▲ 載人型龍飛船內(nèi)的觸摸屏操作系統(tǒng)

作為航天業(yè)的新秀，太空探索技術(shù)（SpaceX）公司近些年的發(fā)展可謂風(fēng)生水起。在載人航天領(lǐng)域，SpaceX公司之前雖然從未將航天員送入太空，但從2012年就已經(jīng)開始為國際空間站提供“快遞服務(wù)”。SpaceX公司研發(fā)的貨運型龍飛船是美國宇航局（NASA）主導(dǎo)的國際空間站商業(yè)貨運計劃的主力飛船，迄今為止已經(jīng)成功為國際空間站運送了14次貨物。相比俄羅斯進(jìn)步號貨運飛船等其他以主動焚毀方式返回地面的貨運飛船，龍飛船最鮮明的特征就是其出眾的下行貨物運輸能力。由于龍飛船的加壓艙使用可回收復(fù)用設(shè)計，因此在每次返回地面時都能將國際空間站約3噸的各類科學(xué)實驗樣品帶回地球，大大緩解了國際空間站的下行運輸壓力，而此次入選商業(yè)載人航天計劃的載人型龍飛船，是SpaceX公司在貨運版龍飛船成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，針對載人任務(wù)而全新設(shè)計的一款飛船。

基本設(shè)計

載人型龍飛船也被稱為龍飛船2代。從外觀上看，這種飛船采用了和波音的CST-100飛船及NASA的獵戶座飛船類似的兩艙式結(jié)構(gòu)。但在SpaceX公司對外發(fā)布的信息中，飛船分為了三部分。第一部分為頭錐，在飛船發(fā)射升空時，頭錐為整個飛船和頭錐內(nèi)部的對接系統(tǒng)提供保護(hù)。頭錐和飛船通過鉸鏈相連，在飛船與空間站對接時打開，在飛船撤離空間站時關(guān)閉，同飛船本體一同返回地面，從而實現(xiàn)了重復(fù)利用。第二部分為飛船本體，除了為航天員的飛行提供空間和保障外，飛船本體上還安裝了降落傘、逃逸發(fā)動機(jī)、姿態(tài)控制發(fā)動機(jī)等裝置。而飛船尾部的第三部分，外形與其他飛船的服務(wù)艙類似，但被SpaceX公司稱為“軀干”。與其他飛船在服務(wù)艙上布置提供飛船主要推力的發(fā)動機(jī)不同的是，載人型龍飛船的軀干上沒有安裝發(fā)動機(jī)，只在表面鋪設(shè)了太陽能電池陣列和熱輻射器。 由于不再設(shè)置太陽能帆板，因此載人型龍飛船無需進(jìn)行帆板展開，減小了出現(xiàn)問題的可能性。此外，軀干還能在飛船逃逸時提供氣體動力學(xué)穩(wěn)定功能。

載人型龍飛船一次最多可將4名航天員送入太空，可以獨立在太空中飛行一周。目前，spaceX公司計劃在第一次和第二次載人任務(wù)時，只安裝了2個座椅，對接到國際空間站后，飛船能夠工作180～210天。雖然飛船儲存的氣體可以讓飛船在出現(xiàn)微小泄露時仍能維持航天員們的呼吸，直至返回地面，但在關(guān)鍵飛行過程中，航天員們?nèi)匀粫┲鳶paceX公司為飛船配套設(shè)計的航天服，以應(yīng)對飛船快速釋壓的險情。

在觸屏手機(jī)和平板電腦大行其道的年代，載人型龍飛船的控制系統(tǒng)也采用了觸摸屏作為主要顯示方式，可為航天員提供飛船關(guān)鍵狀態(tài)和飛船健康狀況的感知。龍飛船具備自動駕駛和對接的功能，可以在航天員們完全不管的情況下自動完成與國際空間站的對接，且對接過程無需像貨運型龍飛船那樣，借助空間站上的機(jī)械臂幫助。在座艙內(nèi)，生命保障系統(tǒng)為航天員們提供濕度合適的新鮮空氣，將座艙內(nèi)的氣壓和二氧化碳濃度保持在適宜的范圍內(nèi)。一旦飛船發(fā)生火警，防火系統(tǒng)會迅速確定起火點并將火撲滅。吸取了哥倫比亞號航天飛機(jī)事故的教訓(xùn)，飛船座椅的設(shè)計能夠為航天員們提供更好的保護(hù)。

▲ 最初設(shè)計安排了7個座位

▲ 載人型龍飛船的頭錐部分打開，準(zhǔn)備對接

▲ 逃逸系統(tǒng)測試

逃逸系統(tǒng)與返回方式

與同期入選NASA商業(yè)載人航天計劃的CST-100飛船一樣，載人型龍飛船也采用了自主逃逸系統(tǒng)，可在整個飛行過程中通過飛船本身的發(fā)動機(jī)提供終止任務(wù)、安全返回地面的功能。相比使用逃逸塔的方案，自主逃逸系統(tǒng)不但減少了發(fā)射重量，還減少了發(fā)射過程中逃逸塔分離的環(huán)節(jié)，進(jìn)一步增強(qiáng)了發(fā)射的可靠性。逃逸系統(tǒng)的動力來源于超級天龍座發(fā)動機(jī)。共有8臺超級天龍座發(fā)動機(jī)，分為4組安裝在飛船側(cè)面的壁板上，每臺發(fā)動機(jī)能夠提供約71千牛的推力。在接到點火的指令后，這種發(fā)動機(jī)能夠在短短100毫秒內(nèi)達(dá)到最大推力狀態(tài)。8臺發(fā)動機(jī)之間還能互為冗余備份，在其中某些發(fā)動機(jī)出現(xiàn)問題時，依靠其他的正常發(fā)動機(jī)仍然能夠保證航天員們的安全，其冗余性能已經(jīng)超過了NASA的要求。

為了驗證飛船的逃逸性能，載人型龍飛船在2015年5月進(jìn)行了逃逸測試。通過逃逸系統(tǒng)提供的推力，飛船的測試體從卡納維拉爾角航天中心的40號綜合發(fā)射設(shè)施起飛，在99秒后按照預(yù)定計劃成功地降落在附近的海面上。在測試過程中，SpaceX公司的工程師們在飛船的一個座椅上安裝了模擬假人與傳感器，以收集逃逸過程中航天員可能受到的沖擊數(shù)據(jù)。同時，工程師們發(fā)現(xiàn)了一臺超級天龍座發(fā)動機(jī)的燃料混合比例問題，但這并沒有影響到整個試驗的成功。

起初，SpaceX公司計劃讓超級天龍座發(fā)動機(jī)一機(jī)兩用，為飛船著陸提供精準(zhǔn)的控制和減速，使飛船能夠在地面軟著陸。然而，隨著商業(yè)航天計劃的進(jìn)一步深入，NASA和SpaceX公司決定在最初的幾次任務(wù)中不采用陸上著陸的方式，而是使用原為備份系統(tǒng)的降落傘進(jìn)行海上著陸和回收。但這并不意味著超級天龍座發(fā)動機(jī)的“失業(yè)”。在正常飛行過程中，兩組超級天龍座發(fā)動機(jī)將為飛船提供變軌的動力。

在返回地面的過程中，飛船會與地球大氣發(fā)生劇烈的相互作用而產(chǎn)生大量熱量。為了保證飛船的安全，必須采取有效的熱保護(hù)措施。載人型龍飛船所使用的熱保護(hù)罩，在NASA提供的酚醛樹脂浸漬碳燒蝕體技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使防熱性能獲得了大幅度提升。雖然飛船目前僅被安排執(zhí)行近地軌道飛行任務(wù)，但熱保護(hù)罩的各項指標(biāo)已經(jīng)足以承受以更高速度從月球軌道直接返回大氣層時所釋放的熱量。在回收后，飛船可重復(fù)使用約十次，在很大程度上降低了飛行成本。

發(fā)射載具

在今年年初成功試射的重型獵鷹火箭出盡風(fēng)頭后，SpaceX公司的主力火箭獵鷹9號似乎變成了“過氣網(wǎng)紅”。但實際上，由于載人發(fā)射任務(wù)對于安全性和可靠性要求高，剛剛出道的重型獵鷹火箭還不能承擔(dān)這方面的任務(wù)。此外，在馬斯克提出去往火星的BFR火箭-飛船綜合體方案后，SpaceX公司表示未來將不會使用重型獵鷹火箭承擔(dān)載人任務(wù)。未來，載人型龍飛船將由獵鷹9號火箭發(fā)射。

獵鷹9號火箭沒有使用助推器，其起飛推力來自于第一級上安裝的9臺梅林發(fā)動機(jī)。在火箭第一級底部，除位于中心位置的一臺發(fā)動機(jī)外，其余8臺發(fā)動機(jī)呈環(huán)形安裝在第一級底部四周。這樣的結(jié)構(gòu)不但有助于保護(hù)單臺發(fā)動機(jī)，也可以在某些發(fā)動機(jī)失效的情況下依靠其他發(fā)動機(jī)繼續(xù)完成飛行。在2012年使用獵鷹9型火箭發(fā)射貨運型龍飛船時，一臺發(fā)動機(jī)在起飛后79秒時意外關(guān)機(jī)。其余8臺正常工作的發(fā)動機(jī)通過多工作28秒的方式補(bǔ)償了意外造成的推力損失。雖然這次事件造成了附加載荷未能入軌，但作為主載荷的貨運型龍飛船還是成功完成了任務(wù)。

盡管獵鷹9型火箭第一級具備成熟的可回收重用能力，回收重用之后的“二手火箭”也已經(jīng)成功完成了數(shù)次發(fā)射，但這種能力在執(zhí)行載人型龍飛船發(fā)射時可能并不能派上用場。按照NASA的合同約定，發(fā)射載人型飛船時必須使用全新制造的火箭。不過，由于可回收重用設(shè)計對火箭第一級機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的強(qiáng)化，這種不會使用的功能在一定程度上提高了火箭的可靠性。

提高發(fā)射可靠性的另一個途徑是SpaceX公司在發(fā)射前進(jìn)行的“全真模擬”。在火箭生產(chǎn)階段，每臺將要上天的發(fā)動機(jī)都要進(jìn)行靜態(tài)點火試驗，發(fā)動機(jī)在試驗時所使用的控制軟件工作狀態(tài)和實際飛行時完全一致，可以將可能存在的問題暴露出來。在發(fā)射進(jìn)行前，整枚火箭還會在發(fā)射臺上再進(jìn)行一次靜態(tài)點火試驗。在此試驗中，控制人員將按照實際發(fā)射前的流程進(jìn)行火箭燃料填充等操作，直到倒計時結(jié)束、第一級火箭點火。由于第一級火箭被固定在發(fā)射臺上，因此火箭在靜態(tài)點火試驗中不會升空，一旦推力到達(dá)預(yù)定的起飛推力便會關(guān)機(jī)。通過這種測試，可以全面檢查火箭本身和地面系統(tǒng)是否為發(fā)射做好了準(zhǔn)備，收集到的數(shù)據(jù)可為正式發(fā)射前再對火箭進(jìn)行調(diào)試提供依據(jù)。最后，在真正進(jìn)行發(fā)射時，火箭點火并建立推力的過程中，各個系統(tǒng)還會進(jìn)行一次最終的自我檢測，沒有問題后火箭會被發(fā)射臺釋放，飛向太空。

▲ 航天員登上載人型龍飛船所用的登船搖臂正在加緊安裝

▲ 載人型龍飛船

載人型龍飛船的發(fā)射將在肯尼迪航天中心的39號綜合發(fā)射設(shè)施進(jìn)行。這個綜合發(fā)射設(shè)施擁有39A、39B、39C三個發(fā)射塔，SpaceX公司將使用的發(fā)射塔為39A。歷史上，這里曾是阿波羅登月飛船發(fā)射的地方，也曾以每年多次的頻率起飛過航天飛機(jī)。在航天飛機(jī)退役后，39A發(fā)射架曾一度閑置。2014年，SpaceX公司簽下了為期20年的租約，開始重新啟用該發(fā)射架。為了進(jìn)行載人發(fā)射，SpaceX公司一方面將會重新修復(fù)之前為航天飛機(jī)設(shè)計的緊急逃生裝置，另一方面也會增加一些新設(shè)施，方便航天員進(jìn)入飛船。