载人龙飞船逃逸试验成功,距离载人首飞仅一步之遥


2020年1月19日,美国太空探索技术公司(以下简称SpaceX)旗下的“载人龙”飞船在肯尼迪航天中心完成了“发射中逃逸试验”(In-flight Abort Test),作为该船正式载人前的最后一项全船重大测试,成功证明了飞船具备发射阶段任何时刻将航天员带离火箭的逃逸能力。

试验起飞瞬间

逃逸试验分离瞬间

发射中逃逸试验意指在发射过程中最极端的气动载荷条件下验证飞船的逃逸系统性能。此次试验的飞船由一枚猎鹰9 Block-5型火箭发射,一级编号1046.4,已经发射并回收了三次,此次为第四次也是最后一次发射;火箭二级为模仿真实发射状态,正常加注了推进剂,但发动机被更换为配重。同时船内载有两台遍布传感器的假人,火箭起飞后按照预定程序飞行了84秒,在约19公里高度上和接近2马赫的速度下提前关机,以模拟火箭在刚通过最大动压点后出现问题的情况。飞船随后迅速发出自动中止指令,船上8台逃逸发动机迅速点火并达到满推力,以高达568千牛的推力工作,7秒内从大约1931km/h加速到超过2414km/h(约670m/s),从而将飞船带离火箭。紧接着火箭一级在巨大动压作用下发生爆炸,但此时飞船已距离火箭1.5公里,随后飞船抛弃非加压舱,于发射后约9分钟伞降在海面上并顺利回收。

火箭解体爆炸瞬间

试验时飞船舱内布置

此次逃逸时峰值过载为3.3G,相对于传统载人飞船应急逃逸时8-15G的过载可谓十分“柔和”,身体健康的成年人基本都能耐受,比部分过山车过载还小。但逃逸速度能否满足逃生需求还要NASA和SpaceX进一步评估。此外,中止测试中达到最高速度约2.3马赫,最高海拔超过40公里。

飞船基本介绍

载人龙飞船采用猎鹰9 Block-5型火箭发射,飞船为两舱设计,分为返回舱(加压舱)和非加压舱,为尽可能复用飞船设备,载人龙大部分设备集中于返回舱,非加压舱部分仅设置有体装式太阳能电池板等少数设备。飞船采用人、货通用设计,载人版可用于国际空间站或未来商业空间站的近地轨道载人往返服务,经货运化改装后也可以用于无人货运任务,飞船默认设置有4个座位,最多承载7名航天员,多于联盟飞船的3人。但由于NASA对飞船落水时冲击的限制,目前仅有4座模式能满足该要求。

载人龙飞船主要参数指标

参数 指标 干质量 7.7吨 发射质量 9-15吨 上行最大运力 6吨 下行最大运力 3吨 尺寸(高、直径) 全高8.1米,直径4米 加压舱外壁倾角 15度 加压舱(返回舱)容积 9.3立方米 非加压舱容积 37立方米 承载人数 默认4人,最大7人 自持能力 自行飞行7天,对接状态210天 供电系统 非加压舱半包围体装式太阳能电池板 推进系统 16台天龙座(Draco)发动机,单台推力400牛,真空比冲300秒 逃逸系统 推式逃逸,8台超级天龙座(Super Draco)逃逸发动机,单台推力71000牛,海平面比冲235秒,两台为一组,安装在铝制包容壳内 推进剂组合 四氧化二氮/甲基肼双组元推进剂,冗余设计,最大加注量2.2吨,1.36吨四氧化二氮,0.85吨甲基肼 环控生保系统(ECLSS) 湿度控制、噪声抑制、空气循环、温度控制、火灾探测和抑制 底部主热防护系统 第三代PICA-X改进型酚醛浸渍碳烧蚀材料,可更换设计 进入、再入、着陆与回收 四伞冗余群伞系统,海上溅落,专用回收船回收 定位 GPS/铱星定位信标 对接系统 采用NASA对接系统(NASA Docking System),可自主无人对接 舱内航天服 SpaceX自研的专用舱内航天服

创新与风险并存的推式逃逸系统

2014年5月,SpaceX为第二代龙飞船的设计召开了专场发布会,在第一代货运型龙飞船的基础上进行了诸多革新,其中最主要的就是推式逃逸系统。

2014年发布会现场,正在演示反推着陆

传统载人飞船为了在火箭出现类似爆炸的紧急情况下让航天员远离火箭,安全返回,设计有一系列逃逸措施,其中以逃逸塔为主,上面安装有若干逃逸发动机和姿控发动机,一旦点火将瞬间产生巨大推力,迅速将飞船“拉”离火箭。

阿波罗飞船的发射台逃逸试验

逃逸塔设计事关航天员生命安全,需要逃逸发动机点火可靠性高,推力大,响应迅速,因此以固体发动机为主,且为一次性设计,飞船升空过程中即与飞船分离并抛弃,无法重复利用。SpaceX则另辟蹊径,将逃逸发动机设置于飞船返回舱侧壁,采用“推”开飞船的逃逸方案。因此专门为载人龙飞船研发了超级天龙座(Super Draco)逃逸发动机,两台一组,互为备份,每隔90度安装一组,总计8台。超级天龙座发动机使用四氧化二氮/甲基肼推进剂组合,挤压循环,可重复使用,燃烧室采用铁铬镍材料经激光3D打印技术生产,由于逃逸发动机贴近航天员座位,为防止发动机爆炸波及,还额外设计了发动机包容壳来约束飞射物。因为推式逃逸系统布置于返回舱内,无需抛离并可随返回舱返回地球,可重复使用以降低发射成本。

一组逃逸发动机,外面是包容壳

3D打印的超级天龙座发动机燃烧室

逃逸发动机点火试车

发布会上公司宣称超级天龙座发动机是“一机两用”,升空时可用于飞船逃逸,再入大气返回时则用于着陆反推。反推着陆不同于传统伞降,落点精度高,可以进行定点着陆;变推力发动机可以有效减小着陆瞬间冲击。但后因NASA认为反推着陆技术风险过大,该方案目前已被取消。但推式逃逸系统仍不乏其优点,由于逃逸发动机始终搭载在飞船上,从火箭点火至飞船入轨前的任意时刻,都可以通过该逃逸系统完成逃逸,也就是SpaceX宣称的“全程逃逸系统”(Full Envelope Abort System)。这种逃逸方式相对于传统逃逸方式有所简化,以我国神舟飞船为例,发射段逃逸以发射后120秒为界,分为“有塔逃逸模式”和“无塔逃逸模式”,而有塔逃逸模式又细分为3种逃逸程序;反观推式逃逸整个发射段都采用同一系统完成,可谓是“以不变应万变”。

传统逃逸方式虽然复杂,但历经考验表现稳定,多次拯救航天员生命。最近一次是2018年10月,当时在执行MS-10发射的火箭于起飞2分钟后出故障,一枚助推器歪头撞上火箭一级。好在老而弥坚的“联盟号”飞船逃逸系统正常工作,将两名航天员平安送回了地面。

6年研发,几经坎坷,将迎载人

在航天飞机退役之前的2010年,NASA就开始物色新一代载人飞船的承包商,当时波音(Boeing)、蓝色起源(Blue Origin)、内华达山脉(SNC)和SpaceX四家企业进入观察资助名单。这些公司的载人飞船未来将替代当时行将退役的航天飞机,摆脱对俄罗斯联盟飞船的依赖,项目名为商业载人航天计划(Commercial Crew Program)。

项目标志

与阿波罗计划和航天飞机时期不同,商业载人航天计划借鉴了商业货运服务计划(Commercial Resupply Service)的成功经验,项目中飞船所有权归属企业本身,中标企业可以在满足NASA任务需求的条件下执行其他商业航天任务(如太空旅游),借此激励企业创新和自筹部分项目资金,而NASA只是购买飞船的“载人服务”。但为了控制安全、进度和经费,NASA设置了一系列“里程碑”对中标企业进行控制,如逃逸试验、热真空试验、电磁兼容性试验等,还提出了一些基本的设计限制,如成员损失率不得高于1/270,正常情况下全程航天员过载不得大于3个G等。NASA还不限定所使用的运载火箭,在运力充裕的前提下只对火箭提出可靠性要求。除此之外,NASA尽量减少对飞船设计的介入,减少监造人员和深广度,改为定期进行公开的进度沟通。

最终经过长达4年的观察和评估,2014年NASA正式宣布波音和SpaceX雀屏中选,各自研发新型载人飞船,其中波音飞船名为CST-100(后改名为星际线),资助额42亿美元;SpaceX则为第二代龙飞船(Dragon V2,后称载人龙),资助额26亿美元。

两款飞船的CG效果图(左:波音,右:SpaceX)

SpaceX于2015年5月进行了发射台逃逸试验,期间超级天龙座发动机出现了混合比异常的问题,但不影响逃逸效果,NASA予以认可;2015年11月,SpaceX进行了载入龙飞船的悬吊悬停试验,以演示超级天龙座发动机的变推力能力和飞船的悬停特性。

发射台逃逸试验点火瞬间

2019年3月2日,SpaceX从肯尼迪航天中心LC-39A发射台首次将载人龙飞船送入太空,执行首次无人演示任务(DM-1)。在发射的27小时后,载人龙飞船成功自主对接国际空间站并顺利返回地球。至此,在2011年航天飞机正式退役后,曾将人类6次送上月球的美国终于初步恢复了载人航天能力。

DM-1中飞船正在对接国际空间站

首次无人试飞虽然圆满,但通往载人之路依旧坎坷。2019年4月,执行完首次无人试飞的飞船在一次逃逸发动机的静态点火试验中,因管路残留推进剂在高压气体作用下发生了水锤效应(liquid hammer effect),常温推进剂与钛制阀芯发生罕见反应,发生剧烈爆炸,飞船全毁。除此之外,载人龙的降落伞也屡发状况,最终被NASA要求换用改进的MK3降落伞并进行了10次空投试验后才告通过。

至此,SpaceX已经扫清了通往首次载人发射任务DM-2的一切障碍,只待NASA审查通过后,初步定于今年二季度搭载两名试乘航天员前往国际空间站,正式结束美国长达9年的载人航天空窗期。

转自 航空爱好者网

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