郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

“龍”飛船完美執(zhí)行第三次空間站補(bǔ)給任務(wù)

郭筱曦（北京空間科技信息研究所）

2014年4月18日，美國(guó)太空探索技術(shù)（SpaceX）公司的獵鷹－9v1.1火箭升空，成功將“龍”飛船送入目標(biāo)初始軌道，執(zhí)行該公司第三次空間站補(bǔ)給任務(wù)。同時(shí)，火箭第一級(jí)在關(guān)機(jī)和級(jí)間分離之后還進(jìn)行了海面軟濺落回收驗(yàn)證試驗(yàn)，成為此次任務(wù)的最大亮點(diǎn)。隨后，“龍”飛船用自身推力器提升軌道，4月20日與“國(guó)際空間站”交會(huì)，被站上機(jī)械臂捕獲，?？吭诤椭C號(hào)節(jié)點(diǎn)艙上。此次任務(wù)中，“龍”飛船共向“國(guó)際空間站”運(yùn)送約2268kg貨物，任務(wù)持續(xù)一個(gè)月。5月18日，“龍”飛船攜帶1560kg系統(tǒng)硬件、科學(xué)貨物和廢物再入大氣層，安全濺落在太平洋上。

獵鷹－9v1.1火箭發(fā)射“龍”飛船

“龍”飛船被“國(guó)際空間站”上的機(jī)械臂捕獲

“龍”飛船安全濺落在太平洋上

1 任務(wù)背景

根據(jù)美國(guó)航空航天局與美國(guó)太空探索技術(shù)公司在2008年12月簽訂的價(jià)值16億美元的“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，美國(guó)太空探索技術(shù)公司要在2016年之前為美國(guó)航空航天局發(fā)射12艘“龍”飛船，共向“國(guó)際空間站”運(yùn)送20t貨物。

此次任務(wù)是近13個(gè)月以來“龍”飛船的首次發(fā)射任務(wù)，遭遇數(shù)次推遲，間隔時(shí)間遠(yuǎn)超預(yù)期，而這在極大程度上已超出美國(guó)太空探索技術(shù)公司的控制范圍。

2 運(yùn)輸系統(tǒng)及任務(wù)方案

運(yùn)載火箭升級(jí)，加裝著陸支腿

獵鷹－9v1.1是美國(guó)太空探索技術(shù)公司自主研制的兩級(jí)入軌運(yùn)載火箭，以其v1.0型號(hào)為基礎(chǔ)，提升了有效載荷容量和可靠性，通過改進(jìn)工藝而進(jìn)一步降低了發(fā)射成本。它與獵鷹－9v1.0之間的主要差別是將第一級(jí)所用的灰背隼－1C發(fā)動(dòng)機(jī)更換為動(dòng)力更強(qiáng)大的灰背隼－1D發(fā)動(dòng)機(jī)，第一級(jí)采用全新的發(fā)動(dòng)機(jī)布局并加長(zhǎng)第一、二級(jí)的推進(jìn)劑貯箱。獵鷹－9v1.1火箭高68.4m，直徑3.66m，發(fā)射質(zhì)量500t。火箭的近地軌道有效載荷能力可達(dá)13150kg，地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷能力為4850kg。

獵鷹－9v1.1技術(shù)參數(shù)

灰背隼－1D設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了不再需要的子組件，在制造流程中采用改進(jìn)工藝和質(zhì)量控制手段，使美國(guó)太空探索技術(shù)公司每年能生產(chǎn)更多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)降低風(fēng)險(xiǎn)。原本在燃燒室上電鍍鎳鈷合金作為防護(hù)層，用于承受此壓力容器的主應(yīng)力，現(xiàn)由爆炸成型的金屬外殼替代。這些改動(dòng)延長(zhǎng)了灰背隼－1D的疲勞壽命，并增加了燃燒室和噴管的熱余裕。此外，該發(fā)動(dòng)機(jī)可在額定性能的70%至100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)推力，而灰背隼－1C不具備推力調(diào)節(jié)功能。灰背隼－1D成為迄今全球推重比最高的液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，超過設(shè)計(jì)要求的150。

灰背隼－1D布局是另一項(xiàng)重大改動(dòng)。獵鷹－9v1.0采用3×3“井”字布局，而獵鷹－9v1.1則采用八角形布局。8臺(tái)灰背隼－1D發(fā)動(dòng)機(jī)排成一圈，環(huán)繞1臺(tái)位于中央的發(fā)動(dòng)機(jī)，中央這臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝上略低于其他發(fā)動(dòng)機(jī)。這種新布局避開了過熱點(diǎn)，提升了熱特性。

獵鷹－9v1.1第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)布局

與獵鷹－9v1.0相比，獵鷹－9v1.1第二級(jí)具有加長(zhǎng)型推進(jìn)劑貯箱，由單獨(dú)一臺(tái)灰背隼－1D真空發(fā)動(dòng)機(jī)供以動(dòng)力，是針對(duì)真空運(yùn)轉(zhuǎn)加以優(yōu)化的灰背隼－1D發(fā)動(dòng)機(jī)，具有擴(kuò)張比更高的噴管。發(fā)動(dòng)機(jī)支持多重點(diǎn)火，能實(shí)現(xiàn)多種軌道和軌跡。該火箭的第二級(jí)還容納航電設(shè)備和飛行計(jì)算機(jī)，獵鷹－9v1.1做了很多改進(jìn)。其全部航電設(shè)備和控制器都由美國(guó)太空探索技術(shù)公司內(nèi)部制造，系統(tǒng)完全冗余，不斷進(jìn)行自檢以驗(yàn)證所有制導(dǎo)導(dǎo)航與控制部件運(yùn)轉(zhuǎn)正常。為降低成本，美國(guó)太空探索技術(shù)公司采用耐輻射的商用現(xiàn)貨零件，而不是抗輻射設(shè)計(jì)。航電設(shè)備為三重冗余設(shè)計(jì)，火箭的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)疊加全球定位系統(tǒng)（GPS），額外提供入軌精度。

飛船

“龍”飛船裝備有18臺(tái)“天龍”（Draco）推力器，分為四個(gè)吊艙，其中兩個(gè)吊艙各包含5臺(tái)“天龍”推力器，另外兩個(gè)各包含4臺(tái)“天龍”推力器。此小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)太空探索技術(shù)公司設(shè)計(jì)、研制和試驗(yàn)，每臺(tái)可提供400N推力，用于在軌機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制和長(zhǎng)時(shí)間離軌點(diǎn)火，燃燒時(shí)間可變?！疤忑垺蓖屏ζ魇褂盟难趸?甲基肼作為推進(jìn)劑，任務(wù)過程中共消耗1290kg飛船攜帶的推進(jìn)劑?！褒垺憋w船的反作用控制系統(tǒng)在所有軸上提供雙冗余。任意2臺(tái)“天龍”推力器失靈都不會(huì)影響任務(wù)。

“龍”飛船乘員艙的防熱罩要在再入過程中承受1600℃高溫。

飛行方案

獵鷹－9火箭的9臺(tái)灰背隼－1D發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火3s后火箭升空，升空17s后火箭速度達(dá)到馬赫數(shù)1，在升空后83s時(shí)刻穿過最大動(dòng)壓力區(qū)域。第一級(jí)燃燒持續(xù)2min41s，關(guān)機(jī)3s后級(jí)間分離，隨后第二級(jí)點(diǎn)火，燃燒持續(xù)6min55s。起飛10min后，船箭分離，“龍”飛船順利入軌，隨即拋離太陽電池翼整流罩、展開1對(duì)太陽電池翼。

“龍”飛船在起動(dòng)自身推進(jìn)系統(tǒng)時(shí)遭遇故障，飛船上一個(gè)隔離閥沒有響應(yīng)，使一部分推力器組無法自動(dòng)啟用。美國(guó)太空探索技術(shù)公司任務(wù)控制人員查看情況后開始了切換至備用隔離閥的程序。此次飛行中出現(xiàn)的問題很可能與2013年3月第二次空間站補(bǔ)給任務(wù)中的無關(guān)，當(dāng)時(shí)“龍”飛船推進(jìn)劑加壓系統(tǒng)內(nèi)的止回閥故障，導(dǎo)致4個(gè)推力器吊艙中的3個(gè)無法正常工作。

這一次，美國(guó)太空探索技術(shù)公司任務(wù)控制人員迅速解決了問題，但任務(wù)的一部分先期操作向后順延了，但對(duì)交會(huì)進(jìn)度沒有影響。從近地點(diǎn)313km/遠(yuǎn)地點(diǎn)332km軌道出發(fā)，“龍”飛船在發(fā)射后、捕獲前的兩天內(nèi)進(jìn)行了一系列軌道調(diào)整和調(diào)相機(jī)動(dòng)。所有點(diǎn)火都按計(jì)劃執(zhí)行。抵站當(dāng)天稍晚時(shí)候，“龍”飛船開啟艙門，暴露出“龍眼”導(dǎo)航傳感器組和抓固器。

“龍”飛船技術(shù)參數(shù)

在捕獲前5h，飛船進(jìn)入空間站周圍28km的通信區(qū)域，與空間站之間建立起超高頻直接鏈路。飛船使用鄰近通信鏈路作為與空間站的相對(duì)GPS通信。“龍”飛船利用絕對(duì)GPS進(jìn)行高度調(diào)整點(diǎn)火與共橢圓機(jī)動(dòng)點(diǎn)火，到達(dá)距空間站2.5km處，美國(guó)太空探索技術(shù)公司與美國(guó)航空航天局任務(wù)控制中心之間開始聯(lián)合運(yùn)行，飛船隨后從絕對(duì)GPS切換至相對(duì)GPS。作為交會(huì)相對(duì)GPS階段的一部分，“龍”飛船接收來自空間站的GPS數(shù)據(jù)，與自身GPS數(shù)據(jù)相比較，計(jì)算出相對(duì)位置、速度和運(yùn)動(dòng)。在接近空間站的過程中，“龍”飛船可執(zhí)行多次中程修正點(diǎn)火。站上乘員從距離1000m時(shí)開始持續(xù)監(jiān)視“龍”飛船，準(zhǔn)備在必要情況下采取措施。

兩次中程修正后，“龍”飛船在距空間站350m處執(zhí)行一次180°的偏航機(jī)動(dòng)，將其頭錐指向正確方位，以在發(fā)生意外時(shí)進(jìn)行航向推進(jìn)中止點(diǎn)火將飛船迅速推離空間站。再接近100m后，“龍”飛船自動(dòng)進(jìn)入“位置保持”模式，在此完成激光雷達(dá)和熱成像儀的最后調(diào)整和驗(yàn)證。距空間站200m時(shí)，“龍”飛船進(jìn)入空間站阻進(jìn)區(qū)域，在此到訪飛行器必須滿足最高級(jí)別的安全性要求。從250m緩慢進(jìn)近到30m，“龍”飛船再次懸停，任務(wù)控制人員再次進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估決定是否執(zhí)行最后接近?！褒垺憋w船非常緩慢地接近空間站，隨后停在距空間站10m的捕獲點(diǎn)。證實(shí)飛船處于恰當(dāng)姿態(tài)后，飛船所有推力器關(guān)機(jī)，開始自由漂移。具體捕獲時(shí)間由光照條件決定。

控制加拿大臂－2的站上乘員通過機(jī)械臂上的自鎖型末端執(zhí)行器相機(jī)跟蹤“龍”飛船的抓固器。捕獲后機(jī)械臂執(zhí)行一系列動(dòng)作，然后將“龍”飛船?？吭诤椭C號(hào)艙天底的通用?？繖C(jī)構(gòu)上。

3 任務(wù)最大亮點(diǎn)：火箭第一級(jí)完成軟濺落試驗(yàn)

此次發(fā)射“龍”飛船第三次空間站補(bǔ)給任務(wù)的獵鷹－9v1.1火箭實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重大里程碑，其第一級(jí)成功軟濺落在大西洋上。

該火箭第一級(jí)在點(diǎn)火升空后2min43s時(shí)刻分離，此時(shí)高度為80km，馬赫數(shù)10。分離后不久，第一級(jí)用自身的冷氣姿態(tài)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向發(fā)動(dòng)機(jī)前置姿態(tài)，使用其9臺(tái)灰背隼－1D發(fā)動(dòng)機(jī)中的3臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)機(jī)動(dòng)。3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，在再入之前減慢箭體速度，確保箭體能承受再入。到升空后8min25s時(shí)刻，第一級(jí)已完成其再入點(diǎn)火，團(tuán)隊(duì)開始接收來自第一級(jí)的遙測(cè)和視頻數(shù)據(jù)。遙測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給位于卡納維拉爾角的TEL－4地面站，一架美國(guó)太空探索技術(shù)公司飛機(jī)開始在大西洋濺落區(qū)域上空盤旋。

隨著箭體高度降低，從卡納維拉爾角看已逐漸消失在地平線下，造成預(yù)料中的信號(hào)丟失。飛機(jī)記錄遙測(cè)數(shù)據(jù)供以后回放用，對(duì)關(guān)鍵的第一級(jí)著陸機(jī)動(dòng)沒有實(shí)時(shí)觀測(cè)。

信號(hào)丟失前最后一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的信息為第一級(jí)速度360m/s，高度8.5km，滾轉(zhuǎn)角速度接近零。馬斯克認(rèn)為最后一點(diǎn)非常重要，因?yàn)槿ツ昃旁芦C鷹－9首次濺落試驗(yàn)的時(shí)候曾出現(xiàn)滾轉(zhuǎn)角速度過高，滾轉(zhuǎn)無法控制，導(dǎo)致中央發(fā)動(dòng)機(jī)的著陸點(diǎn)火縮短，因?yàn)橥七M(jìn)劑受離心作用，破壞了貯箱導(dǎo)流板進(jìn)而引起碎片進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)。此后團(tuán)隊(duì)對(duì)第一級(jí)姿態(tài)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，使其在穿過大氣層的飛行過程中更好地處理滾轉(zhuǎn)角速度并有效降低滾轉(zhuǎn)率。此外，美國(guó)太空探索技術(shù)公司希望著陸支腿能額外增加箭體的穩(wěn)定性，在最后點(diǎn)火過程中抑制滾轉(zhuǎn)。

在再入過程中，第一級(jí)有望因重心低（燃料幾乎空箱、發(fā)動(dòng)機(jī)較重且在尾部）而保持穩(wěn)定姿態(tài)飛行。一旦垂直下落并接近海面，獵鷹－9將點(diǎn)火中央發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行不到10s的最后著陸燃燒。隨著支腿展開和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，獵鷹－9將假裝海面是硬地面，隨后在大西洋實(shí)施軟濺落。

該火箭第二級(jí)到達(dá)目標(biāo)軌道時(shí)，第一級(jí)預(yù)計(jì)將接觸海面，因數(shù)據(jù)需傳回、分析，最終結(jié)果確認(rèn)需要花費(fèi)數(shù)小時(shí)。計(jì)算機(jī)在接觸海面后持續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到第一級(jí)落回水平位置的事實(shí)證實(shí)第一級(jí)已成功軟濺落。

起初，美國(guó)太空探索技術(shù)公司估計(jì)第一級(jí)完整回收的成功率在30%～40%，因?yàn)榈谝患?jí)著陸嘗試主要用于收集數(shù)據(jù)，為今后任務(wù)改進(jìn)控制程序；另一個(gè)促成成功概率微小的因素是當(dāng)天回收海域天氣惡劣，7m的浪高阻止回收船靠近著陸區(qū)域，在第一級(jí)最后著陸機(jī)動(dòng)過程中也可能會(huì)造成一些麻煩。盡管如此，美國(guó)太空探索技術(shù)公司仍設(shè)法讓火箭第一級(jí)直立降落于海面，隨后駭浪損毀了箭體。美國(guó)太空探索技術(shù)公司回收了部分碎片，并拍攝了軟濺落過程視頻?；鸺谝患?jí)成功著海是一個(gè)重要里程碑，標(biāo)志著美國(guó)太空探索技術(shù)公司已達(dá)成獵鷹－9第一級(jí)助推返回能力的又一塊基石。

按美國(guó)太空探索技術(shù)公司的說法，標(biāo)準(zhǔn)獵鷹－9火箭的發(fā)射成本目前為5000萬～6000萬美元，推進(jìn)劑本身的成本僅為其中的0.3%。如果能重復(fù)使用，火箭的資本成本則能降至1%。根據(jù)2014年繁忙的研制計(jì)劃，伊隆?馬斯克稱，有望在2014年底或2015年初實(shí)現(xiàn)火箭第一級(jí)的首次地面軟著陸，然后開始著力實(shí)施第一級(jí)的快速重用。

4 特色貨物

作為首艘由獵鷹－9v1.1火箭發(fā)射的“龍”飛船，除滿載1520kg加壓貨物外，還有2臺(tái)外部有效載荷和眾多內(nèi)部物品。

“龍”飛船裝載了1臺(tái)G L A C I E R和2臺(tái)MERLIN實(shí)驗(yàn)室冷凍箱，用于向站上運(yùn)送科學(xué)樣品，并將返回2臺(tái)GLACIER和在軌獲取的珍貴樣品。針對(duì)站上進(jìn)行的多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)/試驗(yàn)，此次任務(wù)的特色貨物還包括高清晰度對(duì)地觀景（HDEV）裝置、激光通信光學(xué)有效載荷（OPALS）、蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)（VEGGIE）以及將給站上第二代“機(jī)器人航天員”安裝的一對(duì)機(jī)械腿。

貨物質(zhì)量分配

高清晰度對(duì)地觀景有效載荷

高清晰度對(duì)地觀景有效載荷由4臺(tái)市場(chǎng)可購(gòu)的相機(jī)組成，將在近地軌道環(huán)境使用和下傳地球高清影像的過程中接受評(píng)估，可由科學(xué)家用于多種領(lǐng)域，也可通過在線直播平臺(tái)向公眾發(fā)布。所有高清晰度對(duì)地觀景硬件都封裝在外殼中，內(nèi)充干燥氮?dú)獗３执髿鈮毫?。這四臺(tái)相機(jī)不具有云臺(tái)功能，每臺(tái)相機(jī)都有固定視場(chǎng)。高清晰度對(duì)地觀景有效載荷的主要目標(biāo)是在空間環(huán)境中評(píng)估相機(jī)的長(zhǎng)期性能，將有助于針對(duì)未來空間任務(wù)選擇商業(yè)部件。

激光通信光學(xué)有效載荷

通過從站上向位于J P L光通信望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)室（OCTL）的地面接收機(jī)傳輸視頻文件，激光通信光學(xué)有效載荷將演示驗(yàn)證光通信技術(shù)在近地空間任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸中的性能。

高清晰度對(duì)地觀景和激光通信光學(xué)有效載荷已相繼由加拿大臂－2和“靈巧專用機(jī)械手”安裝在空間站外部，公眾現(xiàn)可在線觀看高清晰度對(duì)地觀景拍攝并傳回的地球?qū)崟r(shí)影像。

蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)

蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)是一種可展開的植物生長(zhǎng)裝置，用于在站上驗(yàn)證“太空花園”的可行性。試驗(yàn)設(shè)施提供照明和養(yǎng)分供應(yīng)，可支持栽培多種植物種類，將在乘員食用之前進(jìn)行收割和研究。熱控制由站上艙內(nèi)系統(tǒng)提供，而植物生長(zhǎng)所需的二氧化碳源則是站上的環(huán)境空氣。裝置質(zhì)量為7.2kg，允許的最大生長(zhǎng)高度為45cm。測(cè)試物種為萵苣，將在兩種尺寸的煅燒粘土介質(zhì)中栽培，以比較兩種介質(zhì)區(qū)域中根系分布的情況。在太空中種植植物為乘員提供了新鮮食物，可補(bǔ)充飲食并對(duì)精神面貌和身體狀況產(chǎn)生正面影響。

“機(jī)器人航天員”的腿

在軌工作3年后，“機(jī)器人航天員”終于要有“腿”了。每條腿有7個(gè)關(guān)節(jié)以及1個(gè)充當(dāng)腳的末端執(zhí)行器，用于抓住空間站內(nèi)外部的扶手。末端執(zhí)行器還包括指引機(jī)器人接近和抓緊扶手所需的視覺系統(tǒng)?！皺C(jī)器人航天員”仍處于站上初期測(cè)試階段，而腿對(duì)于拓展測(cè)試活動(dòng)而言是有益補(bǔ)充。

高清晰度對(duì)地觀景相機(jī)拍攝的地球高清實(shí)時(shí)影像

整件艙外活動(dòng)航天服

此次“龍”飛船承擔(dān)了航天飛機(jī)退役后首次運(yùn)送整件艙外機(jī)動(dòng)裝置（EMU）往返于空間站的任務(wù)。盡管進(jìn)步號(hào)、“自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器”、“H-2轉(zhuǎn)移飛行器”和“天鵝座”飛船都已用于運(yùn)送EMU硬件，但都沒有運(yùn)送過整件航天服?！褒垺憋w船運(yùn)送的是艙外機(jī)動(dòng)裝置－3003及其全部主要部件：硬式上肢組件、基本生命保障系統(tǒng)、頭盔、下肢組件及可替換硬件，包括手套和其他設(shè)備。為運(yùn)送艙外機(jī)動(dòng)裝置，“龍”飛船內(nèi)部安裝了一個(gè)特制機(jī)柜。

除上述貨物外，第三次空間站補(bǔ)給任務(wù)還運(yùn)送了包括5顆立方體衛(wèi)星在內(nèi)的二次有效載荷。這些立方體衛(wèi)星由安裝在火箭第二級(jí)上的4臺(tái)“多微衛(wèi)星軌道部署器”（P－POD）釋放，在船箭分離后不久部署在近地點(diǎn)315km、遠(yuǎn)地點(diǎn)325km的軌道上。

5 結(jié)語

第三次空間站補(bǔ)給任務(wù)是美國(guó)太空探索技術(shù)公司“龍”飛船的第五次飛行任務(wù)，繼2010年12月首次短暫試飛成功后，在2012年5月完成驗(yàn)證飛行任務(wù)，并先后于2012年10月和2013年3月完成兩次正式商業(yè)合同任務(wù)。第三次空間站補(bǔ)給任務(wù)成功表明美國(guó)太空探索技術(shù)公司的貨運(yùn)飛船及運(yùn)載火箭技術(shù)已穩(wěn)定成熟，同時(shí)正大力開發(fā)可完全重用的火箭技術(shù)。

美國(guó)太空探索技術(shù)公司和美國(guó)航空航天局今年計(jì)劃共發(fā)射三艘“龍”飛船，，2015年發(fā)射四艘，2016年發(fā)射最后一艘。但根據(jù)此次任務(wù)遭遇的各種推遲判斷，后續(xù)進(jìn)度也會(huì)受到影響。