SpaceX的龙飞船是一种可重复使用的航天器,其名字来自于美国非常有名的民谣歌曲《神龙帕夫》,是英语“Dragon”翻译来的,也可译作“天龙号”飞船。

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一代货运龙飞船

一代龙飞船于2004年开始研发,2008年SpaceX获得了NASA的第一个商业补给计划(CRS-1)合同,向国际空间站运送货物,合同价值16亿美元,同时拿到该合同的还有轨道科学公司,其研发的是“天鹅座”货运飞船。

一代龙飞船由一个鼻锥、一个钝锥弹道舱以及一个装有两个太阳能电池阵列的货舱组成,使用了酚醛浸渍碳烧蚀隔热材料,可以在飞船进入大气层时提供保护,复合材料也被广泛应用于航天器的制造中。

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值得一提的是,传统航天器控制用的是宇航级器件,能承受非常恶劣的环境考验、异常昂贵,其中最重要的是能承受空间辐射,空间辐射会导致“粒子翻转”,计算机是二进制的,粒子翻转可能会让0变1或者1变0,导致运算错误、可能会造成非常大的灾难。

SpaceX则选择了Intel的X86双核处理器,为了解决“粒子翻转”问题,SpaceX把双核拆成了两个单核,分别计算同样的数据,每个系统配置3块芯片做冗余,也就是6个核做计算,如果其中1个核的数据和其他5个不同,那么主控系统会让这个核重启,再把其他5个核的数据拷贝给重启的核,从而保证数据同步,最后将控制器成本降到了五千分之一。

在一代龙飞船的开发成本中,NASA提供了3.96亿美元,SpaceX提供了4.5亿美元。一代龙飞船可以运输3.3吨的货物,货舱包含加压和不加压的两部分,加压部分容积11.2立方米,不加压部分容积14立方米。

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2010年6月第一次发射了简版飞船,收集了空气动力学数据,无法回收;

2010年12月发射了首架龙飞船,进入了太空、重返地球并回收;

2011年2月进行了在轨测试;

2012年5月首次成功停靠空间站,并测试了导航和中止系统;

2012年10月进行了首次正式的空间站补给任务,成为首个与国际空间站对接的商业航天器;

2017年6月首次使用了二手龙飞船进行商业补给任务;

2020年3月进行了一代龙飞船的最后一次商业补给任务,也是第一个商业补给计划的最后一次任务。一代龙飞船总共进行了20次任务,除了最初签订的12次任务外,还额外增加了8次任务。

二代货运龙飞船

后来SpaceX在一代龙飞船的基础上开发了二代龙飞船,不仅能载货、还能载人,主要分为货运龙飞船载人龙飞船

货运龙飞船是载人龙飞船的简化版,没有座椅、座舱控制系统、宇航员生命维持系统、发射中止系统等,设计最多能复用5次。2016年SpaceX获得了NASA的第二个商业补给计划合同,继续向国际空间站运送货物,共有6次任务,将于2020至2024年发射。

二代载人龙飞船

接下来将主要介绍载人龙飞船。2014年,SpaceX获得了NASA的”商业乘员计划“合同,将为国际空间站运送宇航员,合同价值26亿美元,载人龙飞船是为了满足该需求而研发的。同时获得该合同的还有波音公司,其研发的是 CST-100 Starliner 载人飞船。

以往NASA都是要求商业合作伙伴建造航天器、自己来操作,而本次合同NASA向SpaceX购买的是太空运输服务,即由SpaceX来进行载人飞船的建造和操作。

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载人龙飞船是在一代货运龙飞船的基础上研发的,结构基本一致。上方是由一个鼻锥和一个钝锥弹道舱组成的载人舱,下方是圆柱形的货舱。外部使用了酚醛浸渍碳烧蚀隔热材料,代替了发射整流罩,降低了成本、便于进行模块化更新。

载人龙飞船的鼻锥可以打开,其下方是对接口,能自动对接国际空间站,同时也保留了手动操作对接功能。

与俄罗斯的联盟号载人飞船不同,载人龙飞船将返回舱和轨道舱整合在了一起,内部有着9.3立方米的加压空间,最多可搭载7名宇航员、与航天飞机相当。

作为可复用航天器,航天飞机的平均单次发射成本达15亿美元,而载人龙飞船的单次发射成本只有1.6亿美元

SpaceX给NASA每个座位的报价为2300万美元,俄罗斯联盟号飞船每个座位的报价为7600万美元,SpaceX是其的三分之一不到,在未来的太空飞行任务中,载人龙飞船还将会搭载付费的太空游客。

载人龙飞船的内部是简约时尚的现代科技风、充满了科幻色彩,全触控的智能大屏和平板代替了传统的物理机械控制面板,整合并简化了操作,大大降低了宇航员的使用门槛。

宇航员穿着的宇航服可以在飞船遇到减压、着火等紧急情况下提供保护,是马斯克请超级英雄电影的服装设计师专门设计的,宇航服黑灰色部分的材质是一种名为Nomex的织物,白色部分的材质是一种叫特氟龙的强化玻璃纤维,能够耐火耐高温,具有柔韧性和高弹性,还是一种防污不沾材料、不会变脏。

宇航服大腿上的一个接口可以接到座位上,连接着飞船的生命支持系统,输送空气和电能,头盔是使用3D打印技术制造的,宇航服还配有能使用触摸屏的手套。

与其他载人飞船不同的是,载人龙飞船无需逃逸塔、自带逃逸系统,载人舱周围安装了8台SuperDraco发动机用于发射逃逸,每台发动机推力71千牛,2个一组分别安装于四个方向上,发动机被包裹在机舱内,防止因故障对飞船造成严重破坏。

该发动机采用3D激光金属打印技术制造,通过激光融化铬镍铁合金颗粒一层层堆叠制造。原先设计方案中,计划通过降落伞加发动机反推减速来实现陆地着陆,后因技术和安全问题被NASA否决了,只保留了降落伞海上溅落,未来将有可能实现。除此之外,载人龙飞船周围还有16台小型姿态控制发动机。

载人龙飞船的后部是非加压的货舱,有12.1立方米空间,安装了太阳能电池板、散热系统等,在紧急发射中止时还能提供空气动力学稳定性。之前一代龙飞船的折叠式可部署太阳能电池阵列已淘汰,太阳能电池板集成到了货舱外壳上,虽然增加了体积,但简化了结构、提高了可靠性。

2015年5月6日,载人龙飞船进行了初步的发射中止测试,目的是收集相关数据;

2015年11月24日,载人龙飞船使用8台SuperDraco发动机在地面进行了5秒的悬停测试,以验证其发动机的反推能力;

2019年3月3日,载人龙飞船进行了首次无人飞行测试,成功入轨并停靠国际空间站;

2019年4月20日,入轨并回收的载人龙飞船在一次静态点火测试中爆炸,爆炸原因是反推发动机的推进剂泄漏,导致原计划的发射中止测试和载人测试被推迟;

2019年11月13日,改进后的载人龙飞船完成了反推系统的静态点火测试;

2020年1月19日,载人龙飞船成功进行了飞行中止测试,该测试主要用来验证载人飞船的发射逃逸系统,当火箭发射阶段出现问题时,飞船能否将宇航员带到安全的地方,测试时,为了追求真实性,SpaceX主动炸掉了价值5000万美元的猎鹰9号1级助推火箭;

2020年5月30日,载人龙飞船成功进行了首次载人飞行测试,成功将2名宇航员送往国际空间站,成为首个执行载人任务的商业航天器,也是自2011年以来,美国再次拥有了从本土发射宇航员的能力;该飞船于2020年8月2日返回地球、海上溅落回收。

2020年11月16日,载人龙飞船执行了首次商业载人任务,成功将4名宇航员送往国际空间站,成为了首个执行空间站轮换任务的商业航天器;

2021年4月23日,首次使用了二手的载人龙飞船发射商业载人任务,成功将4名宇航员送往国际空间站,该载人龙飞船曾于2020年5月30日进行了首次载人试飞,返回地球后进行了一系列的翻新和改造。

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