“龍”貨運飛船首次遭遇對接故障

Dragon Spacecraft Struggled with Its First Docking Fault

王霄 郭筱曦 （北京空間科技信息研究所）

2017年2月19日，獵鷹-9v1.1全推力型火箭從肯尼迪航天中心的LC 39A發(fā)射臺成功發(fā)射，成功將太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“龍”（Dragon）貨運飛船送入軌道，執(zhí)行該公司第10次“商業(yè)補給服務”（CRS）任務?；鸺蘸?min15s，第一級返回大氣層，成功在陸上著陸場實現(xiàn)軟著陸。這是太空探索技術(shù)公司首次在白天完成陸上回收火箭，第3次實現(xiàn)陸上回收，以及第8次完成火箭回收。本次任務也是太空探索技術(shù)公司首次啟用肯尼迪航天中心的39A發(fā)射臺，也是太空探索技術(shù)公司的里程碑事件，具有重大意義。

但本次任務一波三折，發(fā)射原定于北京時間2017年2月18日23：01進行，但因為二級火箭推力矢量控制系統(tǒng)故障，發(fā)射在倒計時13s時被暫停，任務推遲一天。

北京時間2月22日16：25，由于導航系統(tǒng)出現(xiàn)故障，飛船計算機系統(tǒng)識別到關(guān)于“國際空間站”（lSS）的錯誤數(shù)值，自動中止交會對接操作。這是“龍”貨運飛船首次在交會對接階段出現(xiàn)故障。飛船在使用相對“全球定位系統(tǒng)”（GPS）進行遠場交會對接時發(fā)生故障后，暫停與“國際空間站”的交會對接。北京時間2月23日18：44，飛船再嘗試與“國際空間站”對接，取得成功。

1 飛行任務

塵封多年的發(fā)射臺再次啟用

目前太空探索技術(shù)公司租用了3個發(fā)射臺進行航天發(fā)射，分別是范登堡空軍基地的SLC-4E發(fā)射臺（用于極軌發(fā)射任務）、卡納維拉爾角的LC 40發(fā)射臺（用于商業(yè)發(fā)射任務）和肯尼迪航天中心的LC 39A發(fā)射臺（載人發(fā)射任務）。由于LC 40發(fā)射臺在2016年的爆炸事故中受損嚴重，預計2017年6月才能恢復使用，因此LC 39A的啟用對于太空探索技術(shù)公司具有重大意義。

LC 39A是阿波羅-11（Apollo-11）在1969年首次將人類送上月球時使用的發(fā)射場。這次的發(fā)射也是太空探索技術(shù)公司的里程碑事件，因為它是該公司首次從LC 39A發(fā)射臺發(fā)射獵鷹-9火箭。2014年，太空探索技術(shù)公司與美國航空航天局（NASA）簽訂了一項租賃協(xié)議，翻新了LC 39A發(fā)射臺，使公司的獵鷹-9和未來的“獵鷹重型”（Falcon Heavey）火箭可以從該平臺發(fā)射。

LC 39A發(fā)射臺首次執(zhí)行任務是在1967年11月9日，土星-5火箭搭載阿波羅-4飛船升空。在“阿波羅”時代，除了阿波羅-10外，其他所有載人月球任務均從39A發(fā)射臺升空。1981-1986年，美國航天飛機的前24次任務均從39A發(fā)射臺起飛，包括哥倫比亞號、挑戰(zhàn)者號、發(fā)現(xiàn)號、亞特蘭蒂斯號4架航天飛機的太空首秀。

本次任務是39A發(fā)射臺的第95次發(fā)射。39A發(fā)射臺執(zhí)行過12次土星-5發(fā)射任務，以及82次航天飛機任務。本次發(fā)射也是自1973年NASA用土星-5火箭發(fā)射“天空實驗室”任務后，首次進行不載人任務的發(fā)射，之間相隔了44年。

任務情況

北京時間2017年2月19日22：39，獵鷹-9火箭在肯尼迪航天中心2個靠前的發(fā)射臺最南端發(fā)射升空，運送“龍”貨運飛船入軌，向“國際空間站”運送關(guān)鍵補給物資。

（1）火箭

獵鷹-9系列火箭由太空探索技術(shù)公司研制，其與該公司旗艦產(chǎn)品“龍”飛船均由NASA“商業(yè)軌道運輸服務”（COTS）計劃部分資助，用于驗證向“國際空間站”運送貨物補給的能力。獵鷹-9v1.0火箭于2010年首飛，執(zhí)行了3次“龍”飛船發(fā)射任務；2013年9月升級為獵鷹-9v1.1；2015年6月獵鷹-9發(fā)射事故后的半年中，太空探索技術(shù)公司對火箭進行了多項改進，并再次升級型號。獵鷹-9v1.1全推力型火箭保留了此前獵鷹-9火箭型號的整體設計，仍為兩級入軌的中型液體燃料運載火箭，其第一級長43m，第二級作為一次性火箭級使用，兩級均采用液氧/煤油推進劑。

（2）飛船

“龍”飛船是由太空探索技術(shù)公司研制并運營的商業(yè)軌道飛行器，有分別用于無人飛行和載人飛行的兩種構(gòu)型。貨運型號“龍”飛船任務飛行方案多變并可作為重復使用航天器，裝有防熱罩和降落傘，任務結(jié)束后在洋面上濺落回收，是目前唯一能夠運送物品返回地球的空間站貨運飛船。

獵鷹-9系列火箭參數(shù)對比

“龍”飛船干質(zhì)量4200kg，長6.1m，最大直徑3.81m，運送載荷最大質(zhì)量6000kg?！褒垺憋w船的最大特點是可重復使用，其所有結(jié)構(gòu)和機構(gòu)均設計為能夠支持乘員運輸，任務持續(xù)時間為1周～2年。飛船主要由三部分組成：①頭錐，在上升階段起保護作用，內(nèi)裝對接機構(gòu)；②鈍角圓錐體彈道艙，一部分用于搭載乘員和/或加壓貨物，另一部分是服務艙，裝有電子設備、反作用控制系統(tǒng)、降落傘和其他支持設備；③非加壓段，用于存儲非加壓貨物，如軌道替換單元，并保障太陽電池翼和散熱器的正常工作。

（3）首次對接故障相關(guān)情況

2月19日，獵鷹-9v1.1全推力型火箭成功搭載“龍”貨運飛船升空。飛船狀態(tài)良好，直到21日，飛船一直保持在其初始的204km×358km軌道，“天龍”（Draco）發(fā)動機點火進行圓化機動，隨后另一組發(fā)動機點火，將該飛船定位在“國際空間站”的399km×408km軌道下方10km的軌道上。

按照標準對接程序，進行另一個高度調(diào)整/共橢圓機動，將“龍”飛船送入比空間站低2.5km的軌道上。北京時間14：15，飛船進入距離“國際空間站”28km的通信區(qū)，建立起空間站和飛船之間交換GPS數(shù)據(jù)的空對空數(shù)據(jù)鏈路。第三次高度調(diào)整/共橢圓機動使得“龍”飛船到達空間站下方1200m的位置，并向前移動至逼近初始點，從那里，飛船將直接逼近其捕獲點。

相對定位系統(tǒng)通過比對追逐航天器和目標航天器的GPS數(shù)據(jù)，能夠更精準地確定兩者之間的幾何形狀?！褒垺憋w船上的相對定位系統(tǒng)用作主要交會導航源，負責處理由航天器本身采集的相對導航數(shù)據(jù)，并通過空間站的特高頻（UHF）通信鏈路進行傳輸。當飛船距離空間站20km時開始啟動相對定位系統(tǒng)，直到飛船移動至空間站正下方的位置后切換成鄰近導航系統(tǒng)。

北京時間22日16：25，“龍”飛船GPS系統(tǒng)的濾波器出現(xiàn)故障，飛船自動中止了交會程序。太空探索技術(shù)公司的工程師在加利福尼亞州霍桑市立即開始診斷問題過程，初步懷疑是“龍”飛船的機載計算機提供了一個錯誤的“國際空間站”狀態(tài)向量。

中止交會程序后，“龍”飛船仍停留在“國際空間站”下方1200m、后方4km處，飛船被動中止逼近操作，隨后從空間站下方移至前方。按照常規(guī)程序，飛船導航將自動把再次對接時間設置為24h后，使用軌跡跟蹤模式將移回到原位，以便嘗試二次交會。

在離開空間站的安全區(qū)后，“龍”飛船進行一次機動，進入比空間站高的軌道處，以便空間站可以在其下方通過。如任務控制中心23日發(fā)出再次對接的指令，“龍”飛船將進行逆行制動機動，開始新的交會操作。

如果有必要，延時的自主飛行對于攜帶大量推進劑的“龍”飛船來說沒有問題，但是“龍”飛船本次還搭載了一組小白鼠、干細胞樣本和其他細胞培養(yǎng)物，需要盡快抵站。本次故障是“龍”貨運飛船首次在交會對接階段出現(xiàn)故障，是“龍”飛船的第二次故障。2015年6月28日，太空探索技術(shù)公司的獵鷹-9v1.1型運載火箭從美國卡納維拉爾角空軍基地點火升空，預備執(zhí)行該公司“龍”飛船的第7次“商業(yè)補給服務”合同任務（Spx-7），爬升約2min，火箭爆炸解體，墜入大西洋。該事故原因是火箭第二級液氧貯箱出現(xiàn)超壓。

（4）二次交會對接

首次對接延遲24h后，軌道數(shù)據(jù)顯示“龍”貨運飛船機動進入397km×421km的軌道，隨后進入407km×415km的軌道，隨后進行一次制動，進入395km×405km軌道，該位置可以重新進入常規(guī)逼近剖面。

“龍”飛船執(zhí)行了一組高度調(diào)整/共橢圓機動，進入空間站軌道下方1300m處，飛船移至逼近初始點。在得到新的“國際空間站”的狀態(tài)向量后，飛船處理相對導航數(shù)據(jù)，同時接收“國際空間站”的導航數(shù)據(jù)，與自己獲得的導航數(shù)據(jù)相比對，計算出飛船和空間站的相對幾何形狀，得出正確的目標機動方向。

北京時間2月23日16：15，“天龍”（Draco）發(fā)動機進行第二次機動。在獲取了空間站的徑向向量后，“龍”飛船停止逼近，并做了180度偏航機動，以確定捕獲位置。飛船移至距離空間站250m的保持點，切換到鄰近導航系統(tǒng)，確認沒有存在危險，休斯頓任務制控中心（MCC-H）和霍桑任務控制中心（MCC-X）給出了一個“GO”的指令。

“龍”飛船再次啟動推進器，于北京時間18：00到達距離空間站30m的保持點，任務控制中心給出最終逼近無危險的信號，北京時間18：20飛船點燃助推器，并以很小的關(guān)閉速率移向捕獲點，最終達到距離空間站對接艙段10m，距離加拿大機械臂-2約18m的范圍內(nèi)。在到達捕獲點后，飛船的狀態(tài)被驗證，開啟捕獲程序。

機器人工作站的手動控制器開啟，航天員Pesquet瞄準閉鎖末端執(zhí)行器和“龍”飛船的捕獲鉤子，然后進行捕獲。北京時間18：44捕獲成功。

俄羅斯“進步”（Progress）貨運飛船和“龍”貨運飛船各自搭載近2500kg的貨物到“國際空間站”，“進步”飛船主要搭載食物、燃料和用品，而“龍”飛船主要運送科學及應用硬件，為空間站提供數(shù)十臺實驗設備。本次“龍”飛船主要將科學設備運送到空間站，接下來的6個月內(nèi)，空間站上計劃進行300項獨立研究。“龍”飛船搭載的貨物中科學硬件就有732kg，幾乎占到加壓貨物總質(zhì)量（1530kg）的1/2。其余包括空間站綜合維護硬件，乘員補給，艙外活動所用設備、計算機，以及俄羅斯硬件。兩個外部有效載荷，SAGE-3 和空間測試計劃-H5（STP-H5）總質(zhì)量960kg，將在“龍”飛船停留期間，由加拿大機械臂-2和Dextre機器人安裝在空間站的桁架上。

2 有效載荷

作為唯一能通過降落傘輔助濺落將硬件返回地面的飛船，太空探索技術(shù)公司的“龍”貨運飛船在“國際空間站”貨運飛船中扮演著至關(guān)重要的角色，返回能力在“國際空間站”的科學任務中至關(guān)重要，因為數(shù)百個實驗收集的樣品需要被運回地球，以便用地面實驗室設備進行分析。未來，太空探索技術(shù)公司還希望能夠運送故障系統(tǒng)硬件返回地球，以便檢查設備故障。

“龍”飛船本次攜帶了2490kg的內(nèi)部和外部貨物。搭載在航天器主體上有兩個外部載荷：NASA的SAGE-3大氣傳感儀器，繼續(xù)長期對大氣中的臭氧層和懸浮的氣溶膠進行記錄，此外，飛船還搭載了NASA選出的13個空間測試計劃-H5托盤貨架實驗。

“大烏鴉”技術(shù)模塊

本次任務“龍”飛船搭載了NASA的一個關(guān)鍵設備“大烏鴉”（Raven）升空，該設備將被安裝在“國際空間站”外部，測試太空自主交會能力所需要的基礎(chǔ)技術(shù)，包括傳感器、機器視覺算法、處理等。自主交會技術(shù)一旦成熟，航天器的對接將不需要任何人員參與或地面操控?！按鬄貘f”任務正在推動這種相對導航技術(shù)的逐步成熟，具有突破性意義。

該新系統(tǒng)對NASA至關(guān)重要。具體來說，該系統(tǒng)希望創(chuàng)建一種特殊類型的服務衛(wèi)星，可以修復或為老化的空間探測器補充燃料。通常，軌道上的衛(wèi)星約有十年的有限壽命，因為隨著時間的推移它們最終將耗盡操作所需的燃料。但是，維修衛(wèi)星可能會使軌道上衛(wèi)星的壽命延長?！按鬄貘f”模塊包含三個關(guān)鍵的傳感器—可見光、紅外和激光雷達測距傳感器（LiDAR）。這些工具將被用來識別太空中的維修衛(wèi)星，并測量它的距離及運動軌跡。未來的服務衛(wèi)星隨后可以使用“大烏鴉”系統(tǒng)來找出需要補充燃料的航天器。“大烏鴉”計劃在“國際空間站”停留2年。該模塊將通過跟蹤航天器來查看NASA的導航算法。

SAGE-3大氣傳感儀

SAGE-3是在NASA地球觀測計劃下建立的第3個平流層氣溶膠和氣體實驗，用于收集關(guān)于大氣成分的長期數(shù)據(jù)。在“國際空間站”觀測大氣使SAGE-3在長期任務期間可以提供持續(xù)的、近地大氣測量數(shù)據(jù)，為氣候變化和大氣化學研究提供關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)。SAGE提供的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包括對氣溶膠從對流層上層通過平流層的垂直分布和臭氧從對流層到中流層的測量。SAGE測量的重要痕量氣體包括水蒸氣和二氧化氮，這2種氣體在驅(qū)動地球能量循環(huán)的輻射和化學過程中起著主要作用。

空間測試計劃-H5載荷

空間測試計劃-H5專門用于釋放小型的技術(shù)載荷和其他演示驗證載荷，以進一步開發(fā)、評價和推進未來航天新技術(shù)?？臻g測試計劃-H5托盤載有13個實驗有效載荷，包括閃電成像望遠鏡、混合天基計算機、航天器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測儀、空間導航系統(tǒng)測試臺、用于大氣甲烷測量的分光儀和創(chuàng)新涂料實驗裝置等。

嚙齒動物研究-4設備

本次“龍”飛船還搭載了一組老鼠至“國際空間站”，嚙齒動物研究-4又稱“組織再生-骨質(zhì)缺損”研究，觀察脊椎動物的組織和骨骼再生以及微重力環(huán)境如何影響過程。

蛋白質(zhì)晶體生長-5實驗

蛋白質(zhì)晶體生長-5實驗全稱為“用于藥物應用的結(jié)晶單克隆抗體的微重力生長實驗，旨在在“國際空間站”的獨特微重力環(huán)境中結(jié)晶單細胞抗體，使得最終能夠產(chǎn)生超高品質(zhì)的晶體。

微重力擴張干細胞

干細胞在再生醫(yī)學領(lǐng)域具有重大意義。目前，沒有干細胞擴增的有效方式，但是干細胞擴增過程可以在微重力環(huán)境中加速。微重力擴張干細胞實驗將在空間站上培養(yǎng)人類干細胞用于臨床試驗，以評估其在治療疾病中的效率。

實驗將擴增3種不同類型的干細胞：間充質(zhì)干細胞（MSC），造血干細胞（HSC）和白血病癌干細胞。如果實驗確定微重力中的擴增加速，第二個問題將是“國際空間站”環(huán)境是否適合生產(chǎn)臨床級干細胞。最終目標是建立一個太空生物反應器，用于生產(chǎn)有意義數(shù)量的臨床級干細胞。

此次“龍”貨運飛船搭載了一種超級病菌—耐甲氧西林金黃色葡萄球菌（MRSA）。它會引起病人非常頻繁且難以治療的感染，這種病菌正在迅速變得對大多數(shù)的抗生素具有耐藥性。美國空間科學促進中心（CASIS）這次委托NASA把耐甲氧西林金黃色葡萄球菌送上空間站，就是認為，耐甲氧西林金黃色葡萄球菌會在太空環(huán)境下加速變異。本次任務旨在提前觀察耐甲氧西林金黃色葡萄球菌的未來形態(tài)，以便提前研發(fā)藥物。

3 結(jié)語

2017年3月20日，太空探索技術(shù)公司發(fā)出消息稱，“龍”貨運飛船于3月19日攜帶2450kg載荷及重要試驗樣本成功濺落太平洋。成功著陸后，公司將對飛船進行全面檢查和檢修，此次返回地球的載荷會被悉數(shù)送往NASA，包括“組織再生-骨質(zhì)缺損”和“微重力干細胞”研究樣本等。

此次“龍”運貨飛船的發(fā)射對于激發(fā)和振奮人類太空探索的熱情將起到重大推動作用，意義非同一般。此次任務可以說是LC 39A發(fā)射臺的“重生”，也標志著由政府主導的太空探索正在向政府與私營企業(yè)合作的方向積極轉(zhuǎn)變。雖然本次任務一波三折，“龍”飛船還遭遇了首次對接故障，但這并不影響未來太空探索技術(shù)公司的發(fā)展和其與NASA之間的合作。

太空探索技術(shù)公司的“龍”飛船是按照多次復用而設計的，因此下次執(zhí)行“國際空間站”貨物補給任務時，將使用一艘回收自2014年補給任務的“龍”飛船，該飛船也將成為首艘重復使用的飛船?！半p復用”任務或?qū)⒂?018年進行。