商業載人航天的典範——美國載人「龍」飛船的設計有何非凡之處？

美國東部時間2020年5月30日15時22分（北京時間2020年5月31日3時22分），美國太空探索技術公司（SpaceX）在美國佛羅裡達州甘迺迪航天中心39號A發射臺（LC-39A）利用獵鷹9號（Falcon 9）運載火箭成功發射「奮進」（Endeavour）號載人龍飛船（Crew Dragon），開始執行其首次載人飛行測試（CFT），也即SpaceX在美國國家航空航天局（NASA）商業載人項目（CCP）下第二次也是最後一次試飛——「二號驗證任務」（Demo-2）。

在其成功與國際空間站「和諧」（Harmony）號節點艙自動對接後，載人龍飛船上的兩名NASA太空人Doug Hurley和Bob Behnken進入國際空間站，標誌著美國自2011年太空梭退役以來再次擁有獨立的本土載人航天能力。

載人龍飛船多向視圖

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）提出並設計製造的二代龍（Dragon V2/Dragon 2）飛船，於2014年5月29日正式發布。

載人龍飛船採用兩艙式布局——加壓乘員與貨物艙（capsule）和非加壓貨艙（trunk），但兩艙不相通。根據功能和設計劃分，載人龍飛船分為鼻錐（nosecone）、加壓段（Prssure section）、非加壓段等三大段。

兩代龍飛船分段示意圖（圖源：SpaceX）

加壓乘員和貨物艙（capsule）容納乘員和加壓貨物，包括一個加壓段、一個非加壓服務段和一個鼻錐，其他主要結構包括焊接鋁壓力容器、主隔熱支撐結構和後殼熱保護系統支撐結構，同時還有包括發動機、推進劑罐、加壓罐、降落傘系統和必要的航電設備等的二級結構。其中：

• 鼻錐在發射和再入過程中保護飛船，並配有與NASA對接系統（NASA Docking System，NDS）標準兼容的對接適配器和鼻錐通道，可與國際空間站進行對接。鼻錐是載人龍飛船具有完全自主執行與國際空間站交匯對接的能力，並有手動備份，可配備不同的對接適配器，如整體通用靠泊機制與低衝擊對接系統（Low-Impact Docking System，LIDS）或異體同構周邊式對接系統（Androgynous Peripheral Attachment System，APAS）。
• 加壓段由焊接壓力容器、前艙口、側艙口、對接通道、對接適配器和窗組成。主隔熱支撐結構在再入和著陸期間傳遞空氣動力載荷。此外，主隔熱支撐結構和壓力容器後隔板之間的純壓縮支撐允許主隔熱罩幫助承載返回艙內部加壓載荷。
• 非加壓服務段括航電設備、定向推進系統、降落傘和其他基礎設施。

非加壓貨艙支持載人龍飛船的太陽能電池陣列和散熱系統，並在緊急中止時提供空氣動力學穩定性。

圖表：載人龍飛船性能

載人龍飛船在諸多結構和功能方面與一代龍飛船擁有端到端的共性，包括發射、導航與控制、熱防護、熱控制、電力系統、航電、軟體、再入制導與回收等。接下來，根據公開信息整理載人龍飛船的設計細節，以供參考。

兩代龍飛船結構對比圖（載人龍飛船著陸腿已取消）

一、加壓乘員與貨物艙

載人龍飛船模型

載人龍飛船加壓乘員與貨物艙外側壁及鼻錐部採用SpaceX專有燒蝕材料（SpaceX Proprietary Ablative Material，SPAM），底部採用第三代酚醛浸漬碳燒蝕材料（the Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA）——PICA-X。

載人龍飛船加壓乘員與貨物艙設計最大載客7人，布局為「上四下三」或「上四下貨」。但NASA要求載客4人，所以現階段執行NASA任務的載人龍飛船採用的是四座椅設計。乘員座椅的設計採用了先進的乘員保護措施，借鑑了「哥倫比亞」號太空梭事故的經驗教訓和最新的汽車乘員保護技術，並採用高規格碳纖維和歐締蘭（Alcantara）材料。

載人龍飛船乘員艙內部座椅「上四下三」配置

載人龍飛船的環境控制與生命支持系統（Environmental Control and Life Support Systems，ECLSS）為乘員提供新鮮空氣，並清除二氧化碳，同時控制艙內溼度和壓力。其安全性達到即使乘員艙艙體上出現直徑高達0.25in.（6.35mm）的孔洞並伴隨著艙內氣體和壓力洩漏時，載人龍飛船依然可以憑藉其攜帶足夠乘員呼吸的氣體儲備量而安全返回地球。

SpaceX潔淨室內的載人龍飛船加壓段

作為額外的保護措施，乘員穿上SpaceX量身定製的艙內太空衣，以保護其免受緊急情況下的乘員艙減壓傷害。載人龍飛船配套的艙內太空衣採用連體式設計，類似潛水服，還配有可用來控制屏幕的導電皮手套。該艙內太空衣在維持安全性水平的前提下進行了輕量化設計，本身採用阻燃外層材料，鞋部增設了與座椅腳蹬的固定結構，同時選用了定製化的3D列印頭盔。

所有航天服與飛船的環控生保和通信連接集成在單根線纜上，還增設了額外的聽力保護裝置。為了適應觸控界面，艙內太空衣手套手掌內側設有觸控層，兼顧觸屏操控。頭盔面罩內置衍射顯示器，可以顯示關鍵參數，關節過渡段經過特殊設計，不僅可以靈活轉動，在艙內失壓情況下可密閉並充氣保壓，以保證航天員生命安全。

其火情監測和滅火系統也將在緊急情況下保護乘員。如有需要，SpaceX還可為乘員艙配置食物準備和廢物處理設施。

載人龍飛船艙內航天服整體及局部細節圖

載人龍飛船的控制系統非常現代化，包括一個由3塊大尺寸觸控螢幕、2排（38個）按鈕和開關組成的控制面板（Control Panel），以及乘員用手持平板電腦，為乘員提供了解飛船實時狀態的界面和發送關鍵命令的能力。3塊大尺寸觸控螢幕所顯示內容可自由切換，因此3塊屏幕在受損情況下可互為備份。當乘員在觸控螢幕上選擇命令後，就可以通過2排按鈕進行操作。雖然載人龍飛船被設計為自動飛行與對接，但乘員可選擇手動駕駛飛船和控制推進系統來進行小的航向修正以及在緊急情況下接管飛船。即使該控制系統發生兩次故障，艙內乘員仍可手動駕駛飛船。

載人龍飛船控制面板

此外，加壓乘員與貨物艙上安裝有載人龍飛船的整體式抗輻射的三冗餘航電系統。

二、非加壓貨艙

載人龍飛船取消一代龍飛船上可摺疊伸縮的太陽能帆板，改為由240塊貼在非加壓貨艙（trunk）外壁上的太陽能電池片組成的太陽能陣列，雖然效率有所降低，但保證了氣動特性。不配備太陽翼，避免太陽翼展開、對準等過程，能夠提升系統可靠性；簡潔、一體化的設計，可支持飛船直接從運載火箭上發射，而不需要使用整流罩。太陽能陣列對面一側則是飛船散熱系統，用於在軌熱控制。

非加壓貨艙（trunk）外壁上新增的4個尾翼在緊急分離情況下可提供氣動穩定性。

執行Demo-1的載人龍飛船太陽能電池片

三、推進系統

載人龍飛船推進系統包括反作用控制系統（reaction control system，RCS）和發射中止系統（launch abort system，LAS）等兩大部分。載人龍飛船上擁有16臺天龍座（Draco）RCS發動機（4臺一組，共4組）和8臺超級天龍座（SuperDraco）LAS發動機（2臺一組，共4組），均採用四氧化二氮（NTO）和單甲基肼（MMH）。

載人龍飛船推進系統分布（著陸腿已取消）

推進系統採用冗餘設計而分為4個獨立模塊，每個模塊配有獨立的推進劑罐組。二代龍飛船可攜帶高達4885lb.（2.2t）的推進劑，其中包括3004lb.（1.36t）四氧化二氮（NTO）和1881lb.（0.85t）單甲基肼（MMH）。使用氣態氦的加壓子系統將氧化劑和燃料分離，以防止推進劑遷移反應。龍飛船推進劑儲存裝置被設計成保留殘餘推進劑，防止在濺落大海時洩漏到海洋中。

由於四氧化二氮（NTO）和單甲基肼（MMH）的推進劑組合的長時間儲存特性，載人龍飛船可在國際空間站停靠長達200天（設計210天，實際180天），同時可作為國際空間站的緊急逃生艙。

1.天龍座發動機

天龍座（Draco）發動機是SpaceX自研的自燃式液體發動機，單臺真空推力400N（90lbf），主要用於遠地點/近地點機動、軌道調整和姿態控制，繼承自一代龍飛船。

已執行過飛行任務的天龍座（Draco）發動機

2.超級天龍座發動機

位於機架上的一組超級天龍座（SuperDraco）發動機

SuperDraco發動機是Draco發動機的衍生型號，同樣安裝在載人龍飛船側壁上。SuperDraco具備深度節流和多次點火能力，推力可在20～100%範圍內調節，可實現精確控制，可重複使用。SuperDraco噴嘴出口直徑20cm（8in.），全推力為73kN（16400lbf），可在全推力狀態下工作5s，可在100ms內完成從啟動到全推力狀態。

每對SuperDraco發動機（共8臺）安裝在加壓乘員和貨物艙上一個鋁製整體支架上，其通過三個支架、以最少約束方式連接到壓力容器上。二代龍飛船上8臺SuperDraco同時工作的總推力為545kN（122600lbf），單臺發動機工作推力為68kN（15325lbf），允許LAS在單臺發動機失效情況下仍能完成發射/飛行中止程序。

3D列印SuperDraco再生冷卻推力室

2012年2月1日，SpaceX宣布順利完成SuperDraco原型發動機的全工作周期和全推力點火測試。

2013年9月5日，SpaceX宣布成功使用直接雷射金屬燒結（direct metal laser sintered，DMLS）技術取代傳統鑄造技術製造出SuperDraco的再生冷卻推力室並整機點火測試成功，該推力室採用耐高溫的鉻鎳鐵合金（Inconel），製造時間相比傳統鑄造縮短了一個數量級——僅需三個多月便完成從概念設計到點火測試。

2014年5月27日，SpaceX宣布順利完成SuperDraco的認證測試，包括多次點火、延長點火時間和極端環境點火等。

SuperDraco點火測試

2015年5月6日，SpaceX成功進行了載人龍飛船的發射臺中止試驗（Pad Abort Test），飛船在SuperDraco發動機點火後99秒安全降落在發射臺以東海洋中。

2020年1月19日，SpaceX成功進行了載人龍飛船的飛行中止（In-Flight Abort，IFA）試驗，載人龍飛船利用SuperDraco發動機推離火箭，並安全降落到指定海域。在此次IFA試驗前，SuperDraco已進行了超過700次測試。

四、熱防護系統

載人龍飛船加壓乘員與貨物艙（capsule）用於再入大氣層的熱防護系統/隔熱罩採用SpaceX改進設計的第三代酚醛浸漬碳燒蝕材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA），又稱「PICA-X」。

圖表：PICA與PICA-X對比

「龍飛船酚醛浸漬碳燒蝕材料隔熱層」是NASA商業載人與貨運項目辦公室（Commercial Crew and Cargo Program Office，C3PO）和SpaceX基於「商業軌道運輸服務」（Commercial Orbital Transportation Services，COTS）協議開展的合作項目，主要是為「龍」飛船開發再入大氣層時的隔熱罩。

PICA與PICA-X對比

酚醛浸漬碳燒蝕材料是NASA艾姆斯研究中心（NASA-ARC）材料團隊為眾多星際探索項目開發的輕質、耐燒蝕新型材料，其對浸漬技術進行了深入研究，最終實現了通過控制浸漬工藝參數來調節材料密度並保證酚醛樹脂均勻分布的技術，並為此申請了專利。PICA首次應用在「星塵」（Stardust）號彗星探測器返回艙的底部熱防護系統，用於保護該返回艙再入地球大氣層。PICA還用於火星科學實驗室（Mars Science Laboratory）——「好奇」（Curiosity）號火星探測器著陸器底部熱防護系統。

一代龍飛船發射前與回收後隔熱罩對比（左）與整船燒蝕程度（右）

NASA-ARC為該項目提供知識、專家和設施支持，SpaceX承擔直徑3.6m的PICA隔熱罩設計和製造。SpaceX花了約4年時間完成PICA-X設計。PICA-X隔熱罩在2010年12月8日成功試飛的一代龍飛船——「龍」貨運試驗飛船上驗證了實際能力，並在其後的一代貨運龍飛船的任務間不斷改進設計。

據稱，PICA-X可承受再入大氣層時高達2000℃（一說1600℃）的高溫，並可多次重複使用，不僅允許龍飛船從近地軌道返回，甚至可以從月球或火星軌道返回，而其成本僅為PICA的10%。

工作人員在首艘一代龍飛船的碳基復材底座上鋪設PICA-X隔熱瓦/片（圖源：SpaceX）

五、降落傘系統

載人龍飛船降落傘系統由2個穩定減速傘和4個主傘組成。減速傘均為錐套式降落傘，直徑19ft（5.8m），有72ft（21.9m）長的立管/懸架（risers/suspension），由可變孔隙率的錐形帶製成。主傘由凱夫拉和尼龍製成，直徑116ft（35.4m），有147ft（44.8m）長的立管/懸架。

減速傘是在再入過程中首先展開，以保證在較大和較厚的主傘展開之前控制飛船將速度降至無法破壞主傘。減速傘通常降落在距離龍飛船濺落位置1～2km的地方。減速傘部署後不久將從飛船上分離，主傘將接替部署。減速傘和主傘都被設計成可在海面上漂浮。

Demo-1回收時的載人龍飛船主傘

SpaceX降落傘系統因多次測試出現問題而不斷改進設計，其最新的Mark 3版本進行了約100次測試，擁有了在四主傘中的單個發生故障的情況下仍能安全濺落海面。

總結

載人龍飛船首次載人發射任務目前進展順利，不僅僅標誌著美國自2011年後重獲載人航天能力，還標誌著SpaceX首次執行商業載人航天發射任務。雖然該任務還屬於飛行試驗，且並未完成再入回收，但並不影響其在航天領域的重要地位。SpaceX看似激進科幻、實則有規可循的飛船設計與技術發展理念，值得借鑑：

• 載人龍飛船捨棄火箭整流罩和傳統發射逃逸系統——逃逸塔，通過設計整流氣動外形等使飛船在發射入軌時進行自我保護，並將任務全程逃逸能力整合進飛船自身的推進系統中，降低成本的同時提升了飛船系統集成度；
• 通過高可靠的自動控制（包括自動飛行與自動對接），載人龍飛船簡化掉了傳統、複雜的機械按鈕式控制系統，取而代之的是極具現代氣息的觸摸顯示屏、手持平板和足夠應付緊急情況的38個實體按鈕，大幅簡化飛船內人機互動操作界面，操作更加直觀便捷，降低了飛行門檻並提升了任務效率；
• 飛船加壓空間集中在單個艙段內而非傳統飛船分散在軌道艙和返回艙的形式，信息化水平大幅提高（包括高度電子集成和平板顯示），降低了飛船操作難度，航天員舒適度大幅增加；
• 充分發揮現有技術與裝備（如PICA、降落傘等），整合利用新型技術與裝備（如3D列印/增材製造、觸控螢幕與手持平板），在理性中激進，在激進中理性，較好地把握了基於矽谷和網際網路思維的新航天（New Space）的發展理念；
• 儘可能繼承一代龍飛船設計（如Draco衍生SuperDraco等），以低成本和高可靠性為導向，快速完成基礎設計，並在NASA嚴苛的要求和不斷的試驗中優化設計（如反推著陸）和快速迭代（如降落傘），同時還實現了飛船絕大部分的可重複使用，堪稱「商業載人航天的典範」。