美国载人航天的生力军：载人龙飞船

NASA于2010年启动商业载人项目，支持商业航天公司研制往返空间站的载人飞船，填补2011年航天飞机退役后的空缺。商业载人飞船原定2017年发射升空，但由于种种问题延期至今，相比老牌航天巨头波音公司体现令人大失所望，反而是技术激进的SpaceX公司进度走在前面。今年5月的龙飞船DM2任务，是美国自2011年后首次从本土把航天员送上太空。

DM2任务徽标

激进还是先进？

SpaceX公司是商业航天公司的代表，除了乐成抢占市场的猎鹰系列运载火箭，其龙飞船也大获乐成，但今年3月第一代龙飞船执行最后一劣货运任务后，后续任务也将交给更先进的载人版龙飞船，恐怕很少有人知道，载人版龙飞船差点胎死腹中。

NASA副局长Bill Gerstenmaier当年曾尽力阻挡将商业乘员运输能力（CCtCap）的条约授予两家公司，而是希望将条约直接交给波音公司。载人版龙飞船为什么遭到载人航天宿将的尽力阻挡呢？因为它的技术和设计都相当激进，不仅让人怀疑它的可靠性，更让人担忧它的研制进度。载人版龙飞船也被通俗地称为载人龙飞船，为了竞争商业载人运输项目，2014年SpaceX公司正式公然了这种飞船，它沿袭了第一代龙飞船“一舱半”的构型，返回舱仍能重复使用，同时又增加了不少技术创新，是一种相当先进的载人飞船。

2014年5月29日，SpaceX公司召开公布会，揭开了载人版龙飞船的神秘面纱。它的返回舱具备重复使用能力，热盾甚至能重复使用10次而无需更换！飞船使用天龙座发念头举行轨姿控，又增加了超级天龙座发念头在须要时完成推式逃逸，超级天龙座发念头还用于返回时的反推着陆，反推着陆精度媲美直升机，而现在的飞船落地精度动辄偏出数公里。其时SpaceX公司还乐观地预测一次任务成本1.4亿美元，这样7人乘组的单座票价只有2000万！总而言之，载人版龙飞船将是21世纪先进载人飞船的典型代表。固然，厥后综合思量技术和宁静性等因素，热盾改为一次一换，载人能力也按NASA要求改为4人乘组。

超级天龙座测试

载人版龙飞船长度8.1米，最大直径4米，重约7.7吨，可携带最多2.2吨推进剂。它由返回舱/乘员舱和货舱两部门组成，返回舱长度4.1米，包罗容纳航天员的加压部门以及提供服务的非加压部门，其中加压空间9.3立方米，相当于一个返回舱兼具乘员舱和服务舱的作用。它货舱中空可容纳非加压货物，内部容积37立方米，货舱外笼罩着太阳能电池。二代龙飞船可将最多6吨的货物运往国际空间站，返回舱下行运输能力最大可达3吨，是一种性能相当强大的载人飞船。它的自由航行时间约为1个星期，对接空间站的航行时间长达210天，可满足国际空间站往返以及对接半年的任务需求。

值得一提的是，SpaceX公司为了降低研制成本，还独立为二代龙飞船研制了对接机构，它和空间站的NDS对接机构兼容，也是一种电磁接口的低打击对接机构。二代龙飞船应用低打击对接机构后，降低了飞船和空间站对接时的相对速度和打击力，有利于提高对接精度降低对接失败的可能和损失。二代龙飞船还全面应用触摸屏显示和利用飞船，加上SpaceX公司设计的时髦的舱内航天服，让这艘飞船带上了浓重的未来气势派头。

载人版龙飞船是载人系统的焦点，而它的运载工具同样非凡。猎鹰9号和猎鹰重型火箭横空出世，不仅物美价廉而且不停迭代革新，迅速成为商业发射市场的领头羊，猎鹰火箭的垂直反推接纳和重复使用技术，更是引领了运载火箭技术的生长潮水。载人版龙飞船使用的是最新型的猎鹰九号Block 5型火箭，这种火箭虽然还是3.7米直径，但火箭长度增加到约70米，火箭一级和二级都使用共底储箱，外加预冷煤油和深冷液氧的使用，最大限度地增加推进剂的加注量，它还使用最新的梅林1D+发念头，进一步提高可靠性、推力和比冲。多管齐下之后，最新型猎鹰火箭起飞质量549吨，近地轨道运力可达22.8吨，运载系数甚至逾越了著名的德尔它IV重型火箭。猎鹰九号火箭可靠性和运载能力的提高，为载人发射能力奠基了坚实的基础，纵然火箭第一级选择海上接纳，仍能将十几吨的二代龙飞船送入预定轨道，通偏激箭重复使用降低发射成本，也是SpaceX公司任务报价低的重要原因。

龙飞船的研制和试验

载人版龙飞船设计激进、技术先进，也难怪NASA的载人航天宿将对这艘飞船没有信心，而在飞船研制历程中，也简直有不小的妨害，导致飞船总体方案的不停更改，并通过试验不停完善设计。

根据SpaceX的航行计划，载人版龙飞船将主要完成四次航行试验，包罗一次发射台逃逸试验、一次航行逃逸试验、一次无人空间站任务和一次为期14天的载人空间站演示任务。虽然动力反推着陆设计被取消，但航行逃逸试验仍要继续，2015年5月6日一艘龙飞船在卡角SLC-40工位举行了发射台逃逸试验，超级天龙座发念头焚烧后推动飞船腾空而起，99秒后飞船落入发射场东部的大西洋洋面。这次逃逸试验验证了发念头的可靠性、推力和比冲，并测试了逃逸时的加速度和振动情况。

龙飞船最初曾计划用超级天龙座发念头反推着陆，这种方案综合思量了紧迫逃逸和着陆的需求。2014年马斯克在载人龙飞船公布会上表现，龙飞船首选动力着陆模式，纵然8台发念头中有2台失效飞船仍能宁静着陆，纵然发念头事情异常还能自动切换为伞降模式。

2015年11月10日NASA报道，载人版龙飞船的超级天龙座推进系统已经举行了27次热焚烧试验，证实了发念头和推进系统的综合可靠性。同年11月24日SpaceX公司在德克萨斯州的试验场举行了龙飞船的悬停试验，超级天龙座发念头焚烧并维持了5秒的悬停，这次试验的返回舱正是发射台逃逸试验用过的返回舱，它被取名蜻蜓（DragonFly）讲明了对龙飞船的期盼，而重复使用也开端证明晰飞船发念头的可靠性和动力着陆的可行性。然而，NASA始终担忧动力反推着陆模式的宁静性和可靠性，在NASA要求下SpaceX公司不得不放弃载人版龙飞船的动力着陆模式。

DragonFly2015年悬停试验

在NASA这个唯一大客户的压力下，SpaceX公司被迫放弃激进的动力着陆模式，不外NASA繁文缛节带来的审核评估以及种种要求，可远远不止取消动力着陆技术。凭据2016年5月宣布的陈诉，发射台逃逸测试原定2013年底，但推迟到2015年5月；飞船推进系统测试原定2015年4月，实际推迟到2015年11月；对接系统测试原定2015年8月，实际推迟到2015年12月。总的说来，此时研制进度比原定计划落伍了一年。

另外，原来龙飞船只思量了发射逃逸时的海上溅落，厥后NASA还要求思量再入时偏离着陆区的海上溅落能力，这种情况下救援到来的时间更长，飞船必须具备更好的风浪蒙受能力和更长的漂浮时间，这下又泛起了水密性不够的问题，飞船需要进一步的革新完善。龙飞船的研制进度不停推迟，首飞发射时间也不停拖后，2016年12月时，DM-1无人任务预定2017年11月发射，DM-2载人任务为2018年5月。

龙飞船海上演习（2017）

SpaceX公司的进度延期了，但原来被视为稳中进度有保证的波音公司更糟糕，飞船首飞更是推迟到2018年6月，技术方案激进的SpaceX公司龙飞船进度反尔后来居上。不外龙飞船的崎岖还在继续。SpaceX公司为了试验和航行任务计划制作了5艘龙飞船，第一艘举行情况控制和生命维持系统测试，第二艘用于结构测试，后三艘用于DM1、DM2和USCV1航行任务，而航行逃逸试验将使用DM1任务返回后翻新的飞船。

2017年头龙飞船通过了返回舱结构资格认证，并进一步开发飞船的自动导航制导控制软件，还开始举行降落伞测试和舱内航天服测试。SpaceX公司还凭据载人发射要求革新LC-39A发射台，尤其是制作了新的乘组收支臂。2017年龙飞船还开始举行海上溅落、接纳和搜救演习，为实际的载人航行做好准备。

由于NASA对航天员损失的担忧，要求龙飞船具备极低的人员损失率，好比不仅龙飞船要极其可靠，发射用的猎鹰九号Block5型火箭要求至少航行7次，这样苛刻的宁静要求也是商业载人飞船进度推迟的原因之一，而NASA还不停变换设计要求更是让项目雪上加霜，超支延期也就屡见不鲜了。龙飞船从2017年到2018年举行了14次降落伞测试，其中包罗模拟单引导伞和单主伞同时失效的情况，2018年5月飞船又乐成通过电磁兼容性测试和热真空测试。猎鹰九号火箭使用预冷和深冷推进剂，只能使用先上人后加注的模式，NASA虽然对此相当担忧，但2018年8月仍正式批准了这一流程。龙飞船的首飞还遇到意想不到的难题：虽然硬件和软件都已经停当，2018年底完全可以发射，但由于认证文书事情尚未完成，首飞只能推迟到2019年了。

MK3降落伞试验

2019年3月2日，一枚猎鹰九号火箭将龙飞船送上太空，执行DM1演示任务。DM1任务相当乐成，无论是发射入轨、飞船变轨、交会对接和返回都圆满完成，全面磨练了新一代龙飞船的各方面性能。DM1任务乐成后，载人航行似乎胜利在望，但意想不到的事故却接踵而至：4月份下旬飞船返回舱在地面焚烧测试中爆炸，返回舱被完全炸毁；5月初又传出消息，4月份的单伞失效试测试未能通过。

2019年4月龙飞船爆炸

幸运的是，事后观察发现爆炸事故并不是超级天龙座发念头、储箱或是振动台的问题，而是极为稀有的钛合金在高压四氧化二氮中燃烧爆炸的问题。超级天龙座发念头的氦气增压压力高达16.4兆帕（164个大气压），泄露后进入一个氦气管路，高压下打击钛合金阀门并引发爆炸，后续革新中把单向阀改为爆破片杜绝泄露隐患，还修改管路制止氦气进入。飞船降落伞也修改为MK3设计，并举行了多达13次后续测试并全部乐成，为DM2载人航行任务举行了充实的准备。SpaceX公司还举行了航行逃逸试验（IFA），2020年1月30日一枚“四手”猎鹰九号火箭带着龙飞船腾空而起，并在逃逸难度最高的最大动压时刻关机模拟火箭故障，随后飞船的超级天龙座发念头焚烧事情，乐成完成了飞船的航行逃逸，航行逃逸试验并非出自NASA的条约要求，而是SpaceX公司为了宣传航行全程逃逸的宁静性而特意举行的试验，体现了该公司对载人飞船宁静性的高尺度严要求，直指未来的商业太空旅游服务。

2020年航行逃逸试验

“挑起大梁”

载人版龙飞船在顺利完成DM1无人任务后，虽然又有降落伞测试和地面静态焚烧爆炸两次大挫折，不外这些问题已经获得解决，2020年头的飞船航行逃逸试验又相当乐成，载人发射的时机已经成熟。DM2任务中两位航天员Bob Behnken和Doug Hurley乘坐龙飞船从肯尼迪中心的LC-39A发射台升空，踏上前往国际空间站的征途。

载人龙飞船的DM2任务还只是一次载人演示任务，接下来就是常态化的航天员天地往返业务了。从USCV-1任务开始，载人龙飞船将对接国际空间站驻留约6个月时间，真正成为空间站的“太空巴士”。

凭据2019年11月NASA公布的陈诉，SpaceX公司自2014年拿到价值25亿美元条约以来，在研发测试上已经花费了约12亿美元，NASA的牢固价钱条约还要求举行6次正式的载人往返任务，未来载人龙飞船将成为美国往归国际空间站的主力飞船。美国国会还立法要求将国际空间站从2024年延寿到2030年，多出来的6年时间意味着更多的载人航行任务，载人龙飞船的前景相当灼烁。以4人乘组盘算，载人龙飞船的单人船票价钱为5500万美元，对比俄罗斯同盟号飞船狮子大张口的8600万美元，或是波音公司9100万美元的票价，龙飞船的船票价钱还是相当自制的，这也是它在未来商业载人航天中的竞争优势。

2020年1月28日，NASA授予Axiom公司商业舱段条约，Axiom公司将设计、制造和发射人类第一个商业空间站舱段，预计发射时间在2024年，这个商业焦点舱将具备独立电力供应和航行能力，如果商业载人航天市场蓬勃生长的话，它还将脱离国际空间站，增加更多的商业舱段组成独立的商业空间站，开展太空科研和旅游等商业服务。价钱低廉的载人龙飞船，届时在商业空间站上也大有可为。无独占偶，早在2019年6月美国Bigelow公司就以5200万美元的票价为SpaceX公司的龙飞船卖票，Bigelow公司以充气空间站闻名，专注于太空旅游业务，如果它的BA330充气舱段发射上天，龙飞船更是游客往返的首选。

载人龙飞船作为新一代龙飞船，总体技术水平尤其是宁静性要比现有的第一代龙飞船高得多。载人龙飞船无论是更好的热盾、推式逃逸、低打击对接机构，还是大型返回舱和先进的操作界面，在新一代飞船中都是首屈一指的，纵然阉割了反推准确着陆的能力，载人龙飞船仍是现在技术上先进的载人飞船。

热真空测试

载人龙飞船的设计将绝大部门功效放在返回舱内，这样重复使用获得的收益更为显著，天生要比其他飞船成本更低，Bigelow公司以5200万美元卖票就是一个侧面证明。载人龙飞船的热盾性能强劲，足以抵御从地外轨道重返的高温，未来载人龙飞船搭配猎鹰重型火箭飞向月球，在美国载人登月的阿尔忒弥斯计划中一展拳脚，向月球轨道空间站运送航天员也值得期待。

文/张雪松