“载人龙”飞船首次正式商业乘员运输任务分析

何慧东 （北京空间科技信息研究所）

美国东部标准时间2020 年11 月15 日19:27（北京时间11 月16 日08:27），太空探索技术公司（SpaceX）“载人龙”飞船（Crew Dragon）由猎鹰-9（Falcon-9）运载火箭从肯尼迪航天中心第39A 发射台发射，执行首次“国际空间站”业务化商业乘员运输服务。“载人龙”飞船经过27.5 小时的飞行后与“国际空间站”对接，飞船搭载了美国籍的迈克尔·霍普金斯、维克多·格洛弗、香农·沃克和日本籍野口聪一等4 名航天员，航天员将在“国际空间站”开展为期约6 个月的科学任务。

1 任务背景

随着航天技术的发展，近地轨道载人航天技术日趋成熟，美国政府层面将下一步目标定位于更具挑战性的载人月球/深空探索；同时，在2011 年航天飞机退役后，美国只能依靠俄罗斯“联盟”（Soyuz）飞船执行载人航天飞行任务。在此背景下，美国国家航空航天局（NASA）积极推动将近地轨道载人航天活动移交商业公司。

目前，美国商业货运补给已发展成熟，正式投入服务超过8 年，“龙”（Dragon）飞船、“天鹅座”（Cygnus）飞船等商业货运飞船累计为“国际空间站”提供了34 次货运补给服务。商业乘员运输正在发展之中，NASA 支持了SpaceX 公司“载人龙”飞船和波音公司“星际客船”（CST-100 Starliner）的研发工作，两型载人飞船均在2019 年开展了无人飞行试验，“载人龙”飞船在2020 年成功开展了发射逃逸试验、载人飞行试验，率先完成全部认证工作，正式投入业务化商业乘员运输服务。

2 任务发展历程

NASA 通过发展商业乘员运输计划向“国际空间站”往返运送航天员。在“商业乘员计划”（CCP）框架下，SpaceX 公司获得了NASA 四个阶段的合同，用于开展飞船的设计、研制、试验、生产、运行等各项工作，合同总金额约31.53 亿美元。

“载人龙”飞船项目研制合同汇总

“载人龙”飞船项目历经10 年的设计、研制、试验，获得最终认证。期间，SpaceX 公司根据研制计划开展了4 次“载人龙”飞船重大飞行试验任务，分别是：发射台逃逸试验、飞行过程逃逸试验、无人飞行试验和载人飞行试验。

“载人龙”飞船发射台逃逸试验，飞船从试验台飞离

“载人龙”飞船无人飞行试验，飞船与“国际空间站”对接

“载人龙”飞船发射逃逸试验，飞船分离后，猎鹰-9 火箭爆炸

“载人龙”飞船载人飞行试验，航天员安全返回

3 任务基本情况

此次任务代号为乘员-1（Crew-1），是“载人龙”飞船首次正式商业乘员运输服务任务，也是该型飞船的第2 次载人飞行任务。

执行此次任务的航天员将飞船命名为坚韧号（Resilience），一方面象征NASA、SpaceX 公司、任务乘组近年的坚持和努力，另一方面象征全世界在新冠疫情等重大挑战中面对压力、克服困难。任务图标中间是“龙”、数字“1”和“载人龙”飞船的形状，外环上方是“国际空间站”，下方是航天飞机、“阿波罗”（Apollo）、“双子座”（Gemini）和“水星”（Mercury）的标识，代表美国历史上发展过的载人运输系统。

“载人龙”飞船Crew-1 任务图标

飞行方案

（1）发射入轨

本次任务发射过程按照NASA 和SpaceX 公司确定的操作程序进行，猎鹰-9 运载火箭在零发射窗口点火，顺利将“载人龙”飞船送入预定轨道，并成功实现运载火箭第一级的海上垂直回收。

（2）交会对接

“载人龙”飞船入轨后，乘员和地面控制中心对飞船环控生保系统、推进系统、热控系统等进行测试，随后飞船进行一系列调相机动，追赶“国际空间站”。“载人龙”飞船从径向接近空间站，随后转移至速度方向（V-bar，即前方），经过约27.5 小时的飞行，于北京时间11 月17 日12：01 与“国际空间站”和谐号节点舱前端的“国际对接适配器”（IDA）对接。

“载人龙”飞船Crew-1 任务乘组

“载人龙”飞船结构图

完成对接后，“载人龙”飞船和“国际空间站”进行压力平衡，随后打开舱门，4 名航天员进入空间站，成为第64 长期考察组乘员。

（3）返回回收

4 名航天员计划在“国际空间站”工作约6 个月，站上任务结束后，“载人龙”飞船将搭载4 名航天员自主与“国际空间站”分离。随后飞船减速、再入大气层，溅落在佛罗里达州附近的海面上。SpaceX 公司的回收船将迅速回收飞船，接回航天员，返回卡纳维拉尔角。

系统设计

（1）“载人龙”飞船

“载人龙”飞船是美国政府资助、SpaceX 公司研制的新一代载人飞船。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、业务化的低地球轨道载人航天飞行任务。“载人龙”飞船采用两舱段设计方案，包括乘员舱和非密封舱两部分：乘员舱用于运送乘员和加压货物；非密封舱可携带非加压货物，同时在外表面安装了太阳电池和热辐射器用于发电和热控制，4 个尾翼在紧急分离情况下可提供气动稳定性。

飞船设计最多可搭乘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，加压容积达9.3m3，非加压容积达37m3，发射质量超过12000kg，上行载荷能力6000kg，下行载荷能力3000kg， 处理废弃物800kg。

“载人龙”飞船还具有高安全性的特点。NASA对于商业飞船有着极端苛刻的安全性要求，远高于历史上各型载人航天器，包括“联盟”飞船、航天飞机等系统。

（2）猎鹰-9 运载火箭

“载人龙”飞船由猎鹰-9 v1.2 Block-5 运载火箭发射。猎鹰-9 系列火箭是SpaceX 公司研制的可重复使用运载火箭，由NASA“商业轨道运输服务”（COTS）计划部分资助，已成为美国主力运载火箭之一，火箭一级陆上回收和海上回收技术也已成熟。

猎鹰-9 运载火箭先后研制了v1.0、v1.1、v1.2 等多个型号，与早期型号相比，全推力型（v1.2）采用了更长的二级火箭和密度更大的推进剂，运载能力大幅提升。猎鹰-9 v1.2 Block-5 是第5 批次生产的全推力型火箭，可满足NASA 载人任务发射要求，火箭为二级火箭，全长70m，直径3.7m，发射质量549t，低地球轨道运载能力22.8t，地球同步转移轨道运载能力8.3t。

4 分析与思考

首次商业乘员运输任务意义重大，标志美国正式恢复载人航天运输能力

“载人龙”飞船成功开启首次正式任务，这是世界首次利用商业载人飞船执行商业乘员运输服务，也是美国航天飞机退役后首次业务性地将航天员送入轨道。

美国已补齐载人航天运输短板，摆脱对俄罗斯“联盟”飞船的依赖。美国从2006 年开始购买俄罗斯“联盟”飞船的座位，2011 年航天飞机退役后暂时失去乘员运输能力，只能依靠“联盟”飞船开展乘员运输，维持在“国际空间站”上的存在。从2011年起“联盟”单座位价格持续增长，截至2019 年底，NASA 累计购买了70 个座位，总共向俄罗斯支付了39 亿美元。

此次任务取得成功，标志着美国正式恢复乘员运输能力，SpaceX 公司也成为全球第一家具备独立载人航天能力的商业公司。

载人航天商业化发展模式取得成效，商业公司成为载人航天重要力量

“载人龙”飞船任务成功发射，验证了美国“商业乘员计划”发展模式，商业航天成为美国载人航天活动中的一个重要力量。美国政府采用了创新的项目和合同管理模式：传统模式中，NASA 负责项目整体管理和运行，研制工作向承研商层层分包；在“商业乘员计划”中，入选的商业公司负责项目的整套运营，包括总体设计、研制、试验、发射和运营管理等，NASA 仅采购乘员运输服务，并负责进度、安全监管及技术支持，提升商业公司在项目研制和运作上的自主性、灵活性。同时，NASA 通过评估里程碑事件完成情况，决定后续资金投入，以此有效提高工作效率和效果。通过上述手段，NASA 从传统的购买产品或服务，转为与工业界合作，帮助其开发近地轨道运输服务，支持SpaceX 公司等商业公司成为载人航天领域新的力量级。

鉴于商业货物补给和商业乘员运输计划的成功，美国后续将持续推进商业载人航天发展，一方面提升近地轨道载人航天活动能力，另一方面将此模式拓展应用到“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划中，支持商业航天企业开展地月空间货物补给、着陆器研制等工作。

飞船采用全新设计思路和方案，任务综合效能显著提升

载人飞船系统经过60 年发展，设计思路几经变革，针对新的任务场景，SpaceX 公司的“载人龙”飞船明确往返运输功能定位，采用了创新的设计思路和方案。“载人龙”飞船采用两舱段设计，加压空间集中在一个舱段内，内部空间更大，航天员舒适度大幅提升，飞船最多能搭乘7 名航天员，运载能力达到航天飞机同等水平。飞船还采用了简洁化座舱设计，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，安全性、操作性大幅改善。整体看，“载人龙”飞船等新一代载人飞船相较上一代的“联盟”飞船技术能力有显著提升，发射质量、最大乘员人数大幅增加，任务适应性更加强大。

飞船引入重复使用、自逃逸、先进制造等新技术，整体性能跃升

“载人龙”飞船整个大系统均具备可重复使用能力，猎鹰-9 运载火箭一级、“载人龙”飞船乘员舱均可回收，仅猎鹰-9 火箭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”飞船设计了自逃逸系统，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，可在发射全过程提供乘员逃逸能力。飞船的制造环节也使用了3D 打印、新材料等一系列新技术实现提质增效。“超级天龙”（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。

飞船采用多种举措降低成本，但并未达到最初设计值

NASA 授予SpaceX 公司的合同总金额约31.53亿美元，根据合同SpaceX 公司需要利用“载人龙”飞船开展2 次试验飞行和6 次乘员运输服务，正式任务中，每次飞船将向“国际空间站”运送4 名NASA航天员，同时可以运送1 名太空游客。

如果从总价格折算，均摊研发费用后平均每次任务价格3.94 亿美元（包括猎鹰-9 运载火箭每次约6000 万美元的发射费用），单座价格约9850 万美元。如果分开计算飞船的研制和生产费用，“载人龙”飞船的总研制费用约17.45 亿美元，后续正式任务每次费用约2.35 亿美元（包括猎鹰-9 火箭约6000 万美元的发射费用），单座价格约5800 万美元。从成本看，“联盟”飞船最新报价达到每座9000 万美元，“载人龙”飞船均摊研发费用后的单座价格与“联盟”大致相当，不均摊研发费用情况下，单座位价格低于“联盟”飞船，但与SpaceX 公司最初宣称的每座位2000万美元存在较大差距。

当前阶段，美国推动“载人龙”飞船发展，能够适度降低任务成本，但更为重要的是使美国重新获得载人航天自主性，并推动载人航天能力进步。