商业载人航天的典范——美国载人“龙”飞船的设计有何非凡之处？

美国东部时间2020年5月30日15时22分（北京时间2020年5月31日3时22分），美国太空探索技术公司（SpaceX）在美国佛罗里达州肯尼迪航天中心39号A发射台（LC-39A）利用猎鹰9号（Falcon 9）运载火箭成功发射“奋进”（Endeavour）号载人龙飞船（Crew Dragon），开始执行其首次载人飞行测试（CFT），也即SpaceX在美国国家航空航天局（NASA）商业载人项目（CCP）下第二次也是最后一次试飞——“二号验证任务”（Demo-2）。

在其成功与国际空间站“和谐”（Harmony）号节点舱自动对接后，载人龙飞船上的两名NASA宇航员Doug Hurley和Bob Behnken进入国际空间站，标志着美国自2011年航天飞机退役以来再次拥有独立的本土载人航天能力。

载人龙飞船多向视图

载人龙飞船（Crew Dragon），原称“龙骑士”（DragonRider），是美国太空探索技术公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）提出并设计制造的二代龙（Dragon V2/Dragon 2）飞船，于2014年5月29日正式发布。

载人龙飞船采用两舱式布局——加压乘员与货物舱（capsule）和非加压货舱（trunk），但两舱不相通。根据功能和设计划分，载人龙飞船分为鼻锥（nosecone）、加压段（Prssure section）、非加压段等三大段。

两代龙飞船分段示意图（图源：SpaceX）

加压乘员和货物舱（capsule）容纳乘员和加压货物，包括一个加压段、一个非加压服务段和一个鼻锥，其他主要结构包括焊接铝压力容器、主隔热支撑结构和后壳热保护系统支撑结构，同时还有包括发动机、推进剂罐、加压罐、降落伞系统和必要的航电设备等的二级结构。其中：

• 鼻锥在发射和再入过程中保护飞船，并配有与NASA对接系统（NASA Docking System，NDS）标准兼容的对接适配器和鼻锥通道，可与国际空间站进行对接。鼻锥是载人龙飞船具有完全自主执行与国际空间站交汇对接的能力，并有手动备份，可配备不同的对接适配器，如整体通用靠泊机制与低冲击对接系统（Low-Impact Docking System，LIDS）或异体同构周边式对接系统（Androgynous Peripheral Attachment System，APAS）。
• 加压段由焊接压力容器、前舱口、侧舱口、对接通道、对接适配器和窗组成。主隔热支撑结构在再入和着陆期间传递空气动力载荷。此外，主隔热支撑结构和压力容器后隔板之间的纯压缩支撑允许主隔热罩帮助承载返回舱内部加压载荷。
• 非加压服务段括航电设备、定向推进系统、降落伞和其他基础设施。

非加压货舱支持载人龙飞船的太阳能电池阵列和散热系统，并在紧急中止时提供空气动力学稳定性。

图表：载人龙飞船性能

载人龙飞船在诸多结构和功能方面与一代龙飞船拥有端到端的共性，包括发射、导航与控制、热防护、热控制、电力系统、航电、软件、再入制导与回收等。接下来，根据公开信息整理载人龙飞船的设计细节，以供参考。

两代龙飞船结构对比图（载人龙飞船着陆腿已取消）

一、加压乘员与货物舱

载人龙飞船模型

载人龙飞船加压乘员与货物舱外侧壁及鼻锥部采用SpaceX专有烧蚀材料（SpaceX Proprietary Ablative Material，SPAM），底部采用第三代酚醛浸渍碳烧蚀材料（the Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA）——PICA-X。

载人龙飞船加压乘员与货物舱设计最大载客7人，布局为“上四下三”或“上四下货”。但NASA要求载客4人，所以现阶段执行NASA任务的载人龙飞船采用的是四座椅设计。乘员座椅的设计采用了先进的乘员保护措施，借鉴了“哥伦比亚”号航天飞机事故的经验教训和最新的汽车乘员保护技术，并采用高规格碳纤维和欧缔兰（Alcantara）材料。

载人龙飞船乘员舱内部座椅“上四下三”配置

载人龙飞船的环境控制与生命支持系统（Environmental Control and Life Support Systems，ECLSS）为乘员提供新鲜空气，并清除二氧化碳，同时控制舱内湿度和压力。其安全性达到即使乘员舱舱体上出现直径高达0.25in.（6.35mm）的孔洞并伴随着舱内气体和压力泄漏时，载人龙飞船依然可以凭借其携带足够乘员呼吸的气体储备量而安全返回地球。

SpaceX洁净室内的载人龙飞船加压段

作为额外的保护措施，乘员穿上SpaceX量身定制的舱内宇航服，以保护其免受紧急情况下的乘员舱减压伤害。载人龙飞船配套的舱内宇航服采用连体式设计，类似潜水服，还配有可用来控制屏幕的导电皮手套。该舱内宇航服在维持安全性水平的前提下进行了轻量化设计，本身采用阻燃外层材料，鞋部增设了与座椅脚蹬的固定结构，同时选用了定制化的3D打印头盔。

所有航天服与飞船的环控生保和通信连接集成在单根线缆上，还增设了额外的听力保护装置。为了适应触控界面，舱内宇航服手套手掌内侧设有触控层，兼顾触屏操控。头盔面罩内置衍射显示器，可以显示关键参数，关节过渡段经过特殊设计，不仅可以灵活转动，在舱内失压情况下可密闭并充气保压，以保证航天员生命安全。

其火情监测和灭火系统也将在紧急情况下保护乘员。如有需要，SpaceX还可为乘员舱配置食物准备和废物处理设施。

载人龙飞船舱内航天服整体及局部细节图

载人龙飞船的控制系统非常现代化，包括一个由3块大尺寸触摸屏、2排（38个）按钮和开关组成的控制面板（Control Panel），以及乘员用手持平板电脑，为乘员提供了解飞船实时状态的界面和发送关键命令的能力。3块大尺寸触摸屏所显示内容可自由切换，因此3块屏幕在受损情况下可互为备份。当乘员在触摸屏上选择命令后，就可以通过2排按钮进行操作。虽然载人龙飞船被设计为自动飞行与对接，但乘员可选择手动驾驶飞船和控制推进系统来进行小的航向修正以及在紧急情况下接管飞船。即使该控制系统发生两次故障，舱内乘员仍可手动驾驶飞船。

载人龙飞船控制面板

此外，加压乘员与货物舱上安装有载人龙飞船的整体式抗辐射的三冗余航电系统。

二、非加压货舱

载人龙飞船取消一代龙飞船上可折叠伸缩的太阳能帆板，改为由240块贴在非加压货舱（trunk）外壁上的太阳能电池片组成的太阳能阵列，虽然效率有所降低，但保证了气动特性。不配备太阳翼，避免太阳翼展开、对准等过程，能够提升系统可靠性；简洁、一体化的设计，可支持飞船直接从运载火箭上发射，而不需要使用整流罩。太阳能阵列对面一侧则是飞船散热系统，用于在轨热控制。

非加压货舱（trunk）外壁上新增的4个尾翼在紧急分离情况下可提供气动稳定性。

执行Demo-1的载人龙飞船太阳能电池片

三、推进系统

载人龙飞船推进系统包括反作用控制系统（reaction control system，RCS）和发射中止系统（launch abort system，LAS）等两大部分。载人龙飞船上拥有16台天龙座（Draco）RCS发动机（4台一组，共4组）和8台超级天龙座（SuperDraco）LAS发动机（2台一组，共4组），均采用四氧化二氮（NTO）和单甲基肼（MMH）。

载人龙飞船推进系统分布（着陆腿已取消）

推进系统采用冗余设计而分为4个独立模块，每个模块配有独立的推进剂罐组。二代龙飞船可携带高达4885lb.（2.2t）的推进剂，其中包括3004lb.（1.36t）四氧化二氮（NTO）和1881lb.（0.85t）单甲基肼（MMH）。使用气态氦的加压子系统将氧化剂和燃料分离，以防止推进剂迁移反应。龙飞船推进剂储存装置被设计成保留残余推进剂，防止在溅落大海时泄漏到海洋中。

由于四氧化二氮（NTO）和单甲基肼（MMH）的推进剂组合的长时间储存特性，载人龙飞船可在国际空间站停靠长达200天（设计210天，实际180天），同时可作为国际空间站的紧急逃生舱。

1.天龙座发动机

天龙座（Draco）发动机是SpaceX自研的自燃式液体发动机，单台真空推力400N（90lbf），主要用于远地点/近地点机动、轨道调整和姿态控制，继承自一代龙飞船。

已执行过飞行任务的天龙座（Draco）发动机

2.超级天龙座发动机

位于机架上的一组超级天龙座（SuperDraco）发动机

SuperDraco发动机是Draco发动机的衍生型号，同样安装在载人龙飞船侧壁上。SuperDraco具备深度节流和多次点火能力，推力可在20～100%范围内调节，可实现精确控制，可重复使用。SuperDraco喷嘴出口直径20cm（8in.），全推力为73kN（16400lbf），可在全推力状态下工作5s，可在100ms内完成从启动到全推力状态。

每对SuperDraco发动机（共8台）安装在加压乘员和货物舱上一个铝制整体支架上，其通过三个支架、以最少约束方式连接到压力容器上。二代龙飞船上8台SuperDraco同时工作的总推力为545kN（122600lbf），单台发动机工作推力为68kN（15325lbf），允许LAS在单台发动机失效情况下仍能完成发射/飞行中止程序。

3D打印SuperDraco再生冷却推力室

2012年2月1日，SpaceX宣布顺利完成SuperDraco原型发动机的全工作周期和全推力点火测试。

2013年9月5日，SpaceX宣布成功使用直接激光金属烧结（direct metal laser sintered，DMLS）技术取代传统铸造技术制造出SuperDraco的再生冷却推力室并整机点火测试成功，该推力室采用耐高温的铬镍铁合金（Inconel），制造时间相比传统铸造缩短了一个数量级——仅需三个多月便完成从概念设计到点火测试。

2014年5月27日，SpaceX宣布顺利完成SuperDraco的认证测试，包括多次点火、延长点火时间和极端环境点火等。

SuperDraco点火测试

2015年5月6日，SpaceX成功进行了载人龙飞船的发射台中止试验（Pad Abort Test），飞船在SuperDraco发动机点火后99秒安全降落在发射台以东海洋中。

2020年1月19日，SpaceX成功进行了载人龙飞船的飞行中止（In-Flight Abort，IFA）试验，载人龙飞船利用SuperDraco发动机推离火箭，并安全降落到指定海域。在此次IFA试验前，SuperDraco已进行了超过700次测试。

四、热防护系统

载人龙飞船加压乘员与货物舱（capsule）用于再入大气层的热防护系统/隔热罩采用SpaceX改进设计的第三代酚醛浸渍碳烧蚀材料（Phenolic Impregnated Carbon Ablator，PICA），又称“PICA-X”。

图表：PICA与PICA-X对比

“龙飞船酚醛浸渍碳烧蚀材料隔热层”是NASA商业载人与货运项目办公室（Commercial Crew and Cargo Program Office，C3PO）和SpaceX基于“商业轨道运输服务”（Commercial Orbital Transportation Services，COTS）协议开展的合作项目，主要是为“龙”飞船开发再入大气层时的隔热罩。

PICA与PICA-X对比

酚醛浸渍碳烧蚀材料是NASA艾姆斯研究中心（NASA-ARC）材料团队为众多星际探索项目开发的轻质、耐烧蚀新型材料，其对浸渍技术进行了深入研究，最终实现了通过控制浸渍工艺参数来调节材料密度并保证酚醛树脂均匀分布的技术，并为此申请了专利。PICA首次应用在“星尘”（Stardust）号彗星探测器返回舱的底部热防护系统，用于保护该返回舱再入地球大气层。PICA还用于火星科学实验室（Mars Science Laboratory）——“好奇”（Curiosity）号火星探测器着陆器底部热防护系统。

一代龙飞船发射前与回收后隔热罩对比（左）与整船烧蚀程度（右）

NASA-ARC为该项目提供知识、专家和设施支持，SpaceX承担直径3.6m的PICA隔热罩设计和制造。SpaceX花了约4年时间完成PICA-X设计。PICA-X隔热罩在2010年12月8日成功试飞的一代龙飞船——“龙”货运试验飞船上验证了实际能力，并在其后的一代货运龙飞船的任务间不断改进设计。

据称，PICA-X可承受再入大气层时高达2000℃（一说1600℃）的高温，并可多次重复使用，不仅允许龙飞船从近地轨道返回，甚至可以从月球或火星轨道返回，而其成本仅为PICA的10%。

工作人员在首艘一代龙飞船的碳基复材底座上铺设PICA-X隔热瓦/片（图源：SpaceX）

五、降落伞系统

载人龙飞船降落伞系统由2个稳定减速伞和4个主伞组成。减速伞均为锥套式降落伞，直径19ft（5.8m），有72ft（21.9m）长的立管/悬架（risers/suspension），由可变孔隙率的锥形带制成。主伞由凯夫拉和尼龙制成，直径116ft（35.4m），有147ft（44.8m）长的立管/悬架。

减速伞是在再入过程中首先展开，以保证在较大和较厚的主伞展开之前控制飞船将速度降至无法破坏主伞。减速伞通常降落在距离龙飞船溅落位置1～2km的地方。减速伞部署后不久将从飞船上分离，主伞将接替部署。减速伞和主伞都被设计成可在海面上漂浮。

Demo-1回收时的载人龙飞船主伞

SpaceX降落伞系统因多次测试出现问题而不断改进设计，其最新的Mark 3版本进行了约100次测试，拥有了在四主伞中的单个发生故障的情况下仍能安全溅落海面。

总结

载人龙飞船首次载人发射任务目前进展顺利，不仅仅标志着美国自2011年后重获载人航天能力，还标志着SpaceX首次执行商业载人航天发射任务。虽然该任务还属于飞行试验，且并未完成再入回收，但并不影响其在航天领域的重要地位。SpaceX看似激进科幻、实则有规可循的飞船设计与技术发展理念，值得借鉴：

• 载人龙飞船舍弃火箭整流罩和传统发射逃逸系统——逃逸塔，通过设计整流气动外形等使飞船在发射入轨时进行自我保护，并将任务全程逃逸能力整合进飞船自身的推进系统中，降低成本的同时提升了飞船系统集成度；
• 通过高可靠的自动控制（包括自动飞行与自动对接），载人龙飞船简化掉了传统、复杂的机械按钮式控制系统，取而代之的是极具现代气息的触摸显示屏、手持平板和足够应付紧急情况的38个实体按钮，大幅简化飞船内人机交互操作界面，操作更加直观便捷，降低了飞行门槛并提升了任务效率；
• 飞船加压空间集中在单个舱段内而非传统飞船分散在轨道舱和返回舱的形式，信息化水平大幅提高（包括高度电子集成和平板显示），降低了飞船操作难度，航天员舒适度大幅增加；
• 充分发挥现有技术与装备（如PICA、降落伞等），整合利用新型技术与装备（如3D打印/增材制造、触摸屏与手持平板），在理性中激进，在激进中理性，较好地把握了基于硅谷和互联网思维的新航天（New Space）的发展理念；
• 尽可能继承一代龙飞船设计（如Draco衍生SuperDraco等），以低成本和高可靠性为导向，快速完成基础设计，并在NASA严苛的要求和不断的试验中优化设计（如反推着陆）和快速迭代（如降落伞），同时还实现了飞船绝大部分的可重复使用，堪称“商业载人航天的典范”。