“载人龙”飞船系统设计与经验分析

周峰 何慧东（ 航天东方红卫星有限公司 北京空间科技信息研究所）

美国大力推进载人航天商业化发展，以“载人龙”（Crew Dragon）飞船为代表的商业载人飞船取得了显著的发展，并呈现出技术创新、成本低廉等特点。2019年“载人龙”飞船首次飞行试验成功后，引起了广泛的关注。对“载人龙”飞船的项目背景、系统设计、典型任务进行深入分析，并得出发展思考。

1 “载人龙”飞船项目背景

随着航天技术的发展，近地轨道技术日趋成熟，美国将未来的目标定位于更复杂的载人深空探索。航天飞机退役后，美国只能依靠俄罗斯的“联盟”（Soyuz）飞船执行载人航天飞行任务。针对这种情况，美国国家航空航天局（NASA）将低地球轨道载人航天活动移交商业公司。目前，商业货运补给服务已业务化，商业乘员运输处于发展之中。美国太空探索技术公司（SpaceX）的“载人龙”飞船和波音公司的“星际客船”（CST－100 Starliner）入选NASA商业乘员计划，均计划在2019年完成无人飞行试验和载人飞行试验，加速推动商业载人航天任务的发展进程。

SpaceX公司计划开展2次“载人龙”飞船的飞行试验任务。第一次任务为无人飞行试验任务（SpX-Demo－1），于美国东部时间2019年3月2日 02：49（北京时间 3月 2日 15：49）进行，SpaceX公司在佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台利用猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭成功将“载人龙”飞船发射入轨，飞船顺利完成与“国际空间站”的交会对接，并于3月8日再入返回。该任务是NASA商业乘员计划的重要组成部分，也是商业建造并运营的美国载人飞船的首次发射。第二次任务为载人飞行试验，计划于2019年年底至2020年进行，将完成2人2周的飞行任务，届时将运送2名美国航天员罗伯特·贝肯、道格拉斯·赫利至“国际空间站”。2次飞行试验中间还将安排1次飞行过程逃逸试验，原计划使用无人飞行试验回收的飞船开展此次试验，但在2019年4月20日的地面静态点火试验中发生爆炸，“载人龙”飞船损毁严重，逃逸试验和载人飞行试验被迫推迟。初步调查结果显示，四氧化二氮通过钛阀门进入氦管路，进而引起了爆炸。

SpaceX公司在事故处理完毕并且顺利完成各项飞行试验和认证后，NASA将正式进入商业乘员运输阶段，授予SpaceX公司6次乘员运输任务。每次任务将最多搭乘4名航天员，同时向“国际空间站”运送100kg货物。

2 “载人龙”飞船系统设计

“载人龙”飞船是SpaceX公司研制的新一代载人飞船，由美国政府资助，SpaceX公司研制。未来，NASA只需支付政府航天员运送费用，而由SpaceX公司完成载人飞船的研制、发射和运行任务。“载人龙”飞船具有可重复使用、乘员运输能力强、内部空间大、操作友好等特点，能够执行低成本、业务化的低地球载人航天飞行任务。

“载人龙”飞船试验及飞行任务安排

“载人龙”飞船结构图

“载人龙”飞船采用两舱段设计方案，包括乘员舱和非密封舱（Trunk）两部分，设计最多可搭乘7名航天员，独立飞行时可工作1周，对接状态下可工作210天。飞船直径4m、高度8.1m，侧壁倾斜角15°，加压容积9.3m3，非加压容积37m3，干质量9525kg，上行载荷能力6000kg，下行载荷能力3000kg，处理废弃物800kg。

非密封舱可为“载人龙”飞船提供服务，同时可携带非加压货物。非密封舱外表面的1/2安装了新设计的太阳电池阵，另1/2安装了热辐射器，辅助飞船热控制。4个尾翼在紧急分离情况下可提供气动稳定性。在“载人龙”飞船非密封舱表面一侧贴太阳能电池，任何角度的阳光照射均可发电；与此同时，不配备太阳翼，避免太阳翼展开、对准等过程，能够提升系统可靠性，简洁、一体化的设计，可支持飞船直接从运载火箭上发射，而不需要使用整流罩。

“载人龙”飞船支持“自动/手动”交会对接模式，能够根据实际需要进行切换；采用了第三代PICA-X隔热罩（即底盖）和SPAM后盖（即外壳），再入时可承受1600℃高温；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。

“载人龙”飞船外侧配置了4组推力器装置，每组配置了2台“超级天龙”（SuperDraco）发动机和4台“天龙”（Draco）发动机，其中，Draco发动机主要用于在轨机动，SuperDraco发动机主要用于发射逃逸（原计划也可用于软着陆）。“载人龙”飞船采用了集成式的发射逃逸方案，该方案相较传统的逃逸塔方案具有多项优势：能够在发射的全过程提供乘员逃逸能力；由于避免了逃逸塔分离过程，可提高乘员安全性；逃逸系统可重复使用；逃逸发动机能够在陆地着陆场定点软着陆的情况下提供推力（此方案暂停研发）。

3 “载人龙”飞船典型任务

以“载人龙”飞船首次无人飞行试验任务为参照，说明其执行典型任务的具体情况。任务的重要节点如下。

“载人龙”飞船飞行试验任务重要节点

猎鹰－9运载火箭发射“载人龙”飞船时序

发射入轨

“载人龙”飞船发射过程按照NASA和SpaceX公司确定的发射场操作程序进行。发射任务采用了“加注后即发射”（load-and-go）模式，在发射前加注密度更大的超冷推进剂，通过装载更多燃料提升火箭运载能力。对于未来的载人任务，航天员将在发射前约2h进入飞船，随后激活发射台逃逸系统以保证航天员安全，之后再进行推进剂加注。

“载人龙”飞船与“国际空间站”交会对接示意图

猎鹰－9运载火箭具备海上回收和陆上回收能力，“载人龙”飞船的发射一般采用海上回收火箭第一级的飞行方案。陆上回收相对海上回收需要消耗更多的燃料，“载人龙”飞船质量较大，发射消耗燃料更多，海上回收可保证更多裕量。同时，陆上回收方案为保证运载火箭返回着陆场，通常尽可能将载荷向更高而非更远的方向发射，但是对于载人飞船，在出现紧急情况发射中止时，采用这种发射轨迹可能使航天员承受巨大的过载，对航天员安全造成威胁，因此采用海上回收方案。

交会对接

“载人龙”飞船入轨后，通过一系列调相机动，经过约1天的飞行，与“国际空间站”交会，飞抵距空间站3000m内，进入视觉范围。在最后接近和对接阶段，“载人龙”飞船向“接近椭球”（Approach Ellipsoid）飞行（路径点0）；获得许可后进入空间站阻进区域（KOS），在距对接口150m的位置停泊（路径点1）；随后飞船飞至20m位置（路径点2）并保持；最终飞船成功与空间站和谐号节点舱前端的“国际对接适配器”（IDA）“软捕获”（soft capture）；之后对接机构实施一系列动作完成锁定，飞船与空间站之间的舱门打开，航天员进入空间站。

“载人龙”飞船与“龙”货运飞船的接近轨迹不同。货运飞船从径向（R-bar，即天底方向）接近“国际空间站”，在加拿大机械臂－2（Canadarm－2）工作范围内停止，由机械臂抓捕后与对接口对接。“载人龙”飞船则从径向接近空间站，随后转移至速度方向（V-bar，即前方），任务中航天员和地面专家密切监控飞船的接近和对接情况，如果发生异常，飞船将停止接近和对接尝试，缓慢飞离空间站。

离轨返回

“载人龙”飞船是可重复使用飞船，能够将乘员及部分实验样本和货物安全运回地面。飞船与空间站分离后，与非密封舱分离，减速再入大气层，依次打开引导伞、主伞，完成海面溅落回收。

“载人龙”飞船离轨返回重要节点

“载人龙”飞船交会对接重要节点

“载人龙”飞船返回

4 “载人龙”飞船发展经验

通过重复使用技术降低任务成本

“载人龙”飞船整个大系统具备可重复使用能力，猎鹰－9运载火箭第一级、“载人龙”飞船乘员舱均可回收，仅猎鹰－9火箭第二级和飞船非密封舱无法回收，通过重复使用开展多次任务有望大幅降低成本。此外，“载人龙”飞船设计了集成式发射逃逸系统，发射时飞船直接安装在运载火箭上，不需要使用逃逸塔和整流罩，可节约大量成本（据SpaceX公司估算，猎鹰－9火箭的两片整流罩需要约600万美元）。目前，SpaceX公司对“载人龙”飞船单次任务报价约1.5亿美元，平均不到2200万美元/艘，远低于俄罗斯“联盟”飞船8000万美元/艘的报价。

新一代飞船采用了创新设计思路

纵观国际，载人飞船系统经过近60年发展，设计思路几经变革，针对新的任务场景，世界各国新一代载人飞船明确往返运输功能定位，在继承原有技术的基础上，创新设计思路。以SpaceX公司的“载人龙”飞船为例，飞船采用两舱段设计，内部加压空间集中在一个舱段内，而非分为轨道舱和返回舱，航天员舒适度大幅增加；设计最多能搭乘7名航天员，达到航天飞机同等水平，具备强大的乘员运输能力；飞船采用集成式发射逃逸系统，可在发射全过程提供乘员逃逸能力，提高系统安全性；信息化水平大幅提高，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。

利用新材料、新制造技术提质增效

“载人龙”飞船的制造使用了一系列新技术。SuperDraco发动机燃烧室采用3D打印技术制造，由高性能镍铬基高温合金（Inconel）采用金属粉末激光直接烧结工艺制成，这种材料具有高强度，可提高发动机可靠性。凭借3D打印技术，仅用传统制造方法的一小部分成本和时间就可以制造出高性能的发动机零件。热防护系统使用的新型PICA-X隔热罩，能够承受多次高温烧蚀而不呈现严重退化，针对月球或火星飞行任务也无需任何改动，提升了“载人龙”飞船热防护能力，简化了重复使用所需的维护操作。