杂志汇太空探索

▲ 载人型龙飞船内的触摸屏操作系统作为航天业的新秀，太空探索技术（SpaceX）公司近些年的发展可谓风生水起。在载人航天领域，SpaceX公司之前虽然从未将航天员送入太空，但从2012年就已经开始为国际空间站提供“快递服务”。SpaceX公司研发的货运型龙飞船是美国宇航局（NASA）主导的国际空间站商业货运计划的主力飞船，迄今为止已经成功为国际空间站运送了14次货物。相比俄罗斯进步号货运飞船等其他以主动焚毁方式返回地面的货运飞船，龙飞船最鲜明的特征就是其出众的下行货物运输能力。由于龙飞船的加压舱使用可回收复用设计，因此在每次返回地面时都能将国际空间站约3吨的各类科学实验样品带回地球，大大缓解了国际空间站的下行运输压力，而此次入选商业载人航天计划的载人型龙飞船，是SpaceX公司在货运版龙飞船成功经验的基础上，针对载人任务而全新设计的一款飞船。

基本设计

载人型龙飞船也被称为龙飞船2代。从外观上看，这种飞船采用了和波音的CST-100飞船及NASA的猎户座飞船类似的两舱式结构。但在SpaceX公司对外发布的信息中，飞船分为了三部分。第一部分为头锥，在飞船发射升空时，头锥为整个飞船和头锥内部的对接系统提供保护。头锥和飞船通过铰链相连，在飞船与空间站对接时打开，在飞船撤离空间站时关闭，同飞船本体一同返回地面，从而实现了重复利用。第二部分为飞船本体，除了为航天员的飞行提供空间和保障外，飞船本体上还安装了降落伞、逃逸发动机、姿态控制发动机等装置。而飞船尾部的第三部分，外形与其他飞船的服务舱类似，但被SpaceX公司称为“躯干”。与其他飞船在服务舱上布置提供飞船主要推力的发动机不同的是，载人型龙飞船的躯干上没有安装发动机，只在表面铺设了太阳能电池阵列和热辐射器。 由于不再设置太阳能帆板，因此载人型龙飞船无需进行帆板展开，减小了出现问题的可能性。此外，躯干还能在飞船逃逸时提供气体动力学稳定功能。

载人型龙飞船一次最多可将4名航天员送入太空，可以独立在太空中飞行一周。目前，spaceX公司计划在第一次和第二次载人任务时，只安装了2个座椅，对接到国际空间站后，飞船能够工作180~210天。虽然飞船储存的气体可以让飞船在出现微小泄露时仍能维持航天员们的呼吸，直至返回地面，但在关键飞行过程中，航天员们仍然会穿着SpaceX公司为飞船配套设计的航天服，以应对飞船快速释压的险情。

在触屏手机和平板电脑大行其道的年代，载人型龙飞船的控制系统也采用了触摸屏作为主要显示方式，可为航天员提供飞船关键状态和飞船健康状况的感知。龙飞船具备自动驾驶和对接的功能，可以在航天员们完全不管的情况下自动完成与国际空间站的对接，且对接过程无需像货运型龙飞船那样，借助空间站上的机械臂帮助。在座舱内，生命保障系统为航天员们提供湿度合适的新鲜空气，将座舱内的气压和二氧化碳浓度保持在适宜的范围内。一旦飞船发生火警，防火系统会迅速确定起火点并将火扑灭。吸取了哥伦比亚号航天飞机事故的教训，飞船座椅的设计能够为航天员们提供更好的保护。

▲ 最初设计安排了7个座位

▲ 载人型龙飞船的头锥部分打开，准备对接

▲ 逃逸系统测试逃逸系统与返回方式

与同期入选NASA商业载人航天计划的CST-100飞船一样，载人型龙飞船也采用了自主逃逸系统，可在整个飞行过程中通过飞船本身的发动机提供终止任务、安全返回地面的功能。相比使用逃逸塔的方案，自主逃逸系统不但减少了发射重量，还减少了发射过程中逃逸塔分离的环节，进一步增强了发射的可靠性。逃逸系统的动力来源于超级天龙座发动机。共有8台超级天龙座发动机，分为4组安装在飞船侧面的壁板上，每台发动机能够提供约71千牛的推力。在接到点火的指令后，这种发动机能够在短短100毫秒内达到最大推力状态。8台发动机之间还能互为冗余备份，在其中某些发动机出现问题时，依靠其他的正常发动机仍然能够保证航天员们的安全，其冗余性能已经超过了NASA的要求。

为了验证飞船的逃逸性能，载人型龙飞船在2015年5月进行了逃逸测试。通过逃逸系统提供的推力，飞船的测试体从卡纳维拉尔角航天中心的40号综合发射设施起飞，在99秒后按照预定计划成功地降落在附近的海面上。在测试过程中，SpaceX公司的工程师们在飞船的一个座椅上安装了模拟假人与传感器，以收集逃逸过程中航天员可能受到的冲击数据。同时，工程师们发现了一台超级天龙座发动机的燃料混合比例问题，但这并没有影响到整个试验的成功。

起初，SpaceX公司计划让超级天龙座发动机一机两用，为飞船着陆提供精准的控制和减速，使飞船能够在地面软着陆。然而，随着商业航天计划的进一步深入，NASA和SpaceX公司决定在最初的几次任务中不采用陆上着陆的方式，而是使用原为备份系统的降落伞进行海上着陆和回收。但这并不意味着超级天龙座发动机的“失业”。在正常飞行过程中，两组超级天龙座发动机将为飞船提供变轨的动力。

在返回地面的过程中，飞船会与地球大气发生剧烈的相互作用而产生大量热量。为了保证飞船的安全，必须采取有效的热保护措施。载人型龙飞船所使用的热保护罩，在NASA提供的酚醛树脂浸渍碳烧蚀体技术的基础上进行了改进，使防热性能获得了大幅度提升。虽然飞船目前仅被安排执行近地轨道飞行任务，但热保护罩的各项指标已经足以承受以更高速度从月球轨道直接返回大气层时所释放的热量。在回收后，飞船可重复使用约十次，在很大程度上降低了飞行成本。

发射载具

在今年年初成功试射的重型猎鹰火箭出尽风头后，SpaceX公司的主力火箭猎鹰9号似乎变成了“过气网红”。但实际上，由于载人发射任务对于安全性和可靠性要求高，刚刚出道的重型猎鹰火箭还不能承担这方面的任务。此外，在马斯克提出去往火星的BFR火箭-飞船综合体方案后，SpaceX公司表示未来将不会使用重型猎鹰火箭承担载人任务。未来，载人型龙飞船将由猎鹰9号火箭发射。

猎鹰9号火箭没有使用助推器，其起飞推力来自于第一级上安装的9台梅林发动机。在火箭第一级底部，除位于中心位置的一台发动机外，其余8台发动机呈环形安装在第一级底部四周。这样的结构不但有助于保护单台发动机，也可以在某些发动机失效的情况下依靠其他发动机继续完成飞行。在2012年使用猎鹰9型火箭发射货运型龙飞船时，一台发动机在起飞后79秒时意外关机。其余8台正常工作的发动机通过多工作28秒的方式补偿了意外造成的推力损失。虽然这次事件造成了附加载荷未能入轨，但作为主载荷的货运型龙飞船还是成功完成了任务。

尽管猎鹰9型火箭第一级具备成熟的可回收重用能力，回收重用之后的“二手火箭”也已经成功完成了数次发射，但这种能力在执行载人型龙飞船发射时可能并不能派上用场。按照NASA的合同约定，发射载人型飞船时必须使用全新制造的火箭。不过，由于可回收重用设计对火箭第一级机构强度的强化，这种不会使用的功能在一定程度上提高了火箭的可靠性。

提高发射可靠性的另一个途径是SpaceX公司在发射前进行的“全真模拟”。在火箭生产阶段，每台将要上天的发动机都要进行静态点火试验，发动机在试验时所使用的控制软件工作状态和实际飞行时完全一致，可以将可能存在的问题暴露出来。在发射进行前，整枚火箭还会在发射台上再进行一次静态点火试验。在此试验中，控制人员将按照实际发射前的流程进行火箭燃料填充等操作，直到倒计时结束、第一级火箭点火。由于第一级火箭被固定在发射台上，因此火箭在静态点火试验中不会升空，一旦推力到达预定的起飞推力便会关机。通过这种测试，可以全面检查火箭本身和地面系统是否为发射做好了准备，收集到的数据可为正式发射前再对火箭进行调试提供依据。最后，在真正进行发射时，火箭点火并建立推力的过程中，各个系统还会进行一次最终的自我检测，没有问题后火箭会被发射台释放，飞向太空。

载人型龙飞船的发射将在肯尼迪航天中心的39号综合发射设施进行。这个综合发射设施拥有39A、39B、39C三个发射塔，SpaceX公司将使用的发射塔为39A。历史上，这里曾是阿波罗登月飞船发射的地方，也曾以每年多次的频率起飞过航天飞机。在航天飞机退役后，39A发射架曾一度闲置。2014年，SpaceX公司签下了为期20年的租约，开始重新启用该发射架。为了进行载人发射，SpaceX公司一方面将会重新修复之前为航天飞机设计的紧急逃生装置，另一方面也会增加一些新设施，方便航天员进入飞船。★

▲ 航天员登上载人型龙飞船所用的登船摇臂正在加紧安装

▲ 载人型龙飞船责任编辑：陈彩连