9年后，美國恢復(fù)載人航天能力

文/ 田豐

在此次任務(wù)中，航天員道格·赫利將一面特殊的美國國旗帶上國際空間站，上面寫著“這面國旗只有從肯尼迪航天中心起飛的航天員才能取下帶回地球”。也就是說，只能等到美國下一款載人航天器的投運時，這面國旗才能重歸地球。

這一等就是整整9年。

▲ 2020年5月31日，一枚全新的獵鷹9號火箭把載人龍飛船送上太空

北京時間2020年5月31日3點22分，曾在國際空間站留下國旗的道格·赫利和另一名航天員鮑勃·貝肯搭乘太空探索技術(shù)公司的載人龍飛船，由一枚全新的獵鷹9火箭推動，從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺起飛，前往距地面400公里的國際空間站，執(zhí)行代號Demo-2的首次載人試飛任務(wù)。發(fā)射后2分38秒，獵鷹9火箭一級關(guān)機分離，10分鐘后成功在駁船上著陸回收；11分鐘后船箭分離，飛船入軌。在發(fā)射后18小時，經(jīng)多次變軌調(diào)整后的飛船終于“追上”國際空間站，并成功與之對接。經(jīng)過拉近、鎖緊、氣壓平衡等一系列操作后，兩位航天員順利進入國際空間站。

按照美國宇航局傳統(tǒng)，每位航天員都有給自己搭乘的飛船起“小名兒”的特權(quán)。發(fā)射成功后，美國宇航局公布，2名航天員給這艘“龍”飛船取名“奮進”，紀念之前乘坐過、現(xiàn)已退役近9年的同名航天飛機。接下來飛船將在空間站停留30～120天，具體返回時間取決于太陽能電池板衰減和后續(xù)任務(wù)的安排情況。

至此，美國時隔9年后終于恢復(fù)了載人航天能力，而埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的太空探索技術(shù)公司也成為了人類航天史上第一個具備載人航天能力的私營航天企業(yè)，載人龍飛船也成為了繼航天飛機后美國航天史上第5款載人航天器。

這個飛船的緣起，還要從兩次事故說起。

兩次事故產(chǎn)生空窗幾經(jīng)篩選意外中標

1986年1月，挑戰(zhàn)者號航天飛機在升空時因固體助推器O型密封環(huán)失效，凌空爆炸，7名航天員罹難。2003年2月，哥倫比亞號航天飛機在再入大氣層過程中解體，又是7名航天員遇難。

然后，請葡萄上架。把在土里趴了一冬的老藤扛起來，把它放在葡萄架上，然后用麻筋在小棍上固定住。上了架，就施肥。

兩起事故不僅使美國失去了兩架航天飛機和14名航天員，更重創(chuàng)了民眾對航天飛機安全性的信心，加之航天飛機本身發(fā)射報價昂貴，缺乏有效的逃逸設(shè)計，而機體日益老化又導(dǎo)致翻修費用居高不下，美國宇航局最終只能將航天飛機提前退役。自此，俄羅斯便事實壟斷了國際空間站航天員的運輸業(yè)務(wù)，并不斷抬高聯(lián)盟飛船座位的銷售價格。

聯(lián)盟號飛船的每座票報價，從2011年航天飛機退役時的3000萬美元一路漲至現(xiàn)在8100萬美元。即便報價如此高昂，因為沒有新的載人航天器接班，美國宇航局仍不得不繼續(xù)“咬牙”購買聯(lián)盟號飛船座票，以維持國際空間站正常運行。

▲ 從當(dāng)年阿姆斯特朗出發(fā)的地方，鮑勃和赫利出發(fā)了

其實早在航天飛機退役之前，美國宇航局就開始物色新一代飛船的承包商，經(jīng)過三個階段的觀察和篩選。“波音”“藍色起源”“內(nèi)華達山脈”和太空探索技術(shù)公司4家航企中標呼聲最高。這些公司的飛船將替代退役的航天飛機，擺脫俄羅斯聯(lián)盟號飛船的壟斷，整個項目名為“商業(yè)載人航天計劃”。

與阿波羅計劃和航天飛機時期不同，商業(yè)載人航天計劃借鑒了“商業(yè)貨運服務(wù)計劃”的成功經(jīng)驗，項目中飛船所有權(quán)歸屬企業(yè)本身，中標企業(yè)可以在滿足美國宇航局任務(wù)需求的條件下執(zhí)行太空旅游等商業(yè)航天任務(wù)，借此激勵企業(yè)創(chuàng)新并自籌部分項目資金，而美國宇航局只是購買飛船的“載人服務(wù)”。但為了控制安全、進度和經(jīng)費，該局設(shè)置了一系列“里程碑”對中標企業(yè)進行控制，如逃逸試驗、熱真空試驗、電磁兼容性試驗等，還提出了一系列設(shè)計約束。除此之外，美國宇航局盡量減少對飛船設(shè)計的介入，放權(quán)給企業(yè)的同時減少監(jiān)造人員和深、廣度，改為定期進行進度溝通。

最終經(jīng)過長達4年的觀察和評估，2014年美國宇航局正式宣布“波音”和太空探索技術(shù)公司中標，各自研發(fā)一款新型載人飛船，其中“波音”飛船名為星際線飛船，太空探索技術(shù)公司則為載人龍飛船。后經(jīng)過幾次經(jīng)費追加，“波音”累計資助額50億美元，太空探索技術(shù)公司累計資助32億美元。

▲ 安裝后的超級天龍座發(fā)動機

項目進度后發(fā)先至研發(fā)遇挫幾經(jīng)坎坷

相對于一同中標的百年航企“波音”，2002年成立的太空探索技術(shù)公司可謂是“初生牛犢”。但憑借“商業(yè)貨運服務(wù)計劃”的經(jīng)驗和第一代貨運龍飛船的技術(shù)基礎(chǔ)，加之快速迭代的設(shè)計風(fēng)格，“載人龍”研發(fā)進度一路高歌猛進，率先于2015年5月成功進行發(fā)射臺逃逸試驗。

2015年11月，太空探索技術(shù)公司進行了載入龍飛船的懸停飛行試驗，以演示超級天龍座發(fā)動機的變推力能力和飛船的懸停特性。截至載人首飛，累計完成了超過700次的超級天龍座試車。

2019年3月2日，太空探索技術(shù)公司從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺首次將載人龍飛船送入太空，執(zhí)行首次無人演示任務(wù)Demo-1。發(fā)射后27小時，載人龍飛船成功自主對接國際空間站，停留數(shù)天后順利返回地球。進度上徹底甩開試飛“翻車”的“波音”星際線飛船。

2020年1月19日，載人龍飛船順利完成“發(fā)射中逃逸試驗”，作為該船正式載人前的最后一項全船重大測試，成功證明了飛船發(fā)布時宣稱的“全程逃逸”能力。

▲ 載人龍飛船操控界面詳細圖

▲ 載人龍飛船操控界面屏幕

其實“載人龍”的研發(fā)之路并非一帆風(fēng)順。2019年4月，執(zhí)行完首次無人試飛的飛船在一次逃逸發(fā)動機的靜態(tài)點火試驗中，因管路殘留推進劑在高壓氣體作用下發(fā)生了水錘效應(yīng)，常溫推進劑與鈦制閥芯發(fā)生罕見反應(yīng)，發(fā)生劇烈爆炸，飛船全毀。除此之外，“載人龍”的降落傘也曾遇到問題，最終應(yīng)美國宇航局要求換用改進的Mark-3型降落傘，并進行了27次空投試驗驗證后方告通過，最終降落傘累計測試次數(shù)超過80次。

▲ 載人龍飛船操控界面

飛船設(shè)計激進逃逸另辟蹊徑

“載人龍”設(shè)計思路頗具新意。首先飛船采用獵鷹9 Block5型火箭發(fā)射，升空時無需整流罩，火箭一級分離后通過海上駁船回收。飛船繼承了第一代貨運龍飛船的部分設(shè)計，同樣為兩艙設(shè)計，分為加壓艙（返回艙）和非加壓艙。其中加壓艙為可重復(fù)使用設(shè)計，為提高飛船復(fù)用比率，大部分設(shè)備集中于加壓艙。非加壓艙部分主要由碳纖維構(gòu)成，僅設(shè)置有體裝式太陽能電池板等少數(shù)設(shè)備。飛船采用人、貨通用設(shè)計，載人版可用于近地軌道載人往返服務(wù)，回收后經(jīng)翻修改裝可用于無人貨運任務(wù)，能夠做到“裝上座椅運人，拆掉座椅運貨”。飛船默認設(shè)置有4個座位，設(shè)計最多可承載7名航天員。

飛船艙內(nèi)設(shè)計非常簡潔，艙內(nèi)側(cè)壁裝有3個舷窗，飛船控制主要通過3塊大尺寸觸控屏幕和少量實體按鍵實現(xiàn)。

與傳統(tǒng)飛船設(shè)計不同，“載人龍”的人機界面采用觸控界面，屏幕所顯示內(nèi)容可根據(jù)需求自由切換，3塊主屏在受損情況下可互為備份。飛船目前設(shè)計僅保留有38個實體開關(guān)和按鍵，作為應(yīng)對極端情況的最低限度控制面板。除此之外，載人龍飛船提高了自動化程度，以降低航天員的學(xué)習(xí)成本。航天員在正常情況下可以擺脫操作手冊，飛船升空、對接和返回過程均可無人操控。

▲ 放在國際空間站上9年之久的美國國旗

▲ 奮進號龍飛船和國際空間站對接

為適應(yīng)載人發(fā)射，太空探索技術(shù)公司還特別設(shè)計了一套艙內(nèi)航天服。與傳統(tǒng)航天服不同，太空探索技術(shù)公司特別聘請了時尚設(shè)計師進行外觀設(shè)計，在維持安全性水平的前提下進行了輕量化設(shè)計。此外，艙內(nèi)航天服還選用了定制化的3D打印頭盔，內(nèi)置麥克風(fēng)和聽力保護裝置。航天服采用阻燃外層材料制成。所有航天服與飛船的環(huán)控生保和通訊都集成在艙內(nèi)服大腿部分的一根管路上。為了適應(yīng)觸控界面，手套手掌側(cè)設(shè)有觸控層。頭盔面罩可以開合，軀干關(guān)節(jié)和頸部過渡段經(jīng)過特殊設(shè)計，不僅可以靈活轉(zhuǎn)動，在艙內(nèi)失壓情況可迅速密閉并充氣保壓，以保證航天員生命安全。

在飛船的逃逸設(shè)計上，太空探索技術(shù)公司采用自備動力逃逸方案，將逃逸發(fā)動機設(shè)置于飛船返回艙側(cè)壁；還專門研發(fā)了“超級天龍座”逃逸發(fā)動機，兩臺一組，互為備份，每隔90度安裝一組，總計8臺。超級天龍座發(fā)動機使用四氧化二氮/甲基肼推進劑組合，擠壓循環(huán)，可重復(fù)使用，燃燒室采用鐵鉻鎳材料經(jīng)激光3D打印技術(shù)生產(chǎn)。由于逃逸發(fā)動機貼近航天員座位，為防止發(fā)動機爆炸波及，額外設(shè)計了發(fā)動機包容殼來約束飛射物。飛船在簡化逃逸模式的同時，具備從發(fā)射臺到入軌前任何時刻啟動的“全程逃逸”能力。

除了以上直觀特性外，載人龍飛船還采用了固定的體裝式太陽能電池板，具備自動無人對接能力，配備了簡易廁所，實施登船后加注流程等，是美國新一代載人飛船中設(shè)計最激進的一款。

對于美國宇航局而言，“載人龍”的最大意義是正式恢復(fù)了美國的載人航天能力，擺脫了對俄羅斯聯(lián)盟號飛船的依賴。但對太空探索技術(shù)公司和商業(yè)航天領(lǐng)域來說，這艘飛船的意義并不止于此。

▲ 國際空間站目前對接了各種飛行器

載人龍飛船主要參數(shù)指標參數(shù) 指標干質(zhì)量 7.7噸發(fā)射質(zhì)量 9～1 5噸上行最大運力 6噸下行最大運力 3噸尺寸（高、直徑） 全高8.1米，直徑4米加壓艙外壁傾角 1 5度加壓艙（返回艙）容積 9.3立方米非加壓艙容積 3 7立方米承載人數(shù) 默認4人，最大7人自持能力 自行飛行7天，對接狀態(tài)2 1 0天供電系統(tǒng) 非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板推進系統(tǒng) 1 6臺天龍座（D r a c o）發(fā)動機，單臺推力4 0 0牛，真空比沖3 0 0秒逃逸系統(tǒng) 推式逃逸，8臺超級天龍座（S u p e r D r a c o）逃逸發(fā)動機，單臺推力7 1 0 0 0牛，海平面比沖2 3 5秒，兩臺為一組，安裝在鋁制包容殼內(nèi)推進劑組合 四氧化二氮/甲基肼雙組元推進劑，冗余設(shè)計，最大加注量2.2噸，1.3 6噸四氧化二氮，0.8 5噸甲基肼環(huán)控生保系統(tǒng)（E C L S S） 濕度控制、噪聲抑制、空氣循環(huán)、溫度控制、火災(zāi)探測和抑制底部主熱防護系統(tǒng) 第三代P I C A-X改進型酚醛浸漬碳燒蝕材料，可更換設(shè)計進入、再入、著陸與回收 四傘冗余群傘系統(tǒng)，海上濺落，專用回收船回收定位 G P S/銥星定位信標對接系統(tǒng) 采用美國宇航局對接系統(tǒng)（N A S A D o c k i n g S y s t e m），可自主無人對接，對接口蓋可開合艙內(nèi)航天服 太空探索技術(shù)公司自研的專用艙內(nèi)航天服

太空探索技術(shù)公司的新業(yè)務(wù)——太空旅游

Demo-2任務(wù)過后，首次正式航天員輪換任務(wù)Crew-1已經(jīng)提上日程，但對于這款飛船來說這不過是“份內(nèi)工作”。商業(yè)運作的意義不僅是政府訂單，也包括有利可圖的“私活”或著說“外塊”，這正是飛船所屬權(quán)歸企業(yè)所釋放的自由度。

▲ 美國宇航局局長和2名航天員玩起自拍

▲ 在肯尼迪發(fā)射中心周邊觀看的民眾

目前太空探索技術(shù)公司已經(jīng)承接了兩單太空旅游項目，其中第一單通過一家名為“太空冒險”的代理公司完成，將有4名付費乘客，不對接國際空間站，預(yù)計明年由載人龍飛船獨立完成，耗時約5天。更重要的是，這次旅行將不設(shè)專業(yè)航天員，由飛船自主發(fā)射、自主在軌、自主返回。對于“取消司機”這件事，載人龍飛船從設(shè)計伊始就有所考慮，無論是大幅簡化的人機界面，高度自動化的飛控系統(tǒng)，內(nèi)置簡易廁所，可定制的艙內(nèi)航天服和簡化的維生管路，都瞄準著商業(yè)太空游。在商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射需求下滑，太空探索技術(shù)公司面臨“有箭無單”的今天，太空旅游或?qū)⒊蔀楣拘碌挠麢C會。

▲ 載人龍在廠房

另一種太空旅游模式是游客入住國際空間站，飛船僅作為擺渡車，這樣乘客體驗更佳，飛船環(huán)控生保的壓力也更小。為此，美國宇航局在去年就已經(jīng)正式公布了國際空間站的商業(yè)化服務(wù)價目表，里面就包括了游客前往國際空間站衣、食、住、行的價格，便于太空旅游企業(yè)通過國際空間站提供旅游服務(wù)。

說到模式，其實最理想的服務(wù)模式是搭車模式，也就是傳說中的“四贏模式”。由于國際空間站正常輪換人數(shù)為3～4人，少于“載人龍”最大載客量7人，如果其余座位全部賣給游客，游客搭車進入國際空間站，就會形成一種“四贏結(jié)局”：美國宇航局可以借此要求太空探索技術(shù)公司打折每次輪換任務(wù)費用，節(jié)省國際空間站的運營費用；太空旅游公司可以出租商業(yè)艙段獲得利潤；游客可以通過“搭車”獲得費用減免；而太空探索技術(shù)公司作為主要承包商，可以有效利用自家飛船和火箭，將利潤收入囊中。

只有打通了航天游的模式，進一步降低航天旅游的成本，才能吸引更多的游客，形成產(chǎn)業(yè)鏈的正反饋，才有動力去研發(fā)更好的游客飛船和業(yè)務(wù)。隨著時間的推移，未來若“復(fù)用火箭+復(fù)用飛船”的組合能經(jīng)過評估并投入載人發(fā)射，太空旅游的門票或?qū)⒏拥土H民。