焦通 （中國空間技術研究院）

美國太空探索技術公司首次發(fā)射復用“龍”飛船

焦通 （中國空間技術研究院）

SpaceX Launched Reuse Dragon Spacecraft Firstly

2017年6月3日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭從肯尼迪航天中心發(fā)射升空，成功將“龍”（Dragon）飛船送入初始目標軌道，執(zhí)行該公司第11次“商業(yè)補給服務”（CRS）合同任務（SpX－11）。執(zhí)行本次任務的“龍”飛船曾于2014年9月發(fā)射升空，與“國際空間站”（ISS）對接停留34天后返回地球，降落太平洋。本次任務的成功標志著航天史上首次實現(xiàn)貨運飛船加壓艙重復使用，具有極為重大的意義。

火箭發(fā)射升空3min后，主引擎按計劃關閉，火箭第一級分離，第二級引擎點火。在發(fā)射升空后不到8min，火箭第一級在發(fā)射臺附近的著陸場垂直著陸。這是SpaceX公司第5次成功實現(xiàn)陸地火箭回收，總計第11次實現(xiàn)火箭回收，本次的火箭發(fā)射也是美國航空航天局（NASA）LC－39A發(fā)射臺執(zhí)行的第100次發(fā)射任務。

本次任務中，“龍”飛船攜帶約2700kg的物資，包括太陽電池板、地球觀測工具與中子星研究設備。其中，由北京理工大學鄧玉林教授團隊獨立設計的一個實驗項目也搭乘“龍”飛船上天。該項目旨在研究空間輻射及微重力環(huán)境對抗體編碼基因的突變影響。2017年6月5日，“龍”飛船被加拿大機械臂－2（Canadarm－2）捕獲，成功將貨物補給以及實驗設備送抵“國際空間站”。本次貨物補給運輸任務順利完成后，“龍”飛船于7月3日返回地球。

1 任務背景

根據(jù)NASA與SpaceX公司在2008年12月簽訂的“商業(yè)補給服務”合同，SpaceX公司要在2016年之前為NASA發(fā)射12艘載貨型“龍”飛船，共向“國際空間站”運送20t貨物，合同價值16億美元。載貨型“龍”飛船曾是首個到訪“國際空間站”的商業(yè)航天器，也是首個從軌道返回地球的商業(yè)航天器。

SpaceX公司作為首個向“國際空間站”運輸貨物的私人航天公司，自2012年以來已經(jīng)向“國際空間站”發(fā)射11艘飛船。這是美國現(xiàn)役貨運飛船發(fā)射合同中次數(shù)最多的一家，雖然難與俄羅斯的“進步”（Progress）系列貨運飛船匹敵，但在為“國際空間站”提供貨物運輸這一領域，已經(jīng)成為極具影響力的主流力量。

2 飛行任務情況

本次發(fā)射任務原計劃于美國東部時間6月1日17：55（北京時間6月2日5：55）進行，但因肯尼迪航天中心附近出現(xiàn)閃電，飛船無法在30min內發(fā)射，任務執(zhí)行因此延遲。美國東部時間6月3日17：07，獵鷹－9火箭點火發(fā)射升空。

根據(jù)3日晚間的跟蹤數(shù)據(jù)，火箭起飛后10min就釋放了“龍”飛船，飛船進入204km×354km的初始軌道。船箭分離2min內，“龍”飛船拋離了2個太陽能陣列蓋，展開發(fā)電陣列。在飛船繞地飛行第1圈時，位于加利福尼亞州霍桑市SpaceX公司總部的駐地任務控制小組對“龍”飛船飛行速度進行調整，以確保其所有系統(tǒng)在搭載獵鷹－9進入軌道之后都能運行。

第一次高度調整/橢圓形機動，使“龍”飛船進入“國際空間站”下方2500m的軌道，并繼續(xù)追趕空間站。北京時間6月5日18：00之前，飛船進入距離空間站28km的通信區(qū)，開啟相對導航，通過空間站和飛船之間的空對空無線電鏈路來實現(xiàn)GPS導航數(shù)據(jù)的交換。

第三次高度調整/橢圓形機動，使“龍”飛船到達空間站下方1400m處，并進行了一系列修正。北京時間19：15，任務控制中心下達啟動逼近指令，飛船以0.3m/s的速度轉移至空間站的正下方。北京時間20：00，在飛船距空間站350m時獲取R－Bar，“國際空間站”和地面控制中心實現(xiàn)虛線連接。“龍”飛船隨后進入一個短時保持模式，專門用于180°偏航操控，以正確定位抓捕裝置，將推進器指向適當?shù)姆较颍赃M行可能的中止機動。隨后，飛船由相對導航系統(tǒng)轉換為鄰近導航系統(tǒng)，檢查無誤后，休斯頓任務控制中心和SpaceX公司總部的駐地任務控制小組發(fā)出“GO”的指令。飛船接到指令后，輕輕推動飛船上的“天龍”（Draco）推力器，繼續(xù)前進20m，以到達距空間站僅10m的捕獲點。北京時間21：38，飛船到達捕獲點，將其和空間站的相對速率歸零。站上乘員接收到捕獲指令后，釋放加拿大機械臂－2的制動器，指揮飛船進入自由漂移狀態(tài)。北京時間21：52，確認成功捕獲飛船。

3 復用“龍”飛船

“龍”飛船是由SpaceX公司研制并運營的商業(yè)軌道飛行器，有載貨型和載人型兩種構型。載貨型“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，任務結束后在洋面上濺落回收，是目前唯一能夠攜帶物品返回的空間站貨運飛船。

人類航天史上有過眾多的貨運飛船和載人飛船，都沒有嘗試過重復使用。由于發(fā)射和返回過程中，飛船會受到劇烈震動、空間輻射和再入大氣層的高溫灼燒以及海水浸泡等，很可能在復用中導致設備和零件失效。但SpaceX公司可靠性副總裁漢斯·科尼格斯曼表示，該公司工程師對比了2014年該艘“龍”飛船首次飛行中經(jīng)歷的結構載荷記錄和組件在最初設計時留下的設計裕量，認為各個部件仍具有足夠的壽命和可靠性。SpaceX公司的技術人員在翻修中更換了幾種被海水浸泡的零件，如電池和飛船的隔熱罩，但船體、推進器、推進劑儲箱、線路系統(tǒng)和一些導航電子設備等都是上一次執(zhí)行任務的飛船部件，復用比例相當高。SpaceX公司對“龍”貨運飛船的期望是能夠重復使用3次，這對于降低成本至關重要。由于SpaceX公司將集中精力研發(fā)載人型“龍”飛船，后續(xù)“商業(yè)補給服務”合同下的所有載貨型“龍”飛船都將采用復用飛船。本次“龍”飛船按照預期在“國際空間站”停留1個月，于7月3日返回地球，濺落太平洋。

4 科學有效載荷

飛船上攜帶約2700kg的物資，包括太陽能電池板、地球觀測工具與中子星研究設備。加壓貨物（含包裝）質量1665kg，其中包括科學研究裝置1069kg，硬件199kg，乘員補給242kg，計算機資源27kg，太空行走設備56kg。非加壓貨物1002kg。在“龍”飛船搭載的貨物中，有一個來自北京理工大學的質量為3.5kg的裝置，航天員在大約2周的時間內使用該設備進行研究，并將數(shù)據(jù)發(fā)回中方研究人員，這個項目旨在研究空間輻射及微重力環(huán)境對抗體編碼基因的突變影響。本次“龍”飛船攜帶的貨物將支持超過250項科學和研究調查。此外，“龍”飛船返回時裝載了1900kg返回貨物，包括實驗硬件、系統(tǒng)硬件、乘組人員不再需要的物品。

中子星內部成分探測器

飛船上的中子星內部成分探測器（NICER）屬于NASA“天體物理學探險者計劃”，將用來研究中子星不同尋常的引力、電磁和核物理環(huán)境，并首次試驗把中子星作為導航信標的技術，它將提供比當前基于無線電的導航架構更高的精度。

飛船上的中子星是超密度恒星，直徑只有幾十千米，是溫度最高的恒星之一，擁有最高的穩(wěn)定密度。多年來發(fā)展出多種關于中子星的理論，但需要通過天體物理觀察進行驗證。中子星內部成分探測器在軟X射線譜帶中收集中子星熱輻射和非熱輻射的高靈敏度旋轉分辨光譜。探測器將采用前所未有的測量精度探測中子星內部結構，了解中子星超能粒子加速的原理。

鋪開式太陽電池陣

飛船上的鋪開式太陽電池陣（ROSA）用于試驗一種能在發(fā)射時卷收起來、上天后再像卷尺一樣鋪展開的柔性太陽電池陣設計。它將研究展開太陽電池陣列部署、收回和形狀變化的動態(tài)，以評估陣列在實際操作環(huán)境中的實力和耐久性，以降低其技術風險。

多用戶地球遙感系統(tǒng)

飛船上的多用戶地球遙感系統(tǒng)（MUSES）由特里達因·布朗工程公司根據(jù)同NASA的協(xié)議研制，可裝載高分辨率數(shù)字式相機和高光譜成像儀等對地觀測儀器。

多用戶地球遙感系統(tǒng)一次最多可容納4臺儀器，該系統(tǒng)針對各種傳感器進行了優(yōu)化，包括但不限于高分辨率數(shù)碼相機、高光譜成像儀、激光雷達、磁傳感器、大氣監(jiān)測有效載荷和技術驗證專用傳感器。

嚙齒動物研究－5

飛船上的嚙齒動物研究－5設備是“國際空間站”上部署的第2套嚙齒動物住所，以出資方美國禮來公司（Eli Lilly）的名字命名，將密切研究肌肉生長抑制素的抑制作用，用于預防小鼠在長時間航天飛行過程中的骨骼肌肉萎縮和肌無力。航天飛行中的航天員會經(jīng)受骨質和肌肉質量的快速流失，尤其是腿和脊柱，流失速率接近地面上的萎縮癥患者。這項研究利用小鼠作為模式生物體，檢查某種藥物對預防肌肉或骨質流失的反應。

果蠅實驗－2

飛船上的果蠅實驗－2研究將使用果蠅（黑腹果蠅）更好地了解長期接觸微重力對心臟不良反應的潛在機制。前期的航天研究表明，空間環(huán)境可以影響航天員的心血管系統(tǒng)。該實驗將有助于開發(fā)果蠅的微重力心臟模型。

蛋白質晶體生長－6

飛船上的蛋白質晶體生長－6實驗繼續(xù)開發(fā)利用空間站上的新環(huán)境，研究微重力環(huán)境中的蛋白質結晶，理解蛋白質晶體生長的機制，以便改進地球上的藥用物品。蛋白質晶體生長－6包括兩項研究，充分利用站上可用于基于結構的藥物設計（SBDD）的獨特環(huán)境，用蛋白質晶體學引導設計更高效、更有針對性的藥物。

心臟干細胞

該研究將闡明干細胞在心臟生物學和組織生成中的作用，以及微重力環(huán)境加速老化過程的假設。航天員將活的心臟細胞帶到空間站上，用一個月時間來培養(yǎng)它們，以測試其大小、形狀和跳動模式的變化。受微重力環(huán)境影響，人類心臟作為一個整體將會產(chǎn)生一些結構性的變化。為獲得心臟細胞，科學家將人體皮膚細胞轉化為干細胞，然后將它們培養(yǎng)成心臟細胞。在太空飛行后，他們將與地面樣品進行比較，以了解他們的基因表達發(fā)生了怎樣的變化。心臟干細胞旨在確定微重力對新生兒和成年干細胞早期心血管干細胞信號、遷移、增殖、分化和衰老的影響。特別關注的是對這些參數(shù)的年齡依賴性影響，以驗證空間環(huán)境加速老化過程的假設。

此外，本次發(fā)射的飛船上還搭載了由日本九州工業(yè)大學在“聯(lián)合全球多國鳥衛(wèi)星”項目下建造的5顆單體立方體衛(wèi)星，質量均為1kg。該項目由日方牽頭，旨在幫助沒有衛(wèi)星制造能力的非航天國家設計、研制和運行衛(wèi)星。

5 結語

SpaceX公司此次發(fā)射復用火箭及飛船，是人類航天史上的又一重大里程碑。為了節(jié)省成本，未來，馬斯克計劃全面回收并重復使用一級、二級火箭和“龍”飛船，現(xiàn)在已經(jīng)成功完成了回收一級火箭和“龍”飛船的任務。馬斯克此前曾表示，“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭2017年晚些時候首飛時，SpaceX公司將嘗試回收二級火箭。

展望未來，SpaceX公司在2017年2月披露，其龍－2飛船將搭載2名私人乘客進行環(huán)月飛行，飛船再入速率和從火星返回地球的速率相似。如果SpaceX公司可成功完成計劃，將向馬斯克的終極目標—移民火星邁進一大步。