“載人龍”飛船成功實現世界首次載人飛船重復使用

苑藝 王功波（北京空間科技信息研究所, 中國航天員科研訓練中心）

2021年4月23日，美國太空探索技術公司（SpaceX）在佛羅里達州肯尼迪航天中心39A發射臺利用獵鷹－9（Falcon－9）運載火箭成功發射“載人龍”（Crew Dragon）飛船，執行第二次“國際空間站”（ISS）業務化商業乘員運輸服務，實現世界首次載人飛船重復使用，以及首次復用火箭和復用飛船組合執行載人發射任務。“載人龍”飛船搭載的4名航天員計劃在軌開展為期約6個月的長期考察任務，期間將部署新型太陽電池陣列，繼續提升“國際空間站”長期在軌運行能力，確保近地軌道持續有人存在。

1 任務概況

此次任務代號為乘員－2（Crew－2），是“載人龍”飛船第2次正式商業乘員運輸服務任務，也是該型飛船第3次執行載人飛行任務。此次任務所采用的獵鷹－9火箭和“載人龍”飛船此前均執行過載人航天任務，回收后重復使用，再次執行載人航天任務。

乘員－2任務實現了4個首次，即首次使用復用的“載人龍”飛船和復用的獵鷹－9火箭組合執行載人發射任務；商業乘員任務首次攜帶2名來自國際合作伙伴的航天員前往“國際空間站”；兩次商業乘員任務的航天員首次實現在軌任務交接，乘員－1和乘員－2任務的航天員同時在軌7天，站上總人數暫時性達到11人；“國際空間站”首次同時對接2艘商業載人飛船。

此次任務中，“載人龍”飛船搭載的4名航天員分別是美國國家航空航天局（NASA）的謝恩·金布羅（Shane Kimbrough）、梅根·麥克阿瑟（Megan McArthur）、日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）的星出彰彥（Akihiko Hoshide）和歐洲航天局（ESA）的托馬斯·佩斯凱（Thomas Pesquet）。JAXA的另1名航天員古川聰（Satoshi Furukawa）和ESA的另1名航天員馬提亞斯·毛瑞爾（Matthias Maurer）擔任備份航天員。

乘員－2任務的4名航天員抵達“國際空間站”后，首先加入站上乘員開始執行第65次長期考察任務，開展一系列空間站建造維護工作和科學實驗項目。此次航天員的主要任務包括：安裝“國際空間站”可推出太陽電池陣列（Roll Out Solar Arrays）；開展一系列“太空中組織芯片”（Tissue Chips in Space）實驗研究；開展“微重力環境下人體免疫缺陷表征”（CHIME）實驗項目；參與“乘員對地觀測”（CEO）項目等。

2 重復使用情況

本次任務重復使用情況

本次任務中，獵鷹－9運載火箭一子級曾于2020年11月執行乘員－1載人發射任務，“載人龍”飛船則是執行過演示－2（Demo－2）載人飛行試驗任務的奮進號（Endeavor）飛船。

奮進號“載人龍”飛船曾于2020年5月執行演示－2任務，并于2020年8月返回，濺落在佛羅里達州以西的墨西哥灣上。隨后，SpaceX公司與NASA工作人員合作，花費數月對飛船進行翻修，用以執行本次飛行任務。為確保乘員安全，通常情況下“載人龍”飛船的翻修需要對艙內的部分閥門、熱防護系統組件、降落傘系統等進行替換。此次翻修過程中，SpaceX公司還對飛船進行了其他重要改進，使飛船具有更寬松的發射和著陸氣象條件準則。其中一項是對結構進行加強，使飛船能夠在更大風速和浪高情況下返回并濺落，擴大著陸窗口；另一項重要改進是增加逃逸系統推進劑的加注量，提升飛船的發射中止性能，降低發射限制，使飛船在地面風速較強的情況下也可以發射。

奮進號“載人龍”飛船首次濺落圖（左）和首次翻修圖（右）

系統重復使用設計

“載人龍”飛船任務整個大系統具備可重復使用能力，獵鷹－9運載火箭一子級、“載人龍”飛船乘員艙均可回收，僅獵鷹－9火箭第二級和飛船非密封艙無法回收，且發射過程不需要使用整流罩。

“載人龍”飛船將核心的高價值設備均布置在乘員艙，非密封艙僅有太陽電池、熱輻射器等設備，飛船返回時高價值的電子設備、傳感器、推進設備、對接機構等均隨飛船一起回收。例如，飛船采用了集成式發射逃逸系統，返回時自逃逸系統和飛船一起回收。SpaceX公司官方未明確公布“載人龍”飛船重復使用的部件和需要補充的部件，綜合多方信息，已知“載人龍”系統設計可重復使用部件及需要補充/替換部件如下。

“載人龍”飛船重復使用情況

同時，“載人龍”飛船返回過程環境嚴峻，為保證設備回收和復用，采用了一系列獨特的設計。飛船通過海面濺落方式回收，每臺“超級天龍座”（SuperDraco）發動機配備了密封口蓋，一方面保證逃逸時口蓋快速破壞，另一方面確保正常返回時避免發動機被海水浸泡侵蝕。飛船再入過程中燒蝕較為嚴重，為保護頭部的對接機構和傳感器不被燒蝕，配備了頭錐保護罩，在軌工作時打開，返回時關閉。頭錐接合處安裝了密封襯墊，襯墊能夠承受長期在軌的熱真空、輻射、原子氧的作用，確保在地面環境下保護飛船不受降水、冷熱、大風的影響，并在海面濺落時保護內部設備。

系統重復使用分析

“載人龍”飛船實現了世界首次載人飛船重復使用并載人飛行，SpaceX公司計劃通過系統回收并重復使用開展多次任務，降低任務整體成本。但在現階段，載人飛船重復使用并沒有達到穩定的狀態，而是一個逐步深化的過程。

“載人龍”飛船最初設計重復使用10次，隨著研制工作的推進，其設計指標比最初計劃有所下降，2020年，SpaceX公司提出飛船可使用5次，并表示當前階段重復使用次數僅為設計值，具體取決于回收后飛船的實際情況。以獵鷹－9火箭、貨運“龍”飛船作為參考，獵鷹－9火箭持續迭代設計，首飛6年后經過13次任務才完成首次回收，首飛7年后經過31次任務實現首次復用，逐步使重復使用技術發展成熟，目前已實現同一枚一子級10次發射（9次復用）；貨運“龍”飛船經過12次任務才實現首次復用，目前已實現同一艘飛船執行3次貨運任務。對于“載人龍”飛船而言，基于獵鷹－9和貨運“龍”飛船的基礎，飛船首次載人回收后即實現復用，但其進一步重復使用仍需要持續試驗、逐步改進。

獵鷹－9系列火箭、貨運“龍”飛船復用情況梳理

3 后續任務規劃

SpaceX公司獲得了NASA授予的2期貨運合同，共需向“國際空間站”提供26次“商業補給服務”，目前已完成了21次任務；同時，SpaceX公司還獲得了商業乘員運輸合同，共需向“國際空間站”提供6次乘員運輸服務，每次任務將最多搭乘4名航天員，同時向“國際空間站”運送100kg貨物，本次為第2次任務；此外，“載人龍”飛船還將提供私人發射服務。

為向“國際空間站”提供定期、高密度、可快速重復使用的乘員和貨物運輸服務，并開展商業太空旅游業務，SpaceX公司計劃發展由5～6艘“載人龍”飛船和3艘“貨運龍”飛船組成的第二代“龍”飛船編隊。

“載人龍”飛船方面，目前，SpaceX公司有3艘飛船正在使用，飛船編號分別為C205、C206（奮進號）、C207（堅韌號），另有3艘飛船在建。除本次任務外，后續，SpaceX公司計劃重復使用堅韌號“載人龍”飛船用于執行“鼓舞四人組”（Inspiration4）任務和公理－1（AX－1）任務，實現堅韌號“載人龍”飛船的首次重復使用和二次重復使用。堅韌號“載人龍”飛船曾于2020年11月16日－2021年5月2日首次飛行，成功執行乘員－1任務，目前分別計劃于2021年9月執行“鼓舞四人組”任務，實現“載人龍”飛船的首次私人發射任務，攜帶4名乘客抵達540km軌道并開展科學實驗，飛行3天后返回；2022年1月,公理－1任務計劃執行，實現載人飛船首次攜帶全部4名私人乘客前往“國際空間站”，在軌停靠8天，總計飛行約10天后返回。通過重復使用，SpaceX公司將有能力利用5～6艘“載人龍”飛船完成NASA授予的6次乘員運輸任務，以及開展多次商業載人服務。

4 結束語

SpaceX公司“載人龍”飛船成功實現世界首次利用重復使用的載人飛船將航天員送入軌道，后續該公司還計劃進一步提升飛船復用能力，以“載人龍”飛船為代表的新型載人航天系統將推動世界載人航天能力進一步提升。SpaceX公司基于第二代“龍”飛船建立天地往返系統編隊，服務政府和私人用戶，已經成為載人航天商業化發展的重要力量。