格·赫爾利和鮑勃·本肯。道格·赫爾利在航天飛機最后一次任務(wù)（STS－135）中擔(dān)任駕駛員，本次任務(wù)擔(dān)任航天器指揮官，負(fù)責(zé)發(fā)射、著陸和回收等工作；鮑勃·本肯擔(dān)任聯(lián)合操作指揮官，負(fù)責(zé)交會、對接、離站，以及飛船與空間站對接期間的各項工作。

4 系統(tǒng)方案

“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(fā)射和運行任務(wù)。“載人龍”飛船具有可重復(fù)使用、乘員運輸能力強、內(nèi)部空間大、操作友好等特點，能夠執(zhí)行低成本、業(yè)務(wù)化的近地軌道載人航天飛行任務(wù)。

“載人龍”飛船返回回收任務(wù)剖面

“載人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計方案，包括乘員艙和非密封艙兩部分，設(shè)計最多可搭乘7名航天員，執(zhí)行NASA任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)搭乘4名航天員，獨立飛行時可工作1周，對接狀態(tài)下可工作210天。飛船直徑4m，高度8.1m，加壓容積9.3m3，非加壓容積37m3，上行載荷能力6000kg，下行載荷能力3000kg，能處理廢棄物800kg。

SpaceX公司“載人龍”飛船及航天服

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(fā)射。獵鷹－9系列火箭是SpaceX公司研制的部分可重復(fù)使用運載火箭，截至2020年4月底，獵鷹－9系列火箭累計成功實施83次發(fā)射任務(wù)，其中31次使用的是重復(fù)使用的運載火箭，成功完成了44次火箭第一級陸上回收和海上回收。

獵鷹－9 V1.2 Block－5是全推力型火箭的最新型號，可滿足NASA載人任務(wù)發(fā)射要求，火箭為二級火箭，全長70m，直徑3.7m，發(fā)射質(zhì)量549t，低地球軌道運載能力22.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力8.3t。

5 結(jié)束語

“載人龍”飛船成功開啟載人飛行試驗意義重大，此次任務(wù)是時隔9年美國再次自主將航天員送入軌道，標(biāo)志著美國重新具備了載人航天飛行能力。美國各界高度重視此次任務(wù)，認(rèn)為此次任務(wù)具有“高度優(yōu)先級”，將“開啟新的載人航天時代”；美國總統(tǒng)特朗普和副總統(tǒng)彭斯更是在三天內(nèi)兩度前往肯尼迪航天中心觀摩發(fā)射活動，見證這一歷史性時刻。“載人龍”飛船試驗任務(wù)成功發(fā)射，驗證了美國商業(yè)乘員計劃發(fā)展模式，商業(yè)航天成為美國載人航天活動中的一個重要力量，美國后續(xù)將持續(xù)推進商業(yè)載人航天系統(tǒng)發(fā)展，提升近地軌道載人航天活動能力；同時，此次任務(wù)也成為美國未來載人空間探測的一個轉(zhuǎn)折點，為未來月球、火星和更遠(yuǎn)范圍的任務(wù)奠定了堅實基礎(chǔ)，美國已提出將此模式應(yīng)用到“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃中，支持商業(yè)航天企業(yè)開展地月空間貨物補給、著陸器研制等工作。