“载人龙”飞船成功实现世界首次载人飞船重复使用

苑艺 王功波（北京空间科技信息研究所, 中国航天员科研训练中心）

2021年4月23日，美国太空探索技术公司（SpaceX）在佛罗里达州肯尼迪航天中心39A发射台利用猎鹰－9（Falcon－9）运载火箭成功发射“载人龙”（Crew Dragon）飞船，执行第二次“国际空间站”（ISS）业务化商业乘员运输服务，实现世界首次载人飞船重复使用，以及首次复用火箭和复用飞船组合执行载人发射任务。“载人龙”飞船搭载的4名航天员计划在轨开展为期约6个月的长期考察任务，期间将部署新型太阳电池阵列，继续提升“国际空间站”长期在轨运行能力，确保近地轨道持续有人存在。

1 任务概况

此次任务代号为乘员－2（Crew－2），是“载人龙”飞船第2次正式商业乘员运输服务任务，也是该型飞船第3次执行载人飞行任务。此次任务所采用的猎鹰－9火箭和“载人龙”飞船此前均执行过载人航天任务，回收后重复使用，再次执行载人航天任务。

乘员－2任务实现了4个首次，即首次使用复用的“载人龙”飞船和复用的猎鹰－9火箭组合执行载人发射任务；商业乘员任务首次携带2名来自国际合作伙伴的航天员前往“国际空间站”；两次商业乘员任务的航天员首次实现在轨任务交接，乘员－1和乘员－2任务的航天员同时在轨7天，站上总人数暂时性达到11人；“国际空间站”首次同时对接2艘商业载人飞船。

此次任务中，“载人龙”飞船搭载的4名航天员分别是美国国家航空航天局（NASA）的谢恩·金布罗（Shane Kimbrough）、梅根·麦克阿瑟（Megan McArthur）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）的星出彰彦（Akihiko Hoshide）和欧洲航天局（ESA）的托马斯·佩斯凯（Thomas Pesquet）。JAXA的另1名航天员古川聪（Satoshi Furukawa）和ESA的另1名航天员马提亚斯·毛瑞尔（Matthias Maurer）担任备份航天员。

乘员－2任务的4名航天员抵达“国际空间站”后，首先加入站上乘员开始执行第65次长期考察任务，开展一系列空间站建造维护工作和科学实验项目。此次航天员的主要任务包括：安装“国际空间站”可推出太阳电池阵列（Roll Out Solar Arrays）；开展一系列“太空中组织芯片”（Tissue Chips in Space）实验研究；开展“微重力环境下人体免疫缺陷表征”（CHIME）实验项目；参与“乘员对地观测”（CEO）项目等。

2 重复使用情况

本次任务重复使用情况

本次任务中，猎鹰－9运载火箭一子级曾于2020年11月执行乘员－1载人发射任务，“载人龙”飞船则是执行过演示－2（Demo－2）载人飞行试验任务的奋进号（Endeavor）飞船。

奋进号“载人龙”飞船曾于2020年5月执行演示－2任务，并于2020年8月返回，溅落在佛罗里达州以西的墨西哥湾上。随后，SpaceX公司与NASA工作人员合作，花费数月对飞船进行翻修，用以执行本次飞行任务。为确保乘员安全，通常情况下“载人龙”飞船的翻修需要对舱内的部分阀门、热防护系统组件、降落伞系统等进行替换。此次翻修过程中，SpaceX公司还对飞船进行了其他重要改进，使飞船具有更宽松的发射和着陆气象条件准则。其中一项是对结构进行加强，使飞船能够在更大风速和浪高情况下返回并溅落，扩大着陆窗口；另一项重要改进是增加逃逸系统推进剂的加注量，提升飞船的发射中止性能，降低发射限制，使飞船在地面风速较强的情况下也可以发射。

奋进号“载人龙”飞船首次溅落图（左）和首次翻修图（右）

系统重复使用设计

“载人龙”飞船任务整个大系统具备可重复使用能力，猎鹰－9运载火箭一子级、“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，且发射过程不需要使用整流罩。

“载人龙”飞船将核心的高价值设备均布置在乘员舱，非密封舱仅有太阳电池、热辐射器等设备，飞船返回时高价值的电子设备、传感器、推进设备、对接机构等均随飞船一起回收。例如，飞船采用了集成式发射逃逸系统，返回时自逃逸系统和飞船一起回收。SpaceX公司官方未明确公布“载人龙”飞船重复使用的部件和需要补充的部件，综合多方信息，已知“载人龙”系统设计可重复使用部件及需要补充/替换部件如下。

“载人龙”飞船重复使用情况

同时，“载人龙”飞船返回过程环境严峻，为保证设备回收和复用，采用了一系列独特的设计。飞船通过海面溅落方式回收，每台“超级天龙座”（SuperDraco）发动机配备了密封口盖，一方面保证逃逸时口盖快速破坏，另一方面确保正常返回时避免发动机被海水浸泡侵蚀。飞船再入过程中烧蚀较为严重，为保护头部的对接机构和传感器不被烧蚀，配备了头锥保护罩，在轨工作时打开，返回时关闭。头锥接合处安装了密封衬垫，衬垫能够承受长期在轨的热真空、辐射、原子氧的作用，确保在地面环境下保护飞船不受降水、冷热、大风的影响，并在海面溅落时保护内部设备。

系统重复使用分析

“载人龙”飞船实现了世界首次载人飞船重复使用并载人飞行，SpaceX公司计划通过系统回收并重复使用开展多次任务，降低任务整体成本。但在现阶段，载人飞船重复使用并没有达到稳定的状态，而是一个逐步深化的过程。

“载人龙”飞船最初设计重复使用10次，随着研制工作的推进，其设计指标比最初计划有所下降，2020年，SpaceX公司提出飞船可使用5次，并表示当前阶段重复使用次数仅为设计值，具体取决于回收后飞船的实际情况。以猎鹰－9火箭、货运“龙”飞船作为参考，猎鹰－9火箭持续迭代设计，首飞6年后经过13次任务才完成首次回收，首飞7年后经过31次任务实现首次复用，逐步使重复使用技术发展成熟，目前已实现同一枚一子级10次发射（9次复用）；货运“龙”飞船经过12次任务才实现首次复用，目前已实现同一艘飞船执行3次货运任务。对于“载人龙”飞船而言，基于猎鹰－9和货运“龙”飞船的基础，飞船首次载人回收后即实现复用，但其进一步重复使用仍需要持续试验、逐步改进。

猎鹰－9系列火箭、货运“龙”飞船复用情况梳理

3 后续任务规划

SpaceX公司获得了NASA授予的2期货运合同，共需向“国际空间站”提供26次“商业补给服务”，目前已完成了21次任务；同时，SpaceX公司还获得了商业乘员运输合同，共需向“国际空间站”提供6次乘员运输服务，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，本次为第2次任务；此外，“载人龙”飞船还将提供私人发射服务。

为向“国际空间站”提供定期、高密度、可快速重复使用的乘员和货物运输服务，并开展商业太空旅游业务，SpaceX公司计划发展由5～6艘“载人龙”飞船和3艘“货运龙”飞船组成的第二代“龙”飞船编队。

“载人龙”飞船方面，目前，SpaceX公司有3艘飞船正在使用，飞船编号分别为C205、C206（奋进号）、C207（坚韧号），另有3艘飞船在建。除本次任务外，后续，SpaceX公司计划重复使用坚韧号“载人龙”飞船用于执行“鼓舞四人组”（Inspiration4）任务和公理－1（AX－1）任务，实现坚韧号“载人龙”飞船的首次重复使用和二次重复使用。坚韧号“载人龙”飞船曾于2020年11月16日－2021年5月2日首次飞行，成功执行乘员－1任务，目前分别计划于2021年9月执行“鼓舞四人组”任务，实现“载人龙”飞船的首次私人发射任务，携带4名乘客抵达540km轨道并开展科学实验，飞行3天后返回；2022年1月,公理－1任务计划执行，实现载人飞船首次携带全部4名私人乘客前往“国际空间站”，在轨停靠8天，总计飞行约10天后返回。通过重复使用，SpaceX公司将有能力利用5～6艘“载人龙”飞船完成NASA授予的6次乘员运输任务，以及开展多次商业载人服务。

4 结束语

SpaceX公司“载人龙”飞船成功实现世界首次利用重复使用的载人飞船将航天员送入轨道，后续该公司还计划进一步提升飞船复用能力，以“载人龙”飞船为代表的新型载人航天系统将推动世界载人航天能力进一步提升。SpaceX公司基于第二代“龙”飞船建立天地往返系统编队，服务政府和私人用户，已经成为载人航天商业化发展的重要力量。