“回到未来”的龙飞船

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2024-10-09 21:00





















































NASA技术“松绑”,载人龙飞船可能进一步进化,为我们带来更多的惊喜。


“回到未来”的龙飞船

文 | 张雪松



北京时间9月29日凌晨,SpaceX公司载人龙飞船成功执行了Crew-9发射任务,它返回时还将捎带乘坐波音飞船上天、却被滞留太空的两名宇航员。

但,我们的关注点,放在更早的Crew-9任务发布会上,SpaceX公司宣布了一系列让爱好者激动的新消息——NASA终于对龙飞船的“7座模式”和“反推软着陆模式”开了绿灯。可以说,载人龙飞船不忘初心,借着波音载人飞船翻车的机会,将有望一步步“回到未来”,进化成最初设计的完全体概念

     


削足适履的半成品

SpaceX公司已经制造了6艘载人龙飞船,除了一艘退役、一艘地面测试爆炸外,现在的载人龙飞船机队拥有4艘在役飞船,此外,一艘新订购的载人龙飞船正在被制造。    

载人龙飞船已经进行了16次轨道飞行,除了首飞任务是无人飞行对接空间站进行技术验证外,其他15次都是载人飞行,其中9次是NASA的空间站乘组轮换任务,6次商业载人飞行。

DM1无人演示飞行-飞抵空间站

Crew1任务-4人乘组

对比波音公司星际线飞船两次无人验证飞行磕磕碰碰,首次载人飞行不断出现泄露问题,最终两位宇航员被迫转乘载人龙飞船返回地球,以及其他国家的商业载人飞船还停留在纸面上的情况,载人龙飞船是新一代载人飞船当之无愧的杰出代表。

SpaceX公司已经研制了两代龙飞船,第一代是纯货运飞船,第二代龙飞船分为载人版和货运版。

2014年5月29日,SpaceX公司正式公开了载人龙飞船,并在9月16日赢得了NASA的商业载人飞船合同。遗憾的是,为了满足甲方NASA的安全性和可靠性要求,载人龙飞船后来砍掉了一部分先进和激进的设计概念。

目前在役的载人龙飞船性能和可靠性已经相当出色,它空重约7.7吨,发射质量约12.5吨,返回舱的加压空间约9.3立方米,不仅明显大于俄罗斯联盟号和中国神舟飞船,也大于阿波罗飞船的6.2立方米,甚至比联盟号飞船总加压空间7.5立方米还大!

载人龙飞船内部空间大,具备将7人乘组送往近地轨道和国际空间站的能力。并且,它的返回舱可重复使用,是世界上第一种投入使用的复用飞船。此外,龙飞船还采用了先进的推式逃逸系统,技术上亮点多多。

但即使如此,目前这款在技术和实际发射上遥遥领先的载人龙飞船,与早期的载人龙概念相比,只是一个削足适履的半成品。

      


回到未来的完全体

波音公司星际线飞船空载返回,把两位宇航员留在空间站上。为了将他们带回地面,NASA曾考虑安排他们乘坐当时对接在空间站上的Crew-8任务龙飞船,紧急返回。

但SpaceX公司现有的4艘载人龙飞船,包括Crew-8任务使用的C206进取号飞船,默认只运送4人乘组,因此返回舱仅安装有4个座椅,如果临时改装两个座位非常惨不忍睹,最终NASA否决了这个方案,改为安排Crew-9任务只运送两名宇航员至空间站,明年2月返回时,加上因波音飞船滞留的两人,凑成一个4人乘组。

载人龙内部加压空间大,4人乘组绝非极限。早期,载人龙飞船设计装有7个座椅,只不过NASA并不需要一次送那么多人往返,导致现有飞船只安装了4个座椅。波音公司星际线飞船试飞翻车后,NASA终于对龙飞船的7座模式开了绿灯,这样,必要时可以额外搭载3名宇航员,提高了空间站运营的任务冗余度。

载人龙最初设计7座模式

Crew-9任务的发布会上,更大的亮点是NASA还放开了对着陆模式的限制

载人龙飞船的早期概念中,超级天龙座发动机用于推式逃逸只是兼职,它主要用于每次返回的反推着陆,简单地说,载人龙飞船将使用8台超级天龙座发动机反推,精确降落在着陆场坪上。陆上着陆模式可以避免海上伞降时的海水浸泡和腐蚀,降低维护翻修复用的工作量,波音公司的星际线飞船就采用了陆上着陆,但属于传统的降落伞+气囊缓冲模式,而载人龙飞船最初的反推精确着陆方案,可谓激进而令人惊艳,马斯克当初就曾表示,这才是21世纪飞船应有的着陆方式。

载人龙反推着陆概念

遗憾的是,NASA当时对反推着陆系统的可靠性和安全性疑虑重重,保守的否决了这个方案,载人龙飞船只好采用最传统的降落伞海上回收模式。

而本次Crew-9任务发布会上,NASA批准使用反推软着陆模式作为海上降落的终极保底方案,即4个主降落伞完全失效时,龙飞船将使用超级天龙座发动机反推减速,柔软的溅落到海面上。

载人龙的超级天龙座发动机

此次NASA在技术上“松绑”,载人龙飞船有望部分恢复早期设计概念,这还真成了“回到未来”。

      


未来进化期待多

载人龙飞船在15次载人飞行任务中,充分检验了飞船的环境控制和生命保障系统,以及交会对接系统的能力,它还在“北极星黎明”任务中尝试了飞到1400千米高度,并验证了星链激光通信。

未来使用载人龙飞船执行更复杂的任务,比如载人维护哈勃空间望远镜,或是提升哈勃望远镜的轨道,从技术上说已经不在话下。

结合本次的技术“松绑”,展望未来,载人龙飞船可能进一步进化,为我们带来更多的惊喜。

惊喜一
陆上精准反推着陆或将成为常态

载人龙飞船获准开启7座极限模式,这不仅提高了国际空间站宇航员天地往返的冗余能力,对于前往未来的商业空间站,尤其开展商业太空旅游也大有裨益,有利于降低旅客的平均票价,或是提高4人乘组任务的冗余和安全性。

NASA目前只允许载人龙飞船在降落伞系统彻底失效的最后时刻,也就是万不得已的情况下启用火箭反推系统减速着陆,但未来,载人龙很可能在商业任务中把反推系统作为着陆的优先选择,而使用降落伞系统作为备份。毫无疑问,火箭反推软着陆系统证明了可靠性,在多次返回中安全着陆后,NASA很难拒绝空间站乘组轮换任务尝试反推着陆。考虑到陆上着陆避免了海水的浸泡和腐蚀,对返回舱复用十分有利,将来走到火箭反推陆上精确降落,也在情理之中。载人龙飞船当年最梦幻的陆上精确反推降落模式,迟早还是会回来的。


        

惊喜二
魔改龙飞船的应用极具想象空间

NASA已经选定SpaceX公司研制空间站离轨(USDV)飞行器,从SpaceX公司的概念图可以看出,USDV就是龙飞船改用性能极强的服务舱。

USDV服务舱将容纳至少6倍(约15吨)于现有龙飞船的推进剂,让它具备足够的减速能力,将国际空间站受控再入大气层烧毁,残骸坠入太平洋的卫星坟场。

USDV强大的变轨能力,也带来另一种可能,这种“魔改”的龙飞船未来可能成为载人深空飞船,执行载人登月或其他深空任务,让龙飞船在更广阔的舞台展现风采。




USDV空间站离轨飞行器-概念图

        
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