何慧東 （北京空間科技信息研究所）

美國(guó)東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2020 年11 月15 日19:27（北京時(shí)間11 月16 日08:27），太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“載人龍”飛船（Crew Dragon）由獵鷹-9（Falcon-9）運(yùn)載火箭從肯尼迪航天中心第39A 發(fā)射臺(tái)發(fā)射，執(zhí)行首次“國(guó)際空間站”業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)?！拜d人龍”飛船經(jīng)過27.5 小時(shí)的飛行后與“國(guó)際空間站”對(duì)接，飛船搭載了美國(guó)籍的邁克爾·霍普金斯、維克多·格洛弗、香農(nóng)·沃克和日本籍野口聰一等4 名航天員，航天員將在“國(guó)際空間站”開展為期約6 個(gè)月的科學(xué)任務(wù)。

1 任務(wù)背景

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，近地軌道載人航天技術(shù)日趨成熟，美國(guó)政府層面將下一步目標(biāo)定位于更具挑戰(zhàn)性的載人月球/深空探索；同時(shí)，在2011 年航天飛機(jī)退役后，美國(guó)只能依靠俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）飛船執(zhí)行載人航天飛行任務(wù)。在此背景下，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）積極推動(dòng)將近地軌道載人航天活動(dòng)移交商業(yè)公司。

目前，美國(guó)商業(yè)貨運(yùn)補(bǔ)給已發(fā)展成熟，正式投入服務(wù)超過8 年，“龍”（Dragon）飛船、“天鵝座”（Cygnus）飛船等商業(yè)貨運(yùn)飛船累計(jì)為“國(guó)際空間站”提供了34 次貨運(yùn)補(bǔ)給服務(wù)。商業(yè)乘員運(yùn)輸正在發(fā)展之中，NASA 支持了SpaceX 公司“載人龍”飛船和波音公司“星際客船”（CST-100 Starliner）的研發(fā)工作，兩型載人飛船均在2019 年開展了無人飛行試驗(yàn)，“載人龍”飛船在2020 年成功開展了發(fā)射逃逸試驗(yàn)、載人飛行試驗(yàn)，率先完成全部認(rèn)證工作，正式投入業(yè)務(wù)化商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)。

2 任務(wù)發(fā)展歷程

NASA 通過發(fā)展商業(yè)乘員運(yùn)輸計(jì)劃向“國(guó)際空間站”往返運(yùn)送航天員。在“商業(yè)乘員計(jì)劃”（CCP）框架下，SpaceX 公司獲得了NASA 四個(gè)階段的合同，用于開展飛船的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)、運(yùn)行等各項(xiàng)工作，合同總金額約31.53 億美元。

“載人龍”飛船項(xiàng)目研制合同匯總

“載人龍”飛船項(xiàng)目歷經(jīng)10 年的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)，獲得最終認(rèn)證。期間，SpaceX 公司根據(jù)研制計(jì)劃開展了4 次“載人龍”飛船重大飛行試驗(yàn)任務(wù)，分別是：發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)、飛行過程逃逸試驗(yàn)、無人飛行試驗(yàn)和載人飛行試驗(yàn)。

“載人龍”飛船發(fā)射臺(tái)逃逸試驗(yàn)，飛船從試驗(yàn)臺(tái)飛離

“載人龍”飛船無人飛行試驗(yàn)，飛船與“國(guó)際空間站”對(duì)接

“載人龍”飛船發(fā)射逃逸試驗(yàn)，飛船分離后，獵鷹-9 火箭爆炸

“載人龍”飛船載人飛行試驗(yàn)，航天員安全返回

3 任務(wù)基本情況

此次任務(wù)代號(hào)為乘員-1（Crew-1），是“載人龍”飛船首次正式商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)任務(wù)，也是該型飛船的第2 次載人飛行任務(wù)。

執(zhí)行此次任務(wù)的航天員將飛船命名為堅(jiān)韌號(hào)（Resilience），一方面象征NASA、SpaceX 公司、任務(wù)乘組近年的堅(jiān)持和努力，另一方面象征全世界在新冠疫情等重大挑戰(zhàn)中面對(duì)壓力、克服困難。任務(wù)圖標(biāo)中間是“龍”、數(shù)字“1”和“載人龍”飛船的形狀，外環(huán)上方是“國(guó)際空間站”，下方是航天飛機(jī)、“阿波羅”（Apollo）、“雙子座”（Gemini）和“水星”（Mercury）的標(biāo)識(shí)，代表美國(guó)歷史上發(fā)展過的載人運(yùn)輸系統(tǒng)。

“載人龍”飛船Crew-1 任務(wù)圖標(biāo)

飛行方案

（1）發(fā)射入軌

本次任務(wù)發(fā)射過程按照NASA 和SpaceX 公司確定的操作程序進(jìn)行，獵鷹-9 運(yùn)載火箭在零發(fā)射窗口點(diǎn)火，順利將“載人龍”飛船送入預(yù)定軌道，并成功實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭第一級(jí)的海上垂直回收。

（2）交會(huì)對(duì)接

“載人龍”飛船入軌后，乘員和地面控制中心對(duì)飛船環(huán)控生保系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)等進(jìn)行測(cè)試，隨后飛船進(jìn)行一系列調(diào)相機(jī)動(dòng)，追趕“國(guó)際空間站”。“載人龍”飛船從徑向接近空間站，隨后轉(zhuǎn)移至速度方向（V-bar，即前方），經(jīng)過約27.5 小時(shí)的飛行，于北京時(shí)間11 月17 日12：01 與“國(guó)際空間站”和諧號(hào)節(jié)點(diǎn)艙前端的“國(guó)際對(duì)接適配器”（IDA）對(duì)接。

“載人龍”飛船Crew-1 任務(wù)乘組

“載人龍”飛船結(jié)構(gòu)圖

完成對(duì)接后，“載人龍”飛船和“國(guó)際空間站”進(jìn)行壓力平衡，隨后打開艙門，4 名航天員進(jìn)入空間站，成為第64 長(zhǎng)期考察組乘員。

（3）返回回收

4 名航天員計(jì)劃在“國(guó)際空間站”工作約6 個(gè)月，站上任務(wù)結(jié)束后，“載人龍”飛船將搭載4 名航天員自主與“國(guó)際空間站”分離。隨后飛船減速、再入大氣層，濺落在佛羅里達(dá)州附近的海面上。SpaceX 公司的回收船將迅速回收飛船，接回航天員，返回卡納維拉爾角。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）“載人龍”飛船

“載人龍”飛船是美國(guó)政府資助、SpaceX 公司研制的新一代載人飛船。未來，NASA 只需支付政府航天員運(yùn)送費(fèi)用，而由SpaceX 公司完成載人飛船的研制、發(fā)射和運(yùn)行任務(wù)。

“載人龍”飛船具有可重復(fù)使用、乘員運(yùn)輸能力強(qiáng)、內(nèi)部空間大、操作友好等特點(diǎn)，能夠執(zhí)行低成本、業(yè)務(wù)化的低地球軌道載人航天飛行任務(wù)。“載人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計(jì)方案，包括乘員艙和非密封艙兩部分：乘員艙用于運(yùn)送乘員和加壓貨物；非密封艙可攜帶非加壓貨物，同時(shí)在外表面安裝了太陽(yáng)電池和熱輻射器用于發(fā)電和熱控制，4 個(gè)尾翼在緊急分離情況下可提供氣動(dòng)穩(wěn)定性。

飛船設(shè)計(jì)最多可搭乘7名航天員，獨(dú)立飛行時(shí)可工作1 周，對(duì)接狀態(tài)下可工作210 天。飛船直徑4m，高度8.1m，加壓容積達(dá)9.3m3，非加壓容積達(dá)37m3，發(fā)射質(zhì)量超過12000kg，上行載荷能力6000kg，下行載荷能力3000kg， 處理廢棄物800kg。

“載人龍”飛船還具有高安全性的特點(diǎn)。NASA對(duì)于商業(yè)飛船有著極端苛刻的安全性要求，遠(yuǎn)高于歷史上各型載人航天器，包括“聯(lián)盟”飛船、航天飛機(jī)等系統(tǒng)。

（2）獵鷹-9 運(yùn)載火箭

“載人龍”飛船由獵鷹-9 v1.2 Block-5 運(yùn)載火箭發(fā)射。獵鷹-9 系列火箭是SpaceX 公司研制的可重復(fù)使用運(yùn)載火箭，由NASA“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)”（COTS）計(jì)劃部分資助，已成為美國(guó)主力運(yùn)載火箭之一，火箭一級(jí)陸上回收和海上回收技術(shù)也已成熟。

獵鷹-9 運(yùn)載火箭先后研制了v1.0、v1.1、v1.2 等多個(gè)型號(hào)，與早期型號(hào)相比，全推力型（v1.2）采用了更長(zhǎng)的二級(jí)火箭和密度更大的推進(jìn)劑，運(yùn)載能力大幅提升。獵鷹-9 v1.2 Block-5 是第5 批次生產(chǎn)的全推力型火箭，可滿足NASA 載人任務(wù)發(fā)射要求，火箭為二級(jí)火箭，全長(zhǎng)70m，直徑3.7m，發(fā)射質(zhì)量549t，低地球軌道運(yùn)載能力22.8t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力8.3t。

4 分析與思考

首次商業(yè)乘員運(yùn)輸任務(wù)意義重大，標(biāo)志美國(guó)正式恢復(fù)載人航天運(yùn)輸能力

“載人龍”飛船成功開啟首次正式任務(wù)，這是世界首次利用商業(yè)載人飛船執(zhí)行商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)，也是美國(guó)航天飛機(jī)退役后首次業(yè)務(wù)性地將航天員送入軌道。

美國(guó)已補(bǔ)齊載人航天運(yùn)輸短板，擺脫對(duì)俄羅斯“聯(lián)盟”飛船的依賴。美國(guó)從2006 年開始購(gòu)買俄羅斯“聯(lián)盟”飛船的座位，2011 年航天飛機(jī)退役后暫時(shí)失去乘員運(yùn)輸能力，只能依靠“聯(lián)盟”飛船開展乘員運(yùn)輸，維持在“國(guó)際空間站”上的存在。從2011年起“聯(lián)盟”單座位價(jià)格持續(xù)增長(zhǎng)，截至2019 年底，NASA 累計(jì)購(gòu)買了70 個(gè)座位，總共向俄羅斯支付了39 億美元。

此次任務(wù)取得成功，標(biāo)志著美國(guó)正式恢復(fù)乘員運(yùn)輸能力，SpaceX 公司也成為全球第一家具備獨(dú)立載人航天能力的商業(yè)公司。

載人航天商業(yè)化發(fā)展模式取得成效，商業(yè)公司成為載人航天重要力量

“載人龍”飛船任務(wù)成功發(fā)射，驗(yàn)證了美國(guó)“商業(yè)乘員計(jì)劃”發(fā)展模式，商業(yè)航天成為美國(guó)載人航天活動(dòng)中的一個(gè)重要力量。美國(guó)政府采用了創(chuàng)新的項(xiàng)目和合同管理模式：傳統(tǒng)模式中，NASA 負(fù)責(zé)項(xiàng)目整體管理和運(yùn)行，研制工作向承研商層層分包；在“商業(yè)乘員計(jì)劃”中，入選的商業(yè)公司負(fù)責(zé)項(xiàng)目的整套運(yùn)營(yíng)，包括總體設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、發(fā)射和運(yùn)營(yíng)管理等，NASA 僅采購(gòu)乘員運(yùn)輸服務(wù)，并負(fù)責(zé)進(jìn)度、安全監(jiān)管及技術(shù)支持，提升商業(yè)公司在項(xiàng)目研制和運(yùn)作上的自主性、靈活性。同時(shí)，NASA 通過評(píng)估里程碑事件完成情況，決定后續(xù)資金投入，以此有效提高工作效率和效果。通過上述手段，NASA 從傳統(tǒng)的購(gòu)買產(chǎn)品或服務(wù)，轉(zhuǎn)為與工業(yè)界合作，幫助其開發(fā)近地軌道運(yùn)輸服務(wù)，支持SpaceX 公司等商業(yè)公司成為載人航天領(lǐng)域新的力量級(jí)。

鑒于商業(yè)貨物補(bǔ)給和商業(yè)乘員運(yùn)輸計(jì)劃的成功，美國(guó)后續(xù)將持續(xù)推進(jìn)商業(yè)載人航天發(fā)展，一方面提升近地軌道載人航天活動(dòng)能力，另一方面將此模式拓展應(yīng)用到“阿爾忒彌斯”（Artemis）計(jì)劃中，支持商業(yè)航天企業(yè)開展地月空間貨物補(bǔ)給、著陸器研制等工作。

飛船采用全新設(shè)計(jì)思路和方案，任務(wù)綜合效能顯著提升

載人飛船系統(tǒng)經(jīng)過60 年發(fā)展，設(shè)計(jì)思路幾經(jīng)變革，針對(duì)新的任務(wù)場(chǎng)景，SpaceX 公司的“載人龍”飛船明確往返運(yùn)輸功能定位，采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思路和方案?！拜d人龍”飛船采用兩艙段設(shè)計(jì)，加壓空間集中在一個(gè)艙段內(nèi)，內(nèi)部空間更大，航天員舒適度大幅提升，飛船最多能搭乘7 名航天員，運(yùn)載能力達(dá)到航天飛機(jī)同等水平。飛船還采用了簡(jiǎn)潔化座艙設(shè)計(jì)，信息化水平大幅提高，高度電子集成和平板顯示降低了飛船操作難度，對(duì)航天員十分友好，安全性、操作性大幅改善。整體看，“載人龍”飛船等新一代載人飛船相較上一代的“聯(lián)盟”飛船技術(shù)能力有顯著提升，發(fā)射質(zhì)量、最大乘員人數(shù)大幅增加，任務(wù)適應(yīng)性更加強(qiáng)大。

飛船引入重復(fù)使用、自逃逸、先進(jìn)制造等新技術(shù)，整體性能躍升

“載人龍”飛船整個(gè)大系統(tǒng)均具備可重復(fù)使用能力，獵鷹-9 運(yùn)載火箭一級(jí)、“載人龍”飛船乘員艙均可回收，僅獵鷹-9 火箭二級(jí)和飛船非密封艙無法回收，通過重復(fù)使用開展多次任務(wù)有望大幅降低成本。此外，“載人龍”飛船設(shè)計(jì)了自逃逸系統(tǒng)，發(fā)射時(shí)飛船直接安裝在運(yùn)載火箭上，不需要使用逃逸塔和整流罩，可在發(fā)射全過程提供乘員逃逸能力。飛船的制造環(huán)節(jié)也使用了3D 打印、新材料等一系列新技術(shù)實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效?！俺?jí)天龍”（SuperDraco）發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室采用3D 打印技術(shù)制造，由高性能鎳鉻基高溫合金（Inconel）采用金屬粉末激光直接燒結(jié)工藝制成，這種材料具有高強(qiáng)度，可提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性。憑借3D 打印技術(shù)，僅用傳統(tǒng)制造方法的一小部分成本和時(shí)間就可制造出高性能的發(fā)動(dòng)機(jī)零件。熱防護(hù)系統(tǒng)使用的新型PICA-X 隔熱罩能夠承受多次高溫?zé)g而不呈現(xiàn)嚴(yán)重退化，針對(duì)月球或火星飛行任務(wù)也無需任何改動(dòng)，提升了“載人龍”飛船熱防護(hù)能力，簡(jiǎn)化了重復(fù)使用所需的維護(hù)操作。

飛船采用多種舉措降低成本，但并未達(dá)到最初設(shè)計(jì)值

NASA 授予SpaceX 公司的合同總金額約31.53億美元，根據(jù)合同SpaceX 公司需要利用“載人龍”飛船開展2 次試驗(yàn)飛行和6 次乘員運(yùn)輸服務(wù)，正式任務(wù)中，每次飛船將向“國(guó)際空間站”運(yùn)送4 名NASA航天員，同時(shí)可以運(yùn)送1 名太空游客。

如果從總價(jià)格折算，均攤研發(fā)費(fèi)用后平均每次任務(wù)價(jià)格3.94 億美元（包括獵鷹-9 運(yùn)載火箭每次約6000 萬美元的發(fā)射費(fèi)用），單座價(jià)格約9850 萬美元。如果分開計(jì)算飛船的研制和生產(chǎn)費(fèi)用，“載人龍”飛船的總研制費(fèi)用約17.45 億美元，后續(xù)正式任務(wù)每次費(fèi)用約2.35 億美元（包括獵鷹-9 火箭約6000 萬美元的發(fā)射費(fèi)用），單座價(jià)格約5800 萬美元。從成本看，“聯(lián)盟”飛船最新報(bào)價(jià)達(dá)到每座9000 萬美元，“載人龍”飛船均攤研發(fā)費(fèi)用后的單座價(jià)格與“聯(lián)盟”大致相當(dāng)，不均攤研發(fā)費(fèi)用情況下，單座位價(jià)格低于“聯(lián)盟”飛船，但與SpaceX 公司最初宣稱的每座位2000萬美元存在較大差距。

當(dāng)前階段，美國(guó)推動(dòng)“載人龍”飛船發(fā)展，能夠適度降低任務(wù)成本，但更為重要的是使美國(guó)重新獲得載人航天自主性，并推動(dòng)載人航天能力進(jìn)步。