美国第2代“龙”飞船即将首次载人飞行

来源：北京日报　2020-05-27 10:44:52

在经历了9年空窗期后，美国计划于北京时间5月28日4时33分，用太空探索技术公司研制的全新“猎鹰9号”火箭，把载有罗伯特·贝肯和道格拉斯·赫利2名航天员的全新“载人龙”(Crew Dragon)飞船送上天。

这次发射号称是自美航天飞机2011年7月执行最后一次任务以来，美国航天员首次从美国本土升空飞行，也是太空探索技术公司成立18年以来首次载人任务，将使其成为历史上第一家使用私人制造火箭和飞船将人类送入轨道的公司。

这是一条什么“龙”

“载人龙”飞船又叫第2代“龙”飞船，它具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大和操作友好等特点，能够执行低成本、业务化的低地球轨道载人航天飞行任务。

它和“龙”货运飞船一样，也用“猎鹰9号”火箭发射，都采用两舱式设计，只不过“载人龙”是由乘员舱和非密封舱两部分组成的，内部增加了生命保障系统、座椅和控制面板等;而“龙”货运飞船是由货运舱和非密封舱两部分组成的。不采用“联盟”载人飞船那种三舱段设计的优点是内部加压空间都集中在一个舱段内，可明显增加航天员的舒适度，搭乘的航天员也多。另外，乘员舱前还有一个保护交会对接装置的前锥体。

为了确保“龙”飞船能快速从货运舱转换成乘员舱，除了乘员逃逸系统、生命保障系统和允许乘员利用飞行计算机控制船载控制系统等与载人有关的特设系统外，“载人龙”飞船的乘员舱和“龙”货运飞船的货舱在结构上几乎是相同的。

乘员舱用于运送乘员和加压货物;非密封舱携带非加压货物。“载人龙”采用最高级的碳纤维材质和阿尔坎塔拉面料，净重9.525吨，发射质量15吨，高8.1米，直径4米，加压容积10立方米，非加压容积37立方米，上行载荷能力6000千克，下行载荷能力3000千克，处理废弃物800千克。该飞船可独立飞行工作7天，对接状态下能工作210天。

与“龙”货运飞船相比，“载人龙”飞船有不少突破。例如，“载人龙”使用了新的超级天龙座发动机系统、触摸控制屏和更耐用的热防护层等众多下一代航天器技术，可容纳7名航天员(目前俄罗斯“联盟”飞船只能搭载3人)。

它是一艘完全自动驾驶的宇宙飞船，可以实现全程自动化飞控，全自动对接空间站，全自动应急处理各项预案等，当然也可以切换到人工操控，同时同步受到总部飞行控制中心监控。它的信息化水平大幅提高。其操控台由3块可移动的大型液晶触摸控制屏组成，它们是驾驶控制的关键，操作过程与使用iPad接近。这款飞船的操控和飞行信息显示在3个面向指挥官和驾驶员的大尺寸触摸屏上。触摸屏兼容航天服的手套。

触摸控制屏下方有若干物理按键，位于中央控制台上的人工按键是专为紧急情况下执行关键任务使用，即如果触控屏出现故障，所有功能都可通过硬件控制来实现，“灭火”按键需要航天员按压物理按钮来操作。这种高度电子集成和平板显示降低了飞船操作难度，对航天员十分友好。

身旁不装太阳翼

“龙”货运飞船采用可展开的太阳电池翼，而“载人龙”飞船的一大亮点是取消了可展开太阳电池翼的设计，而是采用非加压舱半包围体装式太阳能电池板，这是一大创新。这样可以避免出现电池翼展不开的故障，而且比展开式太阳能电池翼使用率高，效能更好，无论哪个角度，只要有太阳光照，飞船就会吸收光辐射。当然，采用这一技术对成本和集成工艺要求甚高，除了太阳能电池板必须变成曲面集成外，还需要慎重考虑、反复测试热膨胀问题。

该飞船另一大亮点是设计理念具有未来太空感，改变了以往载人飞船“重功能，轻设计，无美感”的通病，让搭乘“载人龙”飞船变成一种太空享受。例如，虽然“载人龙”在外形上是一个传统的钝锥形弹道胶囊与一个鼻锥形帽设计，但它比“龙”货运飞船更苗条圆润。飞船设计有4扇舷窗，大幅扩展了航天员的视野。航天员出入飞船的进出臂也设计得很现代、很科幻。

其内部设计简洁，与特斯拉电动汽车内部设计很相似。整个乘员舱看起来就像是一辆豪华的轿车，一共有7个褐色真皮斗式座椅，上层4个，下层3个，它们采用碳纤维和阿尔坎塔拉织物材料。为了多带东西，也可以变成4座。其运货空间位于飞船尾部，最多能容纳14立方米的货物。如果不搭载7名航天员，还可以加载等量的货物。

该飞船既可与“国际空间站”自动对接，也能在航天员的手动控制下完成对接，而无需“国际空间站”的机械臂协助。这意味着“载人龙”采用了更新的测控设备，能达到更高的控制精度。

由于飞船底部主热防护系统采用了第三代PICA-X改进型酚醛浸渍碳烧蚀材料，所以飞船再入大气层时可承受多次高温烧蚀而不呈现严重退化，使航天员在重返大气层时能得到更好的保护，也有利于乘员舱多次使用，提高了飞船的重复使用能力，因此有着很好的经济性。它在执行月球或火星飞行任务时也无需任何改动。

逃生不靠逃逸塔

“载人龙”最大的特点是采用了首创的新型发射逃逸系统。如果在“猎鹰9号”发射“载人龙”的过程中火箭出现了故障，该载人飞船救生将不使用逃逸塔，而是利用自身装配的超级天龙座发动机系统进行发射逃逸(该发动机原计划也可用于软着陆，现取消)，这种集成式发射逃逸方案的好处是逃逸系统全程都在飞船上，让其具备全程逃逸能力，让“载人龙”飞船自己就具备逃逸能力;另外，由于避免了逃逸塔分离过程，简化了整流罩，所以能提高乘员安全性;还有，该逃逸系统能重复使用。

具体来说就是在“载人龙”飞船4个侧面分别装备推进器吊舱，每个吊舱配有2台超级天龙座发动机。它仍采用冗余设计的理念，2台一组，互为备份，每隔90°安装一组。在这4组8台发动机中，任何1台出现故障都不会对飞船产生显著影响。

每台超级天龙座发动机的推力可达1.6万磅(是“龙”货运飞船所用发动机的200倍)，8台整合后的轴向推力达12万磅。

不同于以往的发射逃逸系统，飞船在发射后的前几秒才能弹射，如果“载人龙”在发射期间遇到危险，这8台发动机便会立即启动，将飞船推离“猎鹰9号”火箭，并送达安全地带降落，即在上升阶段的任何时刻都能逃逸。

乘员舱中部有一个标有“EJECT”的大手柄，在需要紧急逃离的情况下，航天员旋转并拉动手柄，就会启动飞船引擎逃离危险。

2020年1月19日，编号为C205.1的“载人龙”飞船，完成了“发射中逃逸试验”，为“载人龙”首次真人秀做好最后、最关键的铺垫。

马斯克或许也要乘坐“载人龙”

“载人龙”飞船曾打算采用被称为“21世纪太空飞船的着陆方式”，即用超级天龙座逃逸发动机提供缓冲推力，进行悬停控制，加上四条可伸缩的冲击减震着陆支腿。这样可使飞船像直升机一样准确地在陆地着陆场进行定点软着陆，而且在紧急情况下仍能使用降落伞在海洋中降落。这不仅使飞船着陆更方便，还有助于重复使用，从而降低发射成本。不过，此方案已暂停研发，目前仍采用传统的水上着陆方式，因为这样更稳妥。它安装了2个引导伞和4个主减速伞，采用降落伞减速-水面溅落的方式精确回收。

为了确保安全，“载人龙”先后进行了多次高空伞降试验，只有一次因故障而失败。

2019年3月，一艘无人驾驶的“载人龙”飞船自动与“国际空间站”对接，成功进行了首次无人测试飞行，圆满完成了验证-1任务。但当时“载人龙”内没有载人，也没有安装显示和控制模块，所以内部显得不够完整。

而承担同样商业载人航天运输任务的波音公司就露怯了。其“星际航船”在2019年12月进行首次无人测试飞行时出现了“纰漏”，没能与“国际空间站”对接。目前，波音公司正在计划进行自费第二次无人驾驶试飞，但尚未确定具体时间，他们希望在2021年之前向“国际空间站”发射载人的“星际航船”。

本次试飞任务代号为验证-2，其中航天员赫利负责发射、着陆和回收工作，贝肯负责交会、对接和解除对接以及飞船与空间站处于对接状态期间的各项工作。

这次任务时间到底有多长目前还不能确定，因为老在变。从最初7天短暂试飞任务升级为正式任务(30-119天)，一个月到四个月都有可能。美国航空航天局至今仍没有给出最后时限，左右为难。因为一方面飞船要受“载人龙”半包围体装式太阳能电池板的使用寿命限制，这种曲面电池板的突出缺点是会因受热不均有可能造成电池性能衰减，从而影响整个飞船停靠空间站的时间;另一方面，由于“国际空间站”目前只有一名美国航天员，但要完成的任务很多，所以美国航空航天局希望新上去的2名航天员(都是航天“老司机”)在“国际空间站”里多工作一段时间，帮助完成一些复杂的出舱作业任务。

按计划，从今年5月开始发射的“载人龙”飞船的舱位费只有5500万美元(也有称2200万美元)，波音公司的“星际航船”飞船的舱位费近7000万美元，俄罗斯“联盟”飞船的舱位费已破纪录地高达9000万美元(15年间几乎飙升了400%)。太空探索技术公司老板马斯克称，三四年内自己或许乘坐“载人龙”飞船去“国际空间站”。

美国商业载人航天计划采用官方发包、发射商承包的商业模式，它将为美国航空航天局节省大约200亿-300亿美元。所以这次任务如果成功，不仅意味着美国重启载人航天关键一发，也是开启商业载人航天一个新时代。

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