焦通 （中國空間技術(shù)研究院）

美國太空探索技術(shù)公司首次發(fā)射復(fù)用“龍”飛船

焦通 （中國空間技術(shù)研究院）

SpaceX Launched Reuse Dragon Spacecraft Firstly

2017年6月3日，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon－9）火箭從肯尼迪航天中心發(fā)射升空，成功將“龍”（Dragon）飛船送入初始目標(biāo)軌道，執(zhí)行該公司第11次“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（CRS）合同任務(wù)（SpX－11）。執(zhí)行本次任務(wù)的“龍”飛船曾于2014年9月發(fā)射升空，與“國際空間站”（ISS）對接停留34天后返回地球，降落太平洋。本次任務(wù)的成功標(biāo)志著航天史上首次實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)飛船加壓艙重復(fù)使用，具有極為重大的意義。

火箭發(fā)射升空3min后，主引擎按計(jì)劃關(guān)閉，火箭第一級分離，第二級引擎點(diǎn)火。在發(fā)射升空后不到8min，火箭第一級在發(fā)射臺附近的著陸場垂直著陸。這是SpaceX公司第5次成功實(shí)現(xiàn)陸地火箭回收，總計(jì)第11次實(shí)現(xiàn)火箭回收，本次的火箭發(fā)射也是美國航空航天局（NASA）LC－39A發(fā)射臺執(zhí)行的第100次發(fā)射任務(wù)。

本次任務(wù)中，“龍”飛船攜帶約2700kg的物資，包括太陽電池板、地球觀測工具與中子星研究設(shè)備。其中，由北京理工大學(xué)鄧玉林教授團(tuán)隊(duì)獨(dú)立設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目也搭乘“龍”飛船上天。該項(xiàng)目旨在研究空間輻射及微重力環(huán)境對抗體編碼基因的突變影響。2017年6月5日，“龍”飛船被加拿大機(jī)械臂－2（Canadarm－2）捕獲，成功將貨物補(bǔ)給以及實(shí)驗(yàn)設(shè)備送抵“國際空間站”。本次貨物補(bǔ)給運(yùn)輸任務(wù)順利完成后，“龍”飛船于7月3日返回地球。

1 任務(wù)背景

根據(jù)NASA與SpaceX公司在2008年12月簽訂的“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同，SpaceX公司要在2016年之前為NASA發(fā)射12艘載貨型“龍”飛船，共向“國際空間站”運(yùn)送20t貨物，合同價(jià)值16億美元。載貨型“龍”飛船曾是首個(gè)到訪“國際空間站”的商業(yè)航天器，也是首個(gè)從軌道返回地球的商業(yè)航天器。

SpaceX公司作為首個(gè)向“國際空間站”運(yùn)輸貨物的私人航天公司，自2012年以來已經(jīng)向“國際空間站”發(fā)射11艘飛船。這是美國現(xiàn)役貨運(yùn)飛船發(fā)射合同中次數(shù)最多的一家，雖然難與俄羅斯的“進(jìn)步”（Progress）系列貨運(yùn)飛船匹敵，但在為“國際空間站”提供貨物運(yùn)輸這一領(lǐng)域，已經(jīng)成為極具影響力的主流力量。

2 飛行任務(wù)情況

本次發(fā)射任務(wù)原計(jì)劃于美國東部時(shí)間6月1日17：55（北京時(shí)間6月2日5：55）進(jìn)行，但因肯尼迪航天中心附近出現(xiàn)閃電，飛船無法在30min內(nèi)發(fā)射，任務(wù)執(zhí)行因此延遲。美國東部時(shí)間6月3日17：07，獵鷹－9火箭點(diǎn)火發(fā)射升空。

根據(jù)3日晚間的跟蹤數(shù)據(jù)，火箭起飛后10min就釋放了“龍”飛船，飛船進(jìn)入204km×354km的初始軌道。船箭分離2min內(nèi)，“龍”飛船拋離了2個(gè)太陽能陣列蓋，展開發(fā)電陣列。在飛船繞地飛行第1圈時(shí)，位于加利福尼亞州霍桑市SpaceX公司總部的駐地任務(wù)控制小組對“龍”飛船飛行速度進(jìn)行調(diào)整，以確保其所有系統(tǒng)在搭載獵鷹－9進(jìn)入軌道之后都能運(yùn)行。

第一次高度調(diào)整/橢圓形機(jī)動(dòng)，使“龍”飛船進(jìn)入“國際空間站”下方2500m的軌道，并繼續(xù)追趕空間站。北京時(shí)間6月5日18：00之前，飛船進(jìn)入距離空間站28km的通信區(qū)，開啟相對導(dǎo)航，通過空間站和飛船之間的空對空無線電鏈路來實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的交換。

第三次高度調(diào)整/橢圓形機(jī)動(dòng)，使“龍”飛船到達(dá)空間站下方1400m處，并進(jìn)行了一系列修正。北京時(shí)間19：15，任務(wù)控制中心下達(dá)啟動(dòng)逼近指令，飛船以0.3m/s的速度轉(zhuǎn)移至空間站的正下方。北京時(shí)間20：00，在飛船距空間站350m時(shí)獲取R－Bar，“國際空間站”和地面控制中心實(shí)現(xiàn)虛線連接?！褒垺憋w船隨后進(jìn)入一個(gè)短時(shí)保持模式，專門用于180°偏航操控，以正確定位抓捕裝置，將推進(jìn)器指向適當(dāng)?shù)姆较?，以進(jìn)行可能的中止機(jī)動(dòng)。隨后，飛船由相對導(dǎo)航系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為鄰近導(dǎo)航系統(tǒng)，檢查無誤后，休斯頓任務(wù)控制中心和SpaceX公司總部的駐地任務(wù)控制小組發(fā)出“GO”的指令。飛船接到指令后，輕輕推動(dòng)飛船上的“天龍”（Draco）推力器，繼續(xù)前進(jìn)20m，以到達(dá)距空間站僅10m的捕獲點(diǎn)。北京時(shí)間21：38，飛船到達(dá)捕獲點(diǎn)，將其和空間站的相對速率歸零。站上乘員接收到捕獲指令后，釋放加拿大機(jī)械臂－2的制動(dòng)器，指揮飛船進(jìn)入自由漂移狀態(tài)。北京時(shí)間21：52，確認(rèn)成功捕獲飛船。

3 復(fù)用“龍”飛船

“龍”飛船是由SpaceX公司研制并運(yùn)營的商業(yè)軌道飛行器，有載貨型和載人型兩種構(gòu)型。載貨型“龍”飛船任務(wù)飛行方案多變并可作為重復(fù)使用航天器，裝有防熱罩和降落傘，任務(wù)結(jié)束后在洋面上濺落回收，是目前唯一能夠攜帶物品返回的空間站貨運(yùn)飛船。

人類航天史上有過眾多的貨運(yùn)飛船和載人飛船，都沒有嘗試過重復(fù)使用。由于發(fā)射和返回過程中，飛船會受到劇烈震動(dòng)、空間輻射和再入大氣層的高溫灼燒以及海水浸泡等，很可能在復(fù)用中導(dǎo)致設(shè)備和零件失效。但SpaceX公司可靠性副總裁漢斯·科尼格斯曼表示，該公司工程師對比了2014年該艘“龍”飛船首次飛行中經(jīng)歷的結(jié)構(gòu)載荷記錄和組件在最初設(shè)計(jì)時(shí)留下的設(shè)計(jì)裕量，認(rèn)為各個(gè)部件仍具有足夠的壽命和可靠性。SpaceX公司的技術(shù)人員在翻修中更換了幾種被海水浸泡的零件，如電池和飛船的隔熱罩，但船體、推進(jìn)器、推進(jìn)劑儲箱、線路系統(tǒng)和一些導(dǎo)航電子設(shè)備等都是上一次執(zhí)行任務(wù)的飛船部件，復(fù)用比例相當(dāng)高。SpaceX公司對“龍”貨運(yùn)飛船的期望是能夠重復(fù)使用3次，這對于降低成本至關(guān)重要。由于SpaceX公司將集中精力研發(fā)載人型“龍”飛船，后續(xù)“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”合同下的所有載貨型“龍”飛船都將采用復(fù)用飛船。本次“龍”飛船按照預(yù)期在“國際空間站”停留1個(gè)月，于7月3日返回地球，濺落太平洋。

4 科學(xué)有效載荷

飛船上攜帶約2700kg的物資，包括太陽能電池板、地球觀測工具與中子星研究設(shè)備。加壓貨物（含包裝）質(zhì)量1665kg，其中包括科學(xué)研究裝置1069kg，硬件199kg，乘員補(bǔ)給242kg，計(jì)算機(jī)資源27kg，太空行走設(shè)備56kg。非加壓貨物1002kg。在“龍”飛船搭載的貨物中，有一個(gè)來自北京理工大學(xué)的質(zhì)量為3.5kg的裝置，航天員在大約2周的時(shí)間內(nèi)使用該設(shè)備進(jìn)行研究，并將數(shù)據(jù)發(fā)回中方研究人員，這個(gè)項(xiàng)目旨在研究空間輻射及微重力環(huán)境對抗體編碼基因的突變影響。本次“龍”飛船攜帶的貨物將支持超過250項(xiàng)科學(xué)和研究調(diào)查。此外，“龍”飛船返回時(shí)裝載了1900kg返回貨物，包括實(shí)驗(yàn)硬件、系統(tǒng)硬件、乘組人員不再需要的物品。

中子星內(nèi)部成分探測器

飛船上的中子星內(nèi)部成分探測器（NICER）屬于NASA“天體物理學(xué)探險(xiǎn)者計(jì)劃”，將用來研究中子星不同尋常的引力、電磁和核物理環(huán)境，并首次試驗(yàn)把中子星作為導(dǎo)航信標(biāo)的技術(shù)，它將提供比當(dāng)前基于無線電的導(dǎo)航架構(gòu)更高的精度。

飛船上的中子星是超密度恒星，直徑只有幾十千米，是溫度最高的恒星之一，擁有最高的穩(wěn)定密度。多年來發(fā)展出多種關(guān)于中子星的理論，但需要通過天體物理觀察進(jìn)行驗(yàn)證。中子星內(nèi)部成分探測器在軟X射線譜帶中收集中子星熱輻射和非熱輻射的高靈敏度旋轉(zhuǎn)分辨光譜。探測器將采用前所未有的測量精度探測中子星內(nèi)部結(jié)構(gòu)，了解中子星超能粒子加速的原理。

鋪開式太陽電池陣

飛船上的鋪開式太陽電池陣（ROSA）用于試驗(yàn)一種能在發(fā)射時(shí)卷收起來、上天后再像卷尺一樣鋪展開的柔性太陽電池陣設(shè)計(jì)。它將研究展開太陽電池陣列部署、收回和形狀變化的動(dòng)態(tài)，以評估陣列在實(shí)際操作環(huán)境中的實(shí)力和耐久性，以降低其技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

多用戶地球遙感系統(tǒng)

飛船上的多用戶地球遙感系統(tǒng)（MUSES）由特里達(dá)因·布朗工程公司根據(jù)同NASA的協(xié)議研制，可裝載高分辨率數(shù)字式相機(jī)和高光譜成像儀等對地觀測儀器。

多用戶地球遙感系統(tǒng)一次最多可容納4臺儀器，該系統(tǒng)針對各種傳感器進(jìn)行了優(yōu)化，包括但不限于高分辨率數(shù)碼相機(jī)、高光譜成像儀、激光雷達(dá)、磁傳感器、大氣監(jiān)測有效載荷和技術(shù)驗(yàn)證專用傳感器。

嚙齒動(dòng)物研究－5

飛船上的嚙齒動(dòng)物研究－5設(shè)備是“國際空間站”上部署的第2套嚙齒動(dòng)物住所，以出資方美國禮來公司（Eli Lilly）的名字命名，將密切研究肌肉生長抑制素的抑制作用，用于預(yù)防小鼠在長時(shí)間航天飛行過程中的骨骼肌肉萎縮和肌無力。航天飛行中的航天員會經(jīng)受骨質(zhì)和肌肉質(zhì)量的快速流失，尤其是腿和脊柱，流失速率接近地面上的萎縮癥患者。這項(xiàng)研究利用小鼠作為模式生物體，檢查某種藥物對預(yù)防肌肉或骨質(zhì)流失的反應(yīng)。

果蠅實(shí)驗(yàn)－2

飛船上的果蠅實(shí)驗(yàn)－2研究將使用果蠅（黑腹果蠅）更好地了解長期接觸微重力對心臟不良反應(yīng)的潛在機(jī)制。前期的航天研究表明，空間環(huán)境可以影響航天員的心血管系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)將有助于開發(fā)果蠅的微重力心臟模型。

蛋白質(zhì)晶體生長－6

飛船上的蛋白質(zhì)晶體生長－6實(shí)驗(yàn)繼續(xù)開發(fā)利用空間站上的新環(huán)境，研究微重力環(huán)境中的蛋白質(zhì)結(jié)晶，理解蛋白質(zhì)晶體生長的機(jī)制，以便改進(jìn)地球上的藥用物品。蛋白質(zhì)晶體生長－6包括兩項(xiàng)研究，充分利用站上可用于基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)（SBDD）的獨(dú)特環(huán)境，用蛋白質(zhì)晶體學(xué)引導(dǎo)設(shè)計(jì)更高效、更有針對性的藥物。

心臟干細(xì)胞

該研究將闡明干細(xì)胞在心臟生物學(xué)和組織生成中的作用，以及微重力環(huán)境加速老化過程的假設(shè)。航天員將活的心臟細(xì)胞帶到空間站上，用一個(gè)月時(shí)間來培養(yǎng)它們，以測試其大小、形狀和跳動(dòng)模式的變化。受微重力環(huán)境影響，人類心臟作為一個(gè)整體將會產(chǎn)生一些結(jié)構(gòu)性的變化。為獲得心臟細(xì)胞，科學(xué)家將人體皮膚細(xì)胞轉(zhuǎn)化為干細(xì)胞，然后將它們培養(yǎng)成心臟細(xì)胞。在太空飛行后，他們將與地面樣品進(jìn)行比較，以了解他們的基因表達(dá)發(fā)生了怎樣的變化。心臟干細(xì)胞旨在確定微重力對新生兒和成年干細(xì)胞早期心血管干細(xì)胞信號、遷移、增殖、分化和衰老的影響。特別關(guān)注的是對這些參數(shù)的年齡依賴性影響，以驗(yàn)證空間環(huán)境加速老化過程的假設(shè)。

此外，本次發(fā)射的飛船上還搭載了由日本九州工業(yè)大學(xué)在“聯(lián)合全球多國鳥衛(wèi)星”項(xiàng)目下建造的5顆單體立方體衛(wèi)星，質(zhì)量均為1kg。該項(xiàng)目由日方牽頭，旨在幫助沒有衛(wèi)星制造能力的非航天國家設(shè)計(jì)、研制和運(yùn)行衛(wèi)星。

5 結(jié)語

SpaceX公司此次發(fā)射復(fù)用火箭及飛船，是人類航天史上的又一重大里程碑。為了節(jié)省成本，未來，馬斯克計(jì)劃全面回收并重復(fù)使用一級、二級火箭和“龍”飛船，現(xiàn)在已經(jīng)成功完成了回收一級火箭和“龍”飛船的任務(wù)。馬斯克此前曾表示，“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭2017年晚些時(shí)候首飛時(shí)，SpaceX公司將嘗試回收二級火箭。

展望未來，SpaceX公司在2017年2月披露，其龍－2飛船將搭載2名私人乘客進(jìn)行環(huán)月飛行，飛船再入速率和從火星返回地球的速率相似。如果SpaceX公司可成功完成計(jì)劃，將向馬斯克的終極目標(biāo)—移民火星邁進(jìn)一大步。