淺析美國載人龍飛船配套系統：堅持安全性和低成本，滿足NASA要求

導讀

美國太空探索技術公司（SpaceX）的載人龍飛船（Crew Dragon）已於2019年3月成功執行首次無人飛行試驗——一號驗證任務（Demo-1），並正在執行始於2020年5月底的首次載人飛行試驗任務——二號驗證任務（Demo-2）。

Demo-2除飛船再入回收外均已順利完成，正計劃於2020年8月載人返回地球。與此同時，我們不僅要關注載人龍飛船（Crew Dragon）系統設計和技術的先進性，還需要從全局角度關注與飛船相關其他系統或基礎設施的發展或改進。

載人龍飛船（Crew Dragon），原稱「龍騎士」（DragonRider），是美國太空探索技術公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）提出並設計製造的第二代「龍」（Dragon 2）飛船。

SpaceX不僅僅通過繼承一代龍飛船——貨運龍飛船（Cargo Dragon）的大量成熟設計，迭代出了載人龍飛船（Crew Dragon），還根據載人發射任務的需要和實際情況，為其設計或改造配套系統或基礎設施，如獵鷹九號運載火箭、LC-39A發射臺、回收船等。

Demo-2船箭組合體正在LC-39A發射臺起豎

一、獵鷹九號運載火箭

獵鷹九號（Falcon 9）運載火箭是SpaceX自主設計開發的中型兩級液體運載火箭，採用液氧煤油推進劑，自2010年6月首飛，已成功完成80餘次發射任務。同時，獵鷹九號火箭已陸續迭代數個版本構型，目前最新構型也是最後一個重大改進構型為構型5（Block 5）。

獵鷹九號火箭搭載載人龍飛船在LC-39A發射示意圖

獵鷹九號構型5（Falcon 9 Block 5，F9B5）火箭承擔載人龍飛船的發射任務。根據美國國家航空航天局（NASA）要求，F9B5在設計定型後需成功發射7次，以完成載人評級認證（Human-rating certification），為此SpaceX主要針對載人任務進行了多項安全性和可靠性的改進。

2018年5月11日，SpaceX順利完成F9B5首飛任務——GPS三代星（GPS Block ⅢA）和「創世紀」（Berasheet）號月球探測器。

2018年12月23日，SpaceX順利完成符合NASA要求、完整配置的F9B5首飛成功——第16次商業補給服務（CRS-16）。

1.一級設計改進

為應付NASA極高的載人安全要求，F9B5一級的Merlin-1D（梅林/隼-1D）發動機更換了新的渦輪葉片，針對微裂採用了高密度材料。

為降低類似2016年9月Amos-6衛星發射前靜態點火事故可能性以及NASA安全性要求，Block 5型升級了推進劑貯箱增壓氦瓶/複合材料壓力容器（composite overwrap pressure vessel，COPV）——COPV 2.0，COPV 2.0不易積存凍氧和產生摩擦。

發射GPS三代星和「創世紀」號月球探測器的F9B5在一二級同時使用了符合NASA載人飛行認證要求的COPV 2.0，之前只有兩發F9B5在二級採用了COPV 2.0。

除滿足NASA載人任務要求外，SpaceX在可復用性上也做了多項改進：

◆格柵舵材料由鋁合金升級為鈦合金；

◆著陸腿由固定式、需人工拆除升級為可伸縮；

◆新型熱防護塗層應用在級間段和著陸腿等；

◆發動機架由焊接升級為螺栓連接的Octoweb3.0；

◆發動機周邊隔熱層升級；

◆整流罩升級；

◆飛行控制、攻角和控制權限改進為其他零部件與允許預留更少推進劑就能完成回收著陸。

2.燃料加注程序

經過審查，NASA於2018年8月批准了SpaceX「注後即射」（load-and-go）的操作程序申請。

該程序與SpaceX用於其商業補給任務（CRS）和衛星發射的燃料加注程序一致，即太空人先登船再加注推進劑然後立即發射。如果一切按計劃進行，發射當天，在太空人到達發射臺前，Faclon 9的COPV將裝滿氦氣並驗證其處於穩定狀態。

然後，當發射系統處於靜止狀態時，太空人將在發射前約2h登上載人龍飛船。在地勤人員離開發射臺後，發射逃生系統將在升空前約38min啟動。然後，SpaceX發射控制器將在發射前約35min開始加注火箭級煤油（RP-1）和液氧。

倒計時和發射準備工作可以在火箭發射前的最後一刻自動停止。無論在火箭發射前後，緊急情況下發射逃生系統將允許太空人安全撤離。

圖表：二號驗證任務（Demo-2）發射前部分時序

資料來源：NASA、SpaceX

採用「注後即射」（load-and-go），是因為SpaceX在獵鷹九號Block 5運載火箭上採取了推進劑增稠措施，採用了深冷技術，即將液氧溫度從-183℃降至-207℃，將煤油溫度從室溫約20℃降至約-7℃，通過提高推進劑密度來提升火箭性能。

但NASA要求，採用該燃料加注程序需要增加額外的驗證和演示方案，包括在搭載載人龍飛船的獵鷹九號Block 5火箭上進行5次乘員登船演練，以實現最終認證。上述登船演練已在Demo-2發射前完成，並驗證了飛行乘組配置和乘員登船時間線。

二、發射臺

載人龍飛船在美國佛羅裡達州卡納維拉爾角甘迺迪航天中心第39號A發射臺（LC-39 Pad A，LC-39A）發射。LC-39A曾是已退役的土星五號運載火箭和太空梭發射臺。2014年4月14日，SpaceX和NASA籤下長達20年的LC-39A獨家租賃合同。

LC-39A未安裝登船擺臂時的固定服務設施和水平集成設施

SpaceX針對載人發射任務，對LC-39A發射臺進行了一定的改造，包括全新的登船擺臂/廊橋、緊急逃生系統，以及發射臺附近的水平集成設施等。LC-39A的改造從固定服務設施（Fixed Service Structure，FSS）上移除超過50萬磅（226.8噸）鋼結構，包括曾經用於太空梭有效載荷艙的旋轉服務設施（Rotating Service Structure，RSS）。

同時，SpaceX還在LC-39A的FSS上增加新層數，以滿足任務需要。此外，SpaceX設計建造了全新配置的發射臺傳焰道（flame trench）和液體推進劑加注設施。

1.登船擺臂/廊橋

2016年NASA太空人在登船擺臂內部

登船擺臂（Crew Access Arm，CAA）於2018年8月在LC-39A發射臺FSS安裝完成，用於太空人登上載人龍飛船，同時安裝的還有相關的乘員支持設施。該擺臂長85ft.（25.9m），寬4ft.（1.2m），高8ft.（2.4m），海拔高度265ft.（80.7m），比原太空梭配套擺臂安裝高度高70ft.（21.3m）。CAA大部分為鋼製，擁有鋁製組件。擺臂全封閉，但兩側都擁有玻璃窗，通體以白色色調為主。

LC-39A固定服務設施上安裝好的登船擺臂/廊橋

2.緊急逃生系統

2018年9月，SpaceX將LC-39A原先的緊急逃生系統（Emergency Egress System，EES）入口高度提升至與CAA一致，以幫助在CAA撤回前的太空人和FSS上同平臺工作人員等撤離發射架。LC-39A的ESS源於太空梭時代，由7個吊籃組成，每個吊籃最多可容納3人，吊籃可沿滑索受控減速下滑到距FSS上千英尺外的安全區域。

2020年4月3日，LC-39A乘員緊急逃生演練

2020年4月3日，NASA和SpaceX聯合團隊完成了端到端的緊急逃生演練（Emergency Egress Exercise），證明了在緊急情況下LC-39A發射臺上能夠從FSS上安全疏散太空人及工作人員的能力。演練中，在FSS高265ft.（80.7m）的位置，工作人員將模擬受傷人員裝載到ESS的吊籃中，並安全滑下FSS，然後成功將模擬受傷人員安置到發射臺外圍的防雷埋伏防護（Mine Resistant Ambush Protected，MRAP）車輛中。

3.水平集成設施

2018年12月19日，HIF中的Demo-1載人龍飛船和獵鷹九號火箭

SpaceX在LC-39A的FSS不遠處修建了用於發射前準備工作的水平集成設施（Horizontal Integration Facility，HIF），並為採用火箭運輸架設機（Transporter/Erector/Launcher，TEL或Transporter/Erector，TE）而鋪設了HIF通往FSS的軌道。

運輸架設機TEL載著Demo-1船箭組合體駛出水平集成設施（HIF）

三、回收船

GO Searcher回收船

GO Searcher（始於2016年）和GO Navigator（始於2018年）是SpaceX租用美國蓋斯離岸公司（Guice Offshore LLC）並進行了改造的龍飛船回收船，專門用於載人龍飛船的回收和飛行乘組/太空人的轉移。其中，GO代表Guice Offshore。

2019年8月的GO Searcher太空人出艙關鍵性演練

GO Searcher為實現載人龍飛船回收和飛船乘組/太空人出艙進行了三大硬體改進，包括直升機停機坪、疑似雷達或通信設備的圓頂設施和定製的液壓升降機，並配有兩艘用於快速搜尋的剛性外殼充氣船（rigid-hulled inflatable boat，RHIB），以及緊急醫療設備。2018年11月，NASA宣布在GO Searcher上順利完成直升機起降測試和發生太空人緊急醫療情況下的應急演練。

2018年11月的GO Searcher直升機起降測試與應急演練

此外，GO Searcher參與了2019年3月2日首次無人試飛——一號驗證任務（Demo-1）的載人龍飛船的回收任務。

GO Navigator也採用了GO Searcher的相關改進設計。GO Navigator在2019年3月首次無人試飛——一號驗證任務（Demo-1）的飛船回收和2020年1月的飛行中止（In-Flight Abort，IFA）試驗中起輔助作用，並計劃執行SpaceX首次載人試飛任務——二號驗證任務（Demo-2）的飛船回收任務。

GO Navigator回收船

四、再入回收

軌道再入、濺落海面和回收是龍飛船著陸的三步。龍飛船將按照預先計劃的軌跡重新進入地球大氣層，直到落入回收區內的濺落區將被持續跟蹤。濺落區是半徑約為5.4n mile（10km)的圓。回收區位於美國墨西哥灣海岸線外至少15～140n mile（28～260km）的深水區，從德克薩斯州南部到佛羅裡達州南部，完全位於美國專屬經濟區內。

墨西哥灣將成為發射自SpaceX德克薩斯州南部發射場（布洛斯維爾在建）的龍飛船飛行任務的可能降落地點，也是發射自佛羅裡達州的龍飛船飛行任務的應急降落地點。濺落區將完全被回收區包圍，不會延伸到其邊界之外。龍飛船被設計為執行精確著陸，以保證最小化濺落區域和減少回收時間。

載人龍飛船在墨西哥灣的著陸和回收區域（圖中藍色圈內）

在再入和濺落前，載人龍飛船通過2個穩定減速傘和4個主傘減速。再入過程中首先展開的是減速傘，以保證在較大、較厚的主傘展開前控制飛船將速度降至無法破壞主傘。減速傘部署後不久將從龍飛船上釋放，主傘將接替部署，而減速傘通常降落在距離龍飛船濺落位置1～2km的地方。

主傘將使龍飛船減速到約13mile/h（20.9km/h≈5.8m/s），以允許其在墨西哥灣的指定區域「軟」濺落。龍飛船被設計成在濺落後漂浮在海面上，即一旦濺落，龍飛船會短暫地浸沒在水中（約3ft./0.9m），然後立即漂浮在水面上等待回收。

Demo-1載人龍飛船主傘輔助降落

濺落後，龍飛船上的電子定位信標將允許其被在預定位置的龍飛船回收船定位。首先，兩艘在預定位置的剛性外殼充氣船（rigid-hulled inflatable boat，RHIB）將到達龍飛船濺落位置，以評估龍飛船狀況，評估將包括如果（人）吸入則會致命的超高濃度蒸汽檢查等，並確保龍飛船處於直立向上且穩定的漂浮狀態。

然後，回收船將抵達濺落位置，回收人員將把液壓升降機放入水中，將龍飛船輕輕地吊離水面，並放置在回收船甲板上。如果龍飛船上有太空人，一旦龍飛船安全地固定在甲板上，回收人員會為龍飛船準備乘員出艙程序。當飛船裝載到回收船上時，RHIB將儘可能回收所有龍飛船再入部署的降落傘，包括主傘和穩定減速傘（雖有定位難度而仍在尋求解決方案）。

當龍飛船被固定在甲板上的機庫中時，出口設備將被放置在龍飛船前方，飛船壓力將平衡至大氣壓，側艙門將被打開，太空人將開始出艙。出艙後，太空人將進入船上醫療評估區開始醫學評估。太空人和貨物將通過直升機（如埃裡克森S-64E或波音支奴幹CH-47運輸直升機）運送到最近的機場。在某些情況下，兩架直升機可用來運送更多的太空人。

墨西哥灣沿岸商業港口/碼頭可用於龍飛船的卸載作業，也可在位於卡納維拉爾角港口的SpaceX設施或位於卡納維拉爾角空軍基地（CCAFS）的碼頭實施。

GO Searcher正在起吊Demo-1載人龍飛船加壓乘員與貨物艙（capsule）

回收船到達港口後，龍飛船將被卸下並通過卡車運輸到SpaceX設施進行進一步的飛行後處理。根據美國交通部（DOT）要求的SpaceX運輸危險廢物DOT許可證，SpaceX將確保所有加壓罐體在運輸前都減壓至DOT規定的最大壓力。

總結

SpaceX不僅僅研發出了載人龍飛船並成功載人飛行，還同時設計改造其他相關系統（如火箭）和基礎設施（如發射臺）。SpaceX在堅持安全性和低成本的基礎上通過飛船的全程逃逸能力實現了「太空人先登船後加注火箭推進劑」的操作，盡最大可能滿足NASA嚴苛的載人安全性要求，同時通過租借等手段保證了低成本運作載人發射任務的能力，並為其後開展的商業（低軌）太空旅遊奠定了基礎。