解码载人龙飞船推进系统的研制过程

来源：空天动力瞭望

世界载人航天经历了几十年的发展，正逐渐朝着低成本、高可靠性的方向发展。今天我们要讨论的是一款低成本可重复使用飞船—“龙”飞船。“龙”飞船是一种可重复使用的飞船，由SpaceX研制开发。第一代“龙”飞船是一个传统的钝角圆锥体弹道舱，主要由前锥体、加压舱、服务舱三部分组成。飞船采用具有广泛继承性的电子系统；采用降落伞水上溅落的返回方式；使用烧蚀材料打造高性能热防护罩和侧壁热防护系统；采用由18台甲基肼/四氧化二氮（MMH/NTO）燃料推力器组成的反推控制系统；装载1200kg推进剂；采用低碰撞对接系统（LIDS）和异体同构周边式对接系统（APAS）。

    相比第一代飞船，新型“龙V2”飞船采用了更先进的制造工艺，包括3D打印制造技术、更耐用的热防护层、“超级天龙”发动机系统；飞船的承载量更大，最多能够容纳7名航天员。8台“超级天龙”发动机内腔采用因康镍合金，结合直接金属激光烧结技术制成，为“龙V2”飞船提供推力，使飞船可以安全、准确地在地球任何位置着陆，区别于以往落入海中的着陆方式。先进的外层隔热材料降低了烧蚀程度，也大大提高了飞船的可重复使用能力。如果隔热层损坏，只需要进行更换便可以再次升空。另外，预计“龙V2”飞船的每次发射成本将为2000万美元，大大降低了发射成本。

1.项目背景

     美国载人航天事业曾经取得了一系列辉煌的成就，然而在2011年航天飞机退役之后，美国却陷入一个尴尬的局面:美国航天员完全得依靠俄罗斯老旧的联盟载人飞船进行天地往返。这确实是美国载人航天计划中的一大失误，为了摆脱困境，美国一方面由宇航局主导并由洛马公司研制猎户座载人飞船，另一方面大力鼓励私企进入载人航天领域，加快载人航天商业化的进程。在这样的背景下，SpaceX提出了“龙”飞船的方案。
       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。SpaceX公司已完成了两代飞船的研制开发，分别为货运飞船和载人飞船，第一代“龙”飞船主要承担货物运输，第二代“龙”飞船则主打载人飞行。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、业务化的低轨道载人航天飞行任务。

2.设计概况

载人“龙”飞船的外形是一个传统的钝锥形弹道胶囊与一个鼻锥形帽设计，打开后能实现国际空间站的商业轨道运输服务。这允许天龙号抓住太空站遥控系统和停泊在非俄罗斯段的国际空间站。这个方法避免了复杂的机载对接系统，使得龙飞船具有1.27米的正方形对接口，面积为俄国对接口的三倍，可以让大型舱内实验设备通过。

载人“龙”飞船装有18个天龙(Draco)发动机和8个超级天龙(SuperDraco)发动机。Draco发动机负责在轨道进行机动和控制重返地球过程，SuperDraco发动机主要用于发射逃逸(也可用于软着陆)。发动机的燃烧时间可能短到1毫秒，也可能长达几分钟，具体视需要而定。这种飞船安装了多个燃料箱，内装推进剂，负责为推力器提供燃料。重返地球大气层时，载人“龙”飞船需要使用6个Draco发动机。SuperDraco为逃逸发动机，该发动机点火后100毫秒之内可以达到最大推力状态。在火箭发射中断时，SuperDraco发动机推力全开5秒钟实现飞船逃逸。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，可提高乘员安全性以及逃逸系统可重复使用等。

图1龙飞船外形图

图2龙飞船内部结构示意图

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。

表3“载人龙”飞船飞行试验任务重要节点

时间	事件
发射前准备	加注气体、燃料、供电等
T0	火箭点火发射
T0+11min	飞船入轨
T0+27h	飞船与“国际空间站”对接
T0+6d	飞船与“国际空间站”分离
T0+6d	飞船减速，再入大气，溅落大西洋

  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。

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。猎鹰9运载火箭发射时序见表4。

表4 运载火箭发射载人“龙”飞船时序

时间	事件	时间	事件
发射前	加注高压液氮	T0	发射
T0-45min	指挥员发出允许燃料加注指令	T0+58s	火箭达到最大动压
T0-37min	发射逃逸系统激活	T0+2min35s	一级主发动机关机
T0-35min	开始加注煤油； 一级火箭开始加注液氧	T0+2min38s	一二级分离
T0-16min	二级火箭开始加注液氧	T0+2min42s	二级发动机点火
T0-7min	开始猎鹰-9发动机冷却	T0+7min48s	一级火箭回收第一次点火(进入)
T0-5min	载人“龙”飞船转内部电源供电	T0+8min59s	二级火箭关机
T0-1min	飞行计算机启动发射前最终检查； 燃料罐开始加压	T0+9min24s	一级火箭回收第二次点火(着陆)
T0-45s	指挥员发出允许发射指令	T0+9min52s	一级火箭海上着陆回收
T0-3s	发动机点火	T0+11min	飞船入轨

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”飞船与货运“龙”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。载人“龙”飞船交会对接重要节点见表5。

表5“载人龙”飞船交会对接重要节点

时间	事件
TD-3h~TD	飞船与空间站交会，进入3000m范围
	飞船向“接近椭球”飞行(路径点0)
	飞船进入阻进区域，到达150m停泊点(路径点1)
	飞船飞至20m停泊点(路径点2)
TD	飞船与空间站软捕获
TD+11min	飞船与空间站对接锁定
TD+2h16min	飞船与空间站之间的舱门打开

   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。

表6 载人“龙”飞船离轨返回重要节点

时间	事件
TL-10h	空间站太阳电池翼旋转关节暂停
TL-6h38min	“准备分离”状态确认
TL-6h18min	分离窗口打开； 发送分离指令； 第一组锁定机构解锁
TL-6h16min	第二级锁定机构解锁
TL-6h14min	飞船与空间站分离； 分离点火-1， 分离点火-2，
TL-6h13min	离站点火-0，
TL-6h10min	飞船飞至150m外； 离站点火-1，
TL-6h7min	飞船飞离阻进区域
TL-5h28min	飞船调整姿态，准备再次点火
TL-5h21min	离站点火-2
TL-57min	飞船与非密封舱分离，并调整姿态
TL-52min	飞船开始15min20s的离轨点火
TL-12min	飞船高度降至121km，再入大气层
TL-5min	飞船完成再入
TL-4min	飞船引导伞打开
TL-3min	飞船主伞打开
TL	飞船溅落佛罗里达州以东的大西洋
TL+(<2h)	打捞船打捞飞船

4.研制难点

与传统固体火箭逃逸发动机相比，载人“龙”飞船的SuperDraco发动机采用了很多新技术，在研制过程中克服了许多困难，总结如下：

1)    首先该发动机使用的是液氧煤油燃料，而不是固体燃料。液体燃料带来的好处可以多次启动和关机，从而使逃逸发动机能多次启动，可执行轨控和着陆缓冲任务，实现一种发动机多种用途。固体燃料一旦点火后就无法关机了。同时液氧煤油燃料的价格也比较便宜，能节约燃料费用；

2)    SuperDraco发动机是嵌入到龙飞船的侧面的，需要对发动机的喷管进行裁剪才能完全贴合。SUPERDRACO发动机的喷管边沿裁剪技术是目前世界上最先进的。这种和飞船整体融合的发动机是飞船本身的一部分，和传统的火箭逃逸塔设计不同的是，8台发动机不需要在飞船发射成功后分离，从而避免了一次逃逸塔火箭分离的风险；

图4  SuperDraco发动机喷管切割成和飞船外形相匹配后的外观形状

3)  SuperDraco发动机是可重复使用的，一组发动机可用于多次飞行。飞船逃逸系统在其中一个发动机损坏后仍然可以继续工作。而逃逸塔火箭发动机是一次性使用的；

4)  8个SUPERDRACO发动机除了能实现逃逸之外还能用于着陆缓冲控制。同时便于在发动机出现问题时实现着陆。

5.启示

与传统的逃逸系统相比，龙飞船逃逸系统的设计理念较为先进，并且SuperDraco发动机的设计、建造和发动机测试一共只花了9个月的时间，如此高效的研发效率是非常值得学习的。具体总结如下：

1)    设计理念。传统载人飞船的逃逸系统是火箭逃逸塔，在火箭正常发射后需要抛射逃逸塔。而天龙飞船的逃逸系统是和飞船集成在一起的，作用除了执行逃逸外，还能执行变轨和着陆缓冲用。区别于逃逸塔使用的固体火箭发动机，龙飞船使用的SuperDraco发动机是液体火箭发动机，能实现多次点火，而且单机推力高达67kN。对于我国未来逃逸发动机设计而言，需要考虑一种发动机实现多种用途，既能用于逃离也能用于轨控、着陆缓冲，这样能精简飞船和火箭的结构，增加有效载荷。

2)    可重复使用。SuperDraco液体火箭发动机可重复使用，在龙飞船降落之后包括飞船和发动机都可以回收利用。

    3)    高效的研发效率。SuperDraco液体火箭发动机的研制过程花费7500万美元，用时不到9个月的时间就完成了设计、建造并测试发动机。这种高效到可怕的研制效率值得我们深思。这种成功的原因是多方面的。首先NASA出台了很多政策，鼓励私营企业参与太空开发运营，NASA为这些企业提供了很多的便利，比如法尔肯火箭的发动机梅林发动机的喷管就是沿用阿波罗登月飞船下降段的主发动机喷管；猎鹰火箭使用的2195铝锂合金以及搅拌摩擦焊技术都来自NASA。其次SpaceX公司十分注重技术创新，公司研制了法尔肯系列火箭的主发动机、上面级发动机、低温储箱结构和制导系统等关键设备。还有一点是坚持小型团队的效率和准确度要高于大型团队，SpaceX公司内部没有通常意义上的部门划分，每个领域的员工平等地参与科技研讨设计和研发工作。