文/ 田豐

在此次任務(wù)中，航天員道格·赫利將一面特殊的美國國旗帶上國際空間站，上面寫著“這面國旗只有從肯尼迪航天中心起飛的航天員才能取下帶回地球”。也就是說，只能等到美國下一款載人航天器的投運(yùn)時(shí)，這面國旗才能重歸地球。

這一等就是整整9年。

▲ 2020年5月31日，一枚全新的獵鷹9號火箭把載人龍飛船送上太空

北京時(shí)間2020年5月31日3點(diǎn)22分，曾在國際空間站留下國旗的道格·赫利和另一名航天員鮑勃·貝肯搭乘太空探索技術(shù)公司的載人龍飛船，由一枚全新的獵鷹9火箭推動，從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺起飛，前往距地面400公里的國際空間站，執(zhí)行代號Demo-2的首次載人試飛任務(wù)。發(fā)射后2分38秒，獵鷹9火箭一級關(guān)機(jī)分離，10分鐘后成功在駁船上著陸回收；11分鐘后船箭分離，飛船入軌。在發(fā)射后18小時(shí)，經(jīng)多次變軌調(diào)整后的飛船終于“追上”國際空間站，并成功與之對接。經(jīng)過拉近、鎖緊、氣壓平衡等一系列操作后，兩位航天員順利進(jìn)入國際空間站。

按照美國宇航局傳統(tǒng)，每位航天員都有給自己搭乘的飛船起“小名兒”的特權(quán)。發(fā)射成功后，美國宇航局公布，2名航天員給這艘“龍”飛船取名“奮進(jìn)”，紀(jì)念之前乘坐過、現(xiàn)已退役近9年的同名航天飛機(jī)。接下來飛船將在空間站停留30～120天，具體返回時(shí)間取決于太陽能電池板衰減和后續(xù)任務(wù)的安排情況。

至此，美國時(shí)隔9年后終于恢復(fù)了載人航天能力，而埃隆·馬斯克創(chuàng)辦的太空探索技術(shù)公司也成為了人類航天史上第一個(gè)具備載人航天能力的私營航天企業(yè)，載人龍飛船也成為了繼航天飛機(jī)后美國航天史上第5款載人航天器。

這個(gè)飛船的緣起，還要從兩次事故說起。

兩次事故產(chǎn)生空窗幾經(jīng)篩選意外中標(biāo)

1986年1月，挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)在升空時(shí)因固體助推器O型密封環(huán)失效，凌空爆炸，7名航天員罹難。2003年2月，哥倫比亞號航天飛機(jī)在再入大氣層過程中解體，又是7名航天員遇難。

然后，請葡萄上架。把在土里趴了一冬的老藤扛起來，把它放在葡萄架上，然后用麻筋在小棍上固定住。上了架，就施肥。

兩起事故不僅使美國失去了兩架航天飛機(jī)和14名航天員，更重創(chuàng)了民眾對航天飛機(jī)安全性的信心，加之航天飛機(jī)本身發(fā)射報(bào)價(jià)昂貴，缺乏有效的逃逸設(shè)計(jì)，而機(jī)體日益老化又導(dǎo)致翻修費(fèi)用居高不下，美國宇航局最終只能將航天飛機(jī)提前退役。自此，俄羅斯便事實(shí)壟斷了國際空間站航天員的運(yùn)輸業(yè)務(wù)，并不斷抬高聯(lián)盟飛船座位的銷售價(jià)格。

聯(lián)盟號飛船的每座票報(bào)價(jià)，從2011年航天飛機(jī)退役時(shí)的3000萬美元一路漲至現(xiàn)在8100萬美元。即便報(bào)價(jià)如此高昂，因?yàn)闆]有新的載人航天器接班，美國宇航局仍不得不繼續(xù)“咬牙”購買聯(lián)盟號飛船座票，以維持國際空間站正常運(yùn)行。

▲ 從當(dāng)年阿姆斯特朗出發(fā)的地方，鮑勃和赫利出發(fā)了

其實(shí)早在航天飛機(jī)退役之前，美國宇航局就開始物色新一代飛船的承包商，經(jīng)過三個(gè)階段的觀察和篩選?！安ㄒ簟薄八{(lán)色起源”“內(nèi)華達(dá)山脈”和太空探索技術(shù)公司4家航企中標(biāo)呼聲最高。這些公司的飛船將替代退役的航天飛機(jī)，擺脫俄羅斯聯(lián)盟號飛船的壟斷，整個(gè)項(xiàng)目名為“商業(yè)載人航天計(jì)劃”。

與阿波羅計(jì)劃和航天飛機(jī)時(shí)期不同，商業(yè)載人航天計(jì)劃借鑒了“商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)計(jì)劃”的成功經(jīng)驗(yàn)，項(xiàng)目中飛船所有權(quán)歸屬企業(yè)本身，中標(biāo)企業(yè)可以在滿足美國宇航局任務(wù)需求的條件下執(zhí)行太空旅游等商業(yè)航天任務(wù)，借此激勵(lì)企業(yè)創(chuàng)新并自籌部分項(xiàng)目資金，而美國宇航局只是購買飛船的“載人服務(wù)”。但為了控制安全、進(jìn)度和經(jīng)費(fèi)，該局設(shè)置了一系列“里程碑”對中標(biāo)企業(yè)進(jìn)行控制，如逃逸試驗(yàn)、熱真空試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)等，還提出了一系列設(shè)計(jì)約束。除此之外，美國宇航局盡量減少對飛船設(shè)計(jì)的介入，放權(quán)給企業(yè)的同時(shí)減少監(jiān)造人員和深、廣度，改為定期進(jìn)行進(jìn)度溝通。

最終經(jīng)過長達(dá)4年的觀察和評估，2014年美國宇航局正式宣布“波音”和太空探索技術(shù)公司中標(biāo)，各自研發(fā)一款新型載人飛船，其中“波音”飛船名為星際線飛船，太空探索技術(shù)公司則為載人龍飛船。后經(jīng)過幾次經(jīng)費(fèi)追加，“波音”累計(jì)資助額50億美元，太空探索技術(shù)公司累計(jì)資助32億美元。

▲ 安裝后的超級天龍座發(fā)動機(jī)

項(xiàng)目進(jìn)度后發(fā)先至研發(fā)遇挫幾經(jīng)坎坷

相對于一同中標(biāo)的百年航企“波音”，2002年成立的太空探索技術(shù)公司可謂是“初生牛犢”。但憑借“商業(yè)貨運(yùn)服務(wù)計(jì)劃”的經(jīng)驗(yàn)和第一代貨運(yùn)龍飛船的技術(shù)基礎(chǔ)，加之快速迭代的設(shè)計(jì)風(fēng)格，“載人龍”研發(fā)進(jìn)度一路高歌猛進(jìn)，率先于2015年5月成功進(jìn)行發(fā)射臺逃逸試驗(yàn)。

2015年11月，太空探索技術(shù)公司進(jìn)行了載入龍飛船的懸停飛行試驗(yàn)，以演示超級天龍座發(fā)動機(jī)的變推力能力和飛船的懸停特性。截至載人首飛，累計(jì)完成了超過700次的超級天龍座試車。

2019年3月2日，太空探索技術(shù)公司從肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射臺首次將載人龍飛船送入太空，執(zhí)行首次無人演示任務(wù)Demo-1。發(fā)射后27小時(shí)，載人龍飛船成功自主對接國際空間站，停留數(shù)天后順利返回地球。進(jìn)度上徹底甩開試飛“翻車”的“波音”星際線飛船。

2020年1月19日，載人龍飛船順利完成“發(fā)射中逃逸試驗(yàn)”，作為該船正式載人前的最后一項(xiàng)全船重大測試，成功證明了飛船發(fā)布時(shí)宣稱的“全程逃逸”能力。

▲ 載人龍飛船操控界面詳細(xì)圖

▲ 載人龍飛船操控界面屏幕

其實(shí)“載人龍”的研發(fā)之路并非一帆風(fēng)順。2019年4月，執(zhí)行完首次無人試飛的飛船在一次逃逸發(fā)動機(jī)的靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)中，因管路殘留推進(jìn)劑在高壓氣體作用下發(fā)生了水錘效應(yīng)，常溫推進(jìn)劑與鈦制閥芯發(fā)生罕見反應(yīng)，發(fā)生劇烈爆炸，飛船全毀。除此之外，“載人龍”的降落傘也曾遇到問題，最終應(yīng)美國宇航局要求換用改進(jìn)的Mark-3型降落傘，并進(jìn)行了27次空投試驗(yàn)驗(yàn)證后方告通過，最終降落傘累計(jì)測試次數(shù)超過80次。

▲ 載人龍飛船操控界面

飛船設(shè)計(jì)激進(jìn)逃逸另辟蹊徑

“載人龍”設(shè)計(jì)思路頗具新意。首先飛船采用獵鷹9 Block5型火箭發(fā)射，升空時(shí)無需整流罩，火箭一級分離后通過海上駁船回收。飛船繼承了第一代貨運(yùn)龍飛船的部分設(shè)計(jì)，同樣為兩艙設(shè)計(jì)，分為加壓艙（返回艙）和非加壓艙。其中加壓艙為可重復(fù)使用設(shè)計(jì)，為提高飛船復(fù)用比率，大部分設(shè)備集中于加壓艙。非加壓艙部分主要由碳纖維構(gòu)成，僅設(shè)置有體裝式太陽能電池板等少數(shù)設(shè)備。飛船采用人、貨通用設(shè)計(jì)，載人版可用于近地軌道載人往返服務(wù)，回收后經(jīng)翻修改裝可用于無人貨運(yùn)任務(wù)，能夠做到“裝上座椅運(yùn)人，拆掉座椅運(yùn)貨”。飛船默認(rèn)設(shè)置有4個(gè)座位，設(shè)計(jì)最多可承載7名航天員。

飛船艙內(nèi)設(shè)計(jì)非常簡潔，艙內(nèi)側(cè)壁裝有3個(gè)舷窗，飛船控制主要通過3塊大尺寸觸控屏幕和少量實(shí)體按鍵實(shí)現(xiàn)。

與傳統(tǒng)飛船設(shè)計(jì)不同，“載人龍”的人機(jī)界面采用觸控界面，屏幕所顯示內(nèi)容可根據(jù)需求自由切換，3塊主屏在受損情況下可互為備份。飛船目前設(shè)計(jì)僅保留有38個(gè)實(shí)體開關(guān)和按鍵，作為應(yīng)對極端情況的最低限度控制面板。除此之外，載人龍飛船提高了自動化程度，以降低航天員的學(xué)習(xí)成本。航天員在正常情況下可以擺脫操作手冊，飛船升空、對接和返回過程均可無人操控。

▲ 放在國際空間站上9年之久的美國國旗

▲ 奮進(jìn)號龍飛船和國際空間站對接

為適應(yīng)載人發(fā)射，太空探索技術(shù)公司還特別設(shè)計(jì)了一套艙內(nèi)航天服。與傳統(tǒng)航天服不同，太空探索技術(shù)公司特別聘請了時(shí)尚設(shè)計(jì)師進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，在維持安全性水平的前提下進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。此外，艙內(nèi)航天服還選用了定制化的3D打印頭盔，內(nèi)置麥克風(fēng)和聽力保護(hù)裝置。航天服采用阻燃外層材料制成。所有航天服與飛船的環(huán)控生保和通訊都集成在艙內(nèi)服大腿部分的一根管路上。為了適應(yīng)觸控界面，手套手掌側(cè)設(shè)有觸控層。頭盔面罩可以開合，軀干關(guān)節(jié)和頸部過渡段經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，不僅可以靈活轉(zhuǎn)動，在艙內(nèi)失壓情況可迅速密閉并充氣保壓，以保證航天員生命安全。

在飛船的逃逸設(shè)計(jì)上，太空探索技術(shù)公司采用自備動力逃逸方案，將逃逸發(fā)動機(jī)設(shè)置于飛船返回艙側(cè)壁；還專門研發(fā)了“超級天龍座”逃逸發(fā)動機(jī)，兩臺一組，互為備份，每隔90度安裝一組，總計(jì)8臺。超級天龍座發(fā)動機(jī)使用四氧化二氮/甲基肼推進(jìn)劑組合，擠壓循環(huán)，可重復(fù)使用，燃燒室采用鐵鉻鎳材料經(jīng)激光3D打印技術(shù)生產(chǎn)。由于逃逸發(fā)動機(jī)貼近航天員座位，為防止發(fā)動機(jī)爆炸波及，額外設(shè)計(jì)了發(fā)動機(jī)包容殼來約束飛射物。飛船在簡化逃逸模式的同時(shí)，具備從發(fā)射臺到入軌前任何時(shí)刻啟動的“全程逃逸”能力。

除了以上直觀特性外，載人龍飛船還采用了固定的體裝式太陽能電池板，具備自動無人對接能力，配備了簡易廁所，實(shí)施登船后加注流程等，是美國新一代載人飛船中設(shè)計(jì)最激進(jìn)的一款。

對于美國宇航局而言，“載人龍”的最大意義是正式恢復(fù)了美國的載人航天能力，擺脫了對俄羅斯聯(lián)盟號飛船的依賴。但對太空探索技術(shù)公司和商業(yè)航天領(lǐng)域來說，這艘飛船的意義并不止于此。

▲ 國際空間站目前對接了各種飛行器

載人龍飛船主要參數(shù)指標(biāo)參數(shù) 指標(biāo)干質(zhì)量 7.7噸發(fā)射質(zhì)量 9～1 5噸上行最大運(yùn)力 6噸下行最大運(yùn)力 3噸尺寸（高、直徑） 全高8.1米，直徑4米加壓艙外壁傾角 1 5度加壓艙（返回艙）容積 9.3立方米非加壓艙容積 3 7立方米承載人數(shù) 默認(rèn)4人，最大7人自持能力 自行飛行7天，對接狀態(tài)2 1 0天供電系統(tǒng) 非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板推進(jìn)系統(tǒng) 1 6臺天龍座（D r a c o）發(fā)動機(jī)，單臺推力4 0 0牛，真空比沖3 0 0秒逃逸系統(tǒng) 推式逃逸，8臺超級天龍座（S u p e r D r a c o）逃逸發(fā)動機(jī)，單臺推力7 1 0 0 0牛，海平面比沖2 3 5秒，兩臺為一組，安裝在鋁制包容殼內(nèi)推進(jìn)劑組合 四氧化二氮/甲基肼雙組元推進(jìn)劑，冗余設(shè)計(jì)，最大加注量2.2噸，1.3 6噸四氧化二氮，0.8 5噸甲基肼環(huán)控生保系統(tǒng)（E C L S S） 濕度控制、噪聲抑制、空氣循環(huán)、溫度控制、火災(zāi)探測和抑制底部主熱防護(hù)系統(tǒng) 第三代P I C A-X改進(jìn)型酚醛浸漬碳燒蝕材料，可更換設(shè)計(jì)進(jìn)入、再入、著陸與回收 四傘冗余群傘系統(tǒng)，海上濺落，專用回收船回收定位 G P S/銥星定位信標(biāo)對接系統(tǒng) 采用美國宇航局對接系統(tǒng)（N A S A D o c k i n g S y s t e m），可自主無人對接，對接口蓋可開合艙內(nèi)航天服 太空探索技術(shù)公司自研的專用艙內(nèi)航天服

太空探索技術(shù)公司的新業(yè)務(wù)——太空旅游

Demo-2任務(wù)過后，首次正式航天員輪換任務(wù)Crew-1已經(jīng)提上日程，但對于這款飛船來說這不過是“份內(nèi)工作”。商業(yè)運(yùn)作的意義不僅是政府訂單，也包括有利可圖的“私活”或著說“外塊”，這正是飛船所屬權(quán)歸企業(yè)所釋放的自由度。

▲ 美國宇航局局長和2名航天員玩起自拍

▲ 在肯尼迪發(fā)射中心周邊觀看的民眾

目前太空探索技術(shù)公司已經(jīng)承接了兩單太空旅游項(xiàng)目，其中第一單通過一家名為“太空冒險(xiǎn)”的代理公司完成，將有4名付費(fèi)乘客，不對接國際空間站，預(yù)計(jì)明年由載人龍飛船獨(dú)立完成，耗時(shí)約5天。更重要的是，這次旅行將不設(shè)專業(yè)航天員，由飛船自主發(fā)射、自主在軌、自主返回。對于“取消司機(jī)”這件事，載人龍飛船從設(shè)計(jì)伊始就有所考慮，無論是大幅簡化的人機(jī)界面，高度自動化的飛控系統(tǒng)，內(nèi)置簡易廁所，可定制的艙內(nèi)航天服和簡化的維生管路，都瞄準(zhǔn)著商業(yè)太空游。在商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射需求下滑，太空探索技術(shù)公司面臨“有箭無單”的今天，太空旅游或?qū)⒊蔀楣拘碌挠麢C(jī)會。

▲ 載人龍?jiān)趶S房

另一種太空旅游模式是游客入住國際空間站，飛船僅作為擺渡車，這樣乘客體驗(yàn)更佳，飛船環(huán)控生保的壓力也更小。為此，美國宇航局在去年就已經(jīng)正式公布了國際空間站的商業(yè)化服務(wù)價(jià)目表，里面就包括了游客前往國際空間站衣、食、住、行的價(jià)格，便于太空旅游企業(yè)通過國際空間站提供旅游服務(wù)。

說到模式，其實(shí)最理想的服務(wù)模式是搭車模式，也就是傳說中的“四贏模式”。由于國際空間站正常輪換人數(shù)為3～4人，少于“載人龍”最大載客量7人，如果其余座位全部賣給游客，游客搭車進(jìn)入國際空間站，就會形成一種“四贏結(jié)局”：美國宇航局可以借此要求太空探索技術(shù)公司打折每次輪換任務(wù)費(fèi)用，節(jié)省國際空間站的運(yùn)營費(fèi)用；太空旅游公司可以出租商業(yè)艙段獲得利潤；游客可以通過“搭車”獲得費(fèi)用減免；而太空探索技術(shù)公司作為主要承包商，可以有效利用自家飛船和火箭，將利潤收入囊中。

只有打通了航天游的模式，進(jìn)一步降低航天旅游的成本，才能吸引更多的游客，形成產(chǎn)業(yè)鏈的正反饋，才有動力去研發(fā)更好的游客飛船和業(yè)務(wù)。隨著時(shí)間的推移，未來若“復(fù)用火箭+復(fù)用飛船”的組合能經(jīng)過評估并投入載人發(fā)射，太空旅游的門票或?qū)⒏拥土H民。