9年后，美国恢复载人航天能力

文/ 田丰

在此次任务中，航天员道格·赫利将一面特殊的美国国旗带上国际空间站，上面写着“这面国旗只有从肯尼迪航天中心起飞的航天员才能取下带回地球”。也就是说，只能等到美国下一款载人航天器的投运时，这面国旗才能重归地球。

这一等就是整整9年。

▲ 2020年5月31日，一枚全新的猎鹰9号火箭把载人龙飞船送上太空

北京时间2020年5月31日3点22分，曾在国际空间站留下国旗的道格·赫利和另一名航天员鲍勃·贝肯搭乘太空探索技术公司的载人龙飞船，由一枚全新的猎鹰9火箭推动，从肯尼迪航天中心LC-39A发射台起飞，前往距地面400公里的国际空间站，执行代号Demo-2的首次载人试飞任务。发射后2分38秒，猎鹰9火箭一级关机分离，10分钟后成功在驳船上着陆回收；11分钟后船箭分离，飞船入轨。在发射后18小时，经多次变轨调整后的飞船终于“追上”国际空间站，并成功与之对接。经过拉近、锁紧、气压平衡等一系列操作后，两位航天员顺利进入国际空间站。

按照美国宇航局传统，每位航天员都有给自己搭乘的飞船起“小名儿”的特权。发射成功后，美国宇航局公布，2名航天员给这艘“龙”飞船取名“奋进”，纪念之前乘坐过、现已退役近9年的同名航天飞机。接下来飞船将在空间站停留30～120天，具体返回时间取决于太阳能电池板衰减和后续任务的安排情况。

至此，美国时隔9年后终于恢复了载人航天能力，而埃隆·马斯克创办的太空探索技术公司也成为了人类航天史上第一个具备载人航天能力的私营航天企业，载人龙飞船也成为了继航天飞机后美国航天史上第5款载人航天器。

这个飞船的缘起，还要从两次事故说起。

两次事故产生空窗几经筛选意外中标

1986年1月，挑战者号航天飞机在升空时因固体助推器O型密封环失效，凌空爆炸，7名航天员罹难。2003年2月，哥伦比亚号航天飞机在再入大气层过程中解体，又是7名航天员遇难。

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两起事故不仅使美国失去了两架航天飞机和14名航天员，更重创了民众对航天飞机安全性的信心，加之航天飞机本身发射报价昂贵，缺乏有效的逃逸设计，而机体日益老化又导致翻修费用居高不下，美国宇航局最终只能将航天飞机提前退役。自此，俄罗斯便事实垄断了国际空间站航天员的运输业务，并不断抬高联盟飞船座位的销售价格。

联盟号飞船的每座票报价，从2011年航天飞机退役时的3000万美元一路涨至现在8100万美元。即便报价如此高昂，因为没有新的载人航天器接班，美国宇航局仍不得不继续“咬牙”购买联盟号飞船座票，以维持国际空间站正常运行。

▲ 从当年阿姆斯特朗出发的地方，鲍勃和赫利出发了

其实早在航天飞机退役之前，美国宇航局就开始物色新一代飞船的承包商，经过三个阶段的观察和筛选。“波音”“蓝色起源”“内华达山脉”和太空探索技术公司4家航企中标呼声最高。这些公司的飞船将替代退役的航天飞机，摆脱俄罗斯联盟号飞船的垄断，整个项目名为“商业载人航天计划”。

与阿波罗计划和航天飞机时期不同，商业载人航天计划借鉴了“商业货运服务计划”的成功经验，项目中飞船所有权归属企业本身，中标企业可以在满足美国宇航局任务需求的条件下执行太空旅游等商业航天任务，借此激励企业创新并自筹部分项目资金，而美国宇航局只是购买飞船的“载人服务”。但为了控制安全、进度和经费，该局设置了一系列“里程碑”对中标企业进行控制，如逃逸试验、热真空试验、电磁兼容性试验等，还提出了一系列设计约束。除此之外，美国宇航局尽量减少对飞船设计的介入，放权给企业的同时减少监造人员和深、广度，改为定期进行进度沟通。

最终经过长达4年的观察和评估，2014年美国宇航局正式宣布“波音”和太空探索技术公司中标，各自研发一款新型载人飞船，其中“波音”飞船名为星际线飞船，太空探索技术公司则为载人龙飞船。后经过几次经费追加，“波音”累计资助额50亿美元，太空探索技术公司累计资助32亿美元。

▲ 安装后的超级天龙座发动机

项目进度后发先至研发遇挫几经坎坷

相对于一同中标的百年航企“波音”，2002年成立的太空探索技术公司可谓是“初生牛犊”。但凭借“商业货运服务计划”的经验和第一代货运龙飞船的技术基础，加之快速迭代的设计风格，“载人龙”研发进度一路高歌猛进，率先于2015年5月成功进行发射台逃逸试验。

2015年11月，太空探索技术公司进行了载入龙飞船的悬停飞行试验，以演示超级天龙座发动机的变推力能力和飞船的悬停特性。截至载人首飞，累计完成了超过700次的超级天龙座试车。

2019年3月2日，太空探索技术公司从肯尼迪航天中心LC-39A发射台首次将载人龙飞船送入太空，执行首次无人演示任务Demo-1。发射后27小时，载人龙飞船成功自主对接国际空间站，停留数天后顺利返回地球。进度上彻底甩开试飞“翻车”的“波音”星际线飞船。

2020年1月19日，载人龙飞船顺利完成“发射中逃逸试验”，作为该船正式载人前的最后一项全船重大测试，成功证明了飞船发布时宣称的“全程逃逸”能力。

▲ 载人龙飞船操控界面详细图

▲ 载人龙飞船操控界面屏幕

其实“载人龙”的研发之路并非一帆风顺。2019年4月，执行完首次无人试飞的飞船在一次逃逸发动机的静态点火试验中，因管路残留推进剂在高压气体作用下发生了水锤效应，常温推进剂与钛制阀芯发生罕见反应，发生剧烈爆炸，飞船全毁。除此之外，“载人龙”的降落伞也曾遇到问题，最终应美国宇航局要求换用改进的Mark-3型降落伞，并进行了27次空投试验验证后方告通过，最终降落伞累计测试次数超过80次。

▲ 载人龙飞船操控界面

飞船设计激进逃逸另辟蹊径

“载人龙”设计思路颇具新意。首先飞船采用猎鹰9 Block5型火箭发射，升空时无需整流罩，火箭一级分离后通过海上驳船回收。飞船继承了第一代货运龙飞船的部分设计，同样为两舱设计，分为加压舱（返回舱）和非加压舱。其中加压舱为可重复使用设计，为提高飞船复用比率，大部分设备集中于加压舱。非加压舱部分主要由碳纤维构成，仅设置有体装式太阳能电池板等少数设备。飞船采用人、货通用设计，载人版可用于近地轨道载人往返服务，回收后经翻修改装可用于无人货运任务，能够做到“装上座椅运人，拆掉座椅运货”。飞船默认设置有4个座位，设计最多可承载7名航天员。

飞船舱内设计非常简洁，舱内侧壁装有3个舷窗，飞船控制主要通过3块大尺寸触控屏幕和少量实体按键实现。

与传统飞船设计不同，“载人龙”的人机界面采用触控界面，屏幕所显示内容可根据需求自由切换，3块主屏在受损情况下可互为备份。飞船目前设计仅保留有38个实体开关和按键，作为应对极端情况的最低限度控制面板。除此之外，载人龙飞船提高了自动化程度，以降低航天员的学习成本。航天员在正常情况下可以摆脱操作手册，飞船升空、对接和返回过程均可无人操控。

▲ 放在国际空间站上9年之久的美国国旗

▲ 奋进号龙飞船和国际空间站对接

为适应载人发射，太空探索技术公司还特别设计了一套舱内航天服。与传统航天服不同，太空探索技术公司特别聘请了时尚设计师进行外观设计，在维持安全性水平的前提下进行了轻量化设计。此外，舱内航天服还选用了定制化的3D打印头盔，内置麦克风和听力保护装置。航天服采用阻燃外层材料制成。所有航天服与飞船的环控生保和通讯都集成在舱内服大腿部分的一根管路上。为了适应触控界面，手套手掌侧设有触控层。头盔面罩可以开合，躯干关节和颈部过渡段经过特殊设计，不仅可以灵活转动，在舱内失压情况可迅速密闭并充气保压，以保证航天员生命安全。

在飞船的逃逸设计上，太空探索技术公司采用自备动力逃逸方案，将逃逸发动机设置于飞船返回舱侧壁；还专门研发了“超级天龙座”逃逸发动机，两台一组，互为备份，每隔90度安装一组，总计8台。超级天龙座发动机使用四氧化二氮/甲基肼推进剂组合，挤压循环，可重复使用，燃烧室采用铁铬镍材料经激光3D打印技术生产。由于逃逸发动机贴近航天员座位，为防止发动机爆炸波及，额外设计了发动机包容壳来约束飞射物。飞船在简化逃逸模式的同时，具备从发射台到入轨前任何时刻启动的“全程逃逸”能力。

除了以上直观特性外，载人龙飞船还采用了固定的体装式太阳能电池板，具备自动无人对接能力，配备了简易厕所，实施登船后加注流程等，是美国新一代载人飞船中设计最激进的一款。

对于美国宇航局而言，“载人龙”的最大意义是正式恢复了美国的载人航天能力，摆脱了对俄罗斯联盟号飞船的依赖。但对太空探索技术公司和商业航天领域来说，这艘飞船的意义并不止于此。

▲ 国际空间站目前对接了各种飞行器

载人龙飞船主要参数指标参数 指标干质量 7.7吨发射质量 9～1 5吨上行最大运力 6吨下行最大运力 3吨尺寸（高、直径） 全高8.1米，直径4米加压舱外壁倾角 1 5度加压舱（返回舱）容积 9.3立方米非加压舱容积 3 7立方米承载人数 默认4人，最大7人自持能力 自行飞行7天，对接状态2 1 0天供电系统 非加压舱半包围体装式太阳能电池板推进系统 1 6台天龙座（D r a c o）发动机，单台推力4 0 0牛，真空比冲3 0 0秒逃逸系统 推式逃逸，8台超级天龙座（S u p e r D r a c o）逃逸发动机，单台推力7 1 0 0 0牛，海平面比冲2 3 5秒，两台为一组，安装在铝制包容壳内推进剂组合 四氧化二氮/甲基肼双组元推进剂，冗余设计，最大加注量2.2吨，1.3 6吨四氧化二氮，0.8 5吨甲基肼环控生保系统（E C L S S） 湿度控制、噪声抑制、空气循环、温度控制、火灾探测和抑制底部主热防护系统 第三代P I C A-X改进型酚醛浸渍碳烧蚀材料，可更换设计进入、再入、着陆与回收 四伞冗余群伞系统，海上溅落，专用回收船回收定位 G P S/铱星定位信标对接系统 采用美国宇航局对接系统（N A S A D o c k i n g S y s t e m），可自主无人对接，对接口盖可开合舱内航天服 太空探索技术公司自研的专用舱内航天服

太空探索技术公司的新业务——太空旅游

Demo-2任务过后，首次正式航天员轮换任务Crew-1已经提上日程，但对于这款飞船来说这不过是“份内工作”。商业运作的意义不仅是政府订单，也包括有利可图的“私活”或着说“外块”，这正是飞船所属权归企业所释放的自由度。

▲ 美国宇航局局长和2名航天员玩起自拍

▲ 在肯尼迪发射中心周边观看的民众

目前太空探索技术公司已经承接了两单太空旅游项目，其中第一单通过一家名为“太空冒险”的代理公司完成，将有4名付费乘客，不对接国际空间站，预计明年由载人龙飞船独立完成，耗时约5天。更重要的是，这次旅行将不设专业航天员，由飞船自主发射、自主在轨、自主返回。对于“取消司机”这件事，载人龙飞船从设计伊始就有所考虑，无论是大幅简化的人机界面，高度自动化的飞控系统，内置简易厕所，可定制的舱内航天服和简化的维生管路，都瞄准着商业太空游。在商业卫星发射需求下滑，太空探索技术公司面临“有箭无单”的今天，太空旅游或将成为公司新的盈利机会。

▲ 载人龙在厂房

另一种太空旅游模式是游客入住国际空间站，飞船仅作为摆渡车，这样乘客体验更佳，飞船环控生保的压力也更小。为此，美国宇航局在去年就已经正式公布了国际空间站的商业化服务价目表，里面就包括了游客前往国际空间站衣、食、住、行的价格，便于太空旅游企业通过国际空间站提供旅游服务。

说到模式，其实最理想的服务模式是搭车模式，也就是传说中的“四赢模式”。由于国际空间站正常轮换人数为3～4人，少于“载人龙”最大载客量7人，如果其余座位全部卖给游客，游客搭车进入国际空间站，就会形成一种“四赢结局”：美国宇航局可以借此要求太空探索技术公司打折每次轮换任务费用，节省国际空间站的运营费用；太空旅游公司可以出租商业舱段获得利润；游客可以通过“搭车”获得费用减免；而太空探索技术公司作为主要承包商，可以有效利用自家飞船和火箭，将利润收入囊中。

只有打通了航天游的模式，进一步降低航天旅游的成本，才能吸引更多的游客，形成产业链的正反馈，才有动力去研发更好的游客飞船和业务。随着时间的推移，未来若“复用火箭+复用飞船”的组合能经过评估并投入载人发射，太空旅游的门票或将更加低廉亲民。