唐亮 何慧東(中國空間技術(shù)研究院 北京空間科技信息研究所)
美國東部時(shí)間2020年8月2日14:48,美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)名為奮進(jìn)號(Endeavor)的“載人龍”(Crew Dragon)飛船搭載2名航天員安全返回地球,濺落在佛羅里達(dá)州以西的墨西哥灣上。這是“載人龍”飛船首次載人再入飛行,也是1975年“阿波羅-聯(lián)盟”(Apollo-Soyuz)飛行任務(wù)后,美國時(shí)隔45年再次在海上接回航天員,標(biāo)志著飛船載人飛行試驗(yàn)正式完成,SpaceX公司后續(xù)將為美國國家航空航天局(NASA)提供正式的商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)。
“載人龍”飛船載人飛行試驗(yàn)任務(wù)代號為演示-2(Demo-2),是航天飛機(jī)退役后美國首次從本土利用本國航天器將航天員送至“國際空間站”。
奮進(jìn)號“載人龍”飛船于2020年5月30日發(fā)射入軌,飛行19h后將2名航天員送至“國際空間站”。飛船總共在軌飛行近64天,順利返回并回收,完成最后一項(xiàng)重大試驗(yàn)任務(wù),標(biāo)志著美國“商業(yè)乘員計(jì)劃”(CCP)取得重要突破,實(shí)現(xiàn)利用商業(yè)火箭發(fā)射商業(yè)載人飛船、搭載航天員飛抵“國際空間站”并安全返回的里程碑。
“載人龍”飛船此次飛行試驗(yàn)任務(wù)獲得了獵鷹-9(Falcon-9)火箭發(fā)射,“載人龍”飛船的在軌飛行、對接、返回、著陸,以及地面系統(tǒng)運(yùn)行等全流程數(shù)據(jù),將為飛船最終認(rèn)證提供參考。
在軌飛行期間,航天員道格·赫爾利(Doug Hurley)、鮑勃·本肯(Bob Behnken)對“載人龍”飛船進(jìn)行了測試,同時(shí)參與了“國際空間站”上的工作,以減輕空間站運(yùn)營工作負(fù)擔(dān)。2名航天員在站上累計(jì)完成了超過100h的科學(xué)實(shí)驗(yàn),貝肯還與空間站上的克里斯·卡西迪(Chris Cassidy)完成了4次太空行走,完成空間站電池更換、電源系統(tǒng)更新等任務(wù)。
“載人龍”飛船航天員參與的太空行走活動(dòng)
2020年8月1日19:35,NASA的2名航天員道格·赫爾利、鮑勃·本肯搭乘奮進(jìn)號“載人龍”飛船與“國際空間站”分離。當(dāng)對接機(jī)構(gòu)解鎖后,飛船發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)施2次離站點(diǎn)火。離站時(shí),“載人龍”飛船質(zhì)量約為12.5t。
隨后,“載人龍”飛船自主飛行,實(shí)施4次飛離點(diǎn)火,逐漸遠(yuǎn)離“國際空間站”。數(shù)小時(shí)后,進(jìn)行1次長達(dá)6min的調(diào)相點(diǎn)火,降低飛船軌道高度,并將星下點(diǎn)軌跡與著陸區(qū)對準(zhǔn)。
在離軌減速點(diǎn)火之前,飛船拋掉非密封艙以減輕質(zhì)量。乘員艙進(jìn)行約12min的離軌點(diǎn)火,再入地球大氣層。拋掉非密封艙并完成離軌點(diǎn)火后,“載人龍”飛船質(zhì)量約9.6t。
“載人龍”飛船海面濺落
飛船再入時(shí)速度約為7.8km/s,再入階段依靠大氣阻力減速,經(jīng)歷最高溫度超過1900℃,黑障階段持續(xù)約6min。減至安全速度后,飛船在5500m高度(速度約156m/s)附近打開2具引導(dǎo)傘,在1800m高度(速度約53m/s)附近打開4具主傘進(jìn)行進(jìn)一步減速。2020年8月2日14:48,飛船以約7.6m/s的速度濺落在佛羅里達(dá)州以西的墨西哥灣上,著陸點(diǎn)位于彭薩科拉市(Pensacola)外海,著陸后飛船切斷主傘。
“載人龍”飛船濺落后,SpaceX公司提前部署在著陸場的回收船釋放2艘快艇開展先期工作。第一艘負(fù)責(zé)檢查飛船的完整性,并探測飛船附近是否存在自燃性燃料蒸汽。檢測完成后,快艇上的人員為飛船回收做準(zhǔn)備工作。第二艘快艇負(fù)責(zé)回收落在水中的降落傘。回收船抵達(dá)后,將“載人龍”飛船抬升至甲板上固定,隨后打開艙門,醫(yī)務(wù)人員完成2名航天員的初步檢查后,航天員出艙。整個(gè)過程持續(xù)約1h。
航天員出艙后,在回收船醫(yī)療區(qū)進(jìn)行初步評估。隨后,航天員搭乘直升機(jī)回到地面,并從機(jī)場換乘NASA的飛機(jī)回到休斯頓。與此同時(shí),“載人龍”飛船隨回收船返回佛羅里達(dá)州的SpaceX公司廠區(qū),進(jìn)行進(jìn)一步檢查和處理。
搜尋者號(左)和航行者號(右)回收船
此次任務(wù)中,NASA為“載人龍”飛船的返回選定了7個(gè)著陸點(diǎn),分布在佛羅里達(dá)州附近外海、墨西哥灣、大西洋海岸。具體位于彭薩科拉市(Pensacola)、坦帕市(Tampa)、塔拉哈西市(Tallahassee)、巴拿馬市(Panama City)、卡納維拉爾角(Cape Canaveral)、戴托納市(Daytona)、杰克森維爾市(Jacksonville)外海。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,濺落地點(diǎn)通常距離海岸線40~324km。
SpaceX公司在7個(gè)著陸點(diǎn)均配備了搜救人員,并分別在大西洋和墨西哥灣配備了2艘回收船,分別為搜尋者號(Go Searcher)和航行者號(Go Navigator)。每艘回收船上搭載40多人,包括NASA和SpaceX公司的飛船工程師、水上救生員、醫(yī)務(wù)人員、船員、NASA貨物專家和其他輔助人員等。回收船長52m、寬11m,滿載吃水3.1m,載貨量420t。除了完成回收“載人龍”飛船任務(wù)外,這2艘船在其他任務(wù)中還負(fù)責(zé)回收貨運(yùn)型“龍”飛船,以及用于獵鷹-9運(yùn)載火箭整流罩的回收。
此次任務(wù)中,NASA和SpaceX公司曾對著陸場的天氣狀況表示擔(dān)憂。在計(jì)劃任務(wù)時(shí)段內(nèi),大西洋熱帶風(fēng)暴“伊薩亞斯”(Isaias)正沿美國東海岸發(fā)展,可能對飛船返回造成不利影響,如果氣象條件超出準(zhǔn)則,則會(huì)考慮推遲飛船返回的時(shí)間。為此,本次任務(wù)主著陸場選在彭薩科拉市外海,盡量遠(yuǎn)離熱帶風(fēng)暴影響區(qū)。
“載人龍”飛船返回后,NASA和SpaceX公司團(tuán)隊(duì)將檢查整個(gè)飛行試驗(yàn)期間飛船的數(shù)據(jù)和性能,完成系統(tǒng)的認(rèn)證工作,整個(gè)認(rèn)證流程預(yù)計(jì)持續(xù)6周。順利完成認(rèn)證后,NASA將正式進(jìn)入商業(yè)乘員運(yùn)輸階段,授予SpaceX公司6次乘員運(yùn)輸任務(wù),每次任務(wù)將最多搭乘4名航天員,同時(shí)向“國際空間站”運(yùn)送100kg貨物。
根據(jù)計(jì)劃,第一次“商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)”(Crew-1)瞄準(zhǔn)2020年9月下旬實(shí)施,NASA的邁克爾·霍普金斯(Michael Hopkins)、維克多·格洛弗(Victor Glover)、香農(nóng)·沃克(Shannon Walker)和日本籍野口聰一(Soichi Noguchi)等4名航天員將搭乘“載人龍”飛船飛抵“國際空間站”,執(zhí)行為期6個(gè)月的任務(wù)。
目前,SpaceX公司正在準(zhǔn)備“載人龍”飛船首次正式的“商業(yè)乘員運(yùn)輸服務(wù)”,并已將運(yùn)載火箭等系統(tǒng)運(yùn)抵發(fā)射場。
“載人龍”飛船試驗(yàn)及飛行任務(wù)安排
“載人龍”飛船攜帶2名航天員安全返回,并對發(fā)射、在軌運(yùn)行、返回、再入、回收的任務(wù)全流程進(jìn)行了最終驗(yàn)證,載人飛行試驗(yàn)任務(wù)取得圓滿成功。
“載人龍”飛船成功完成載人飛行試驗(yàn)意義重大,此次任務(wù)是時(shí)隔9年美國再次自主將航天員送入軌道并安全返回,標(biāo)志著美國重新具備了載人航天飛行能力,徹底擺脫了對外界的依賴,“開啟新的載人航天時(shí)代”。此外,“載人龍”飛船試驗(yàn)任務(wù)驗(yàn)證了美國“商業(yè)乘員計(jì)劃”發(fā)展模式,并在和波音公司(Boeing)“星際客船”(Starliner)的競賽中取得了領(lǐng)先,強(qiáng)化了SpaceX公司在美國商業(yè)航天中的地位。商業(yè)航天成為美國載人航天活動(dòng)中的一個(gè)重要力量,美國后續(xù)將持續(xù)推進(jìn)商業(yè)載人航天系統(tǒng)發(fā)展,提升近地軌道載人航天活動(dòng)能力;同時(shí)還計(jì)劃在未來月球、火星探測任務(wù)中,支持商業(yè)航天企業(yè)開展活動(dòng),進(jìn)一步推動(dòng)美國載人深空探索能力發(fā)展。