NASA和SpaceX实施首次商业载人任务的13个步骤
发布日期: 2020-05-29
信息来源: 载人航天动态
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本刊综合报道,NASA和SpaceX于5月30日实施美国本土的首次商业载人试验飞行任务,将2名NASA航天员(道格·赫尔利和鲍勃·本肯)送往国际空间站(ISS)。代号为Demo-2的此次任务将通过SpaceX的猎鹰9火箭从肯尼迪航天中心39A发射工位发射升空。以下是NASA和SpaceX完成Demo-2任务从射前准备到飞船返回溅落过程的13个步骤以及发射前的准备及评审工作:
1.航天员抵达发射台
按照NASA的传统做法,航天员在发射日当天会乘坐老式的“航天员转运车”前往发射台,而此次Demo-2任务的赫尔利和本肯则将乘坐SpaceX研制的新潮“特斯拉”X跑车。2名航天员乘车前需在距发射台约14千米处的航天员公寓吃完早餐,时间定在发射前5小时。早餐后,航天员将穿上SpaceX研制的新型航天服,并在发射前3小时抵达发射台。
2.航天员通过进入臂入舱
在发射前2小时15分钟时,赫尔利和本肯将通过新型廊桥式乘员进入臂走入龙飞船,这是SpaceX在对39A发射工位进行适应性改造时新增的设施。地面操作人员将确保2名航天员安全进入到飞船内并就绪,然后在发射前1小时50分钟之时关闭舱门。
3.发射起飞及其气象限制条件
根据任务设定,携载赫尔利和本肯的猎鹰9火箭在美国东部时间5月30日15时22分从肯尼迪航天中心的39A发射工位发射起飞。在火箭起飞前4小时30分钟,美空军第45气象中队将确定是否具备发射良好天气的可能性,并随之发布最新的发射时间。若是出现天气原因或基于其他原因而取消发射,则选择后续备选发射时间。
(1)NASA官网发布了14条不予发射的气象标准:
·如果发射台约49.4米上空的持续风速超过48.25千米/小时,不予发射;
·如果火箭穿过含有风切变的高空环境,由此可能导致火箭控制问题,不予发射;
·如果在发射台或飞行路径约18.5千米范围内观测到雷电并将持续30分钟,不予发射,除非能满足特定条件;
·如果火箭将进入的附着型雷电砧状云范围约达18.5千米,不予发射,除非能满足温度与时间要求的距离标准;
·如果火箭将进入的分离型雷电砧状云范围约达18.5千米,不予发射;
·如果火箭将进入的的雷电碎云范围约达5.6千米,不予发射,除非能满足特定时间要求的距离标准;
·如果火箭将进入的干扰天气云范围约达9.3千米,且其即将达到凝固温度并含有适度或更多降水,不予发射,除非能满足特定时间要求的距离标准;
·如果发射台约9.3千米范围内的地面电场测量读数超过±1500V/米并且持续15分钟,或在满足特定标准下的读数超过±1000V/米并且持续15分钟,不予发射;
·如果火箭穿过厚度大于约并且即1372米并且即将达到凝固温度的云层,不予发射,除非满足特定标准;
·如果火箭将进入的积状云范围约达18.5千米,且其顶部即将达到凝固温度,不予发射,除非满足特定高度的距离标准;
·如果火箭将进入的雷电边缘范围约达18.5千米,且在观测到最后一次雷电后的30分钟内仍会继续产生雷电,不予发射;
·如果火箭穿越由烟羽云生成或附着在烟羽云上的积状云层,不予发射,除非能满足时间要求的标准;
·针对载人龙飞船发射逃逸情况,如果下靶场的天气状况显示达不到飞船溅落限定要求,不予发射;
·针对载人龙飞船发射逃逸情况,如果下靶场的天气状况显示达不到飞船溅落限定要求的概率很高,不予发射。
NASA、SpaceX公司和国防部针对猎鹰9火箭上升段沿着美国北部东海岸以及北大西洋设置了50个点位监测下靶场的天气状况。每个点位均针对风、波、雷电和降水等要素进行是否符合限定要求的概率计算。
(2)SpaceX官网给出了发射前45分钟(T-45)的倒计时程序及相关事件:
·T-45分钟-SpaceX发射主任确认是否进行推进剂加注;
·T-42分钟-乘员进入臂缩回原位;
·T-37分钟-载人龙飞船的发射逃逸系统;
·T-35分钟-开始加注RP-1(火箭级煤油);
·T-35分钟-开始加注一子级液氧;
·T-16分钟-开始加注二子级液氧;
·T-7分钟-开始射前火箭发动机冷却;
·T-5分钟-龙飞船转入内部供电状态;
·T-1分钟-发出进行最后射前检测指令;
·T-1分钟-推进剂储箱增压开始进入飞行压力状态;
·T-45秒-SpaceX发射主任确认是否实施发射;
·T-3秒-发动机控制器发出启动发动机点火程序指令;
·T-0秒-猎鹰9火箭起飞。
4.火箭一子级返回溅落
在猎鹰9火箭发射起飞后约2.5分钟,其一子级与上面级分离,并随后返回溅落在地面。SpaceX公司计划使一子级着陆到部署在大西洋海域上的“我当然依然爱你”无人驾驶回收船上。为了完成一子级着陆,必须首先执行一次翻转机动,然后再通过发动机点火进行一次助推器反推和进入燃烧。
5.飞船与火箭二子级分离
在猎鹰9火箭一子级分离后仅数秒,火箭二子级发动机将点火并持续约6分钟。随后,载人龙飞船与二子级分离,从这个时点起就意味着该飞船自己将开始在太空中的首次飞行。对于货运版龙飞船,这个时点是展开太阳能电池阵列并为飞船供电的环节,但因载人龙飞船的太阳能帆板是内置在飞船体内,体积不大,所以无需打开。
6.临近ISS
一旦载人龙飞船与猎鹰9火箭上面级分离,随后将执行一系列变相机动,以逐步临近ISS并进行自动对接。变相燃烧将会飞船提升到ISS的轨道高度,即平均约400千米的绕地球轨道高度。
7.与ISS对接
当载人龙飞船临近ISS,并进入一个称为“禁飞球”的ISS内部控制区域(一个中心在ISS质心、半径为200米的球体)时,将对准ISS和谐号舱段“增压对接适配器2”(PMA-2)的对接口。然后,飞船非常缓慢地朝着ISS移动,并通过完全自主对接系统完成与ISS的对接。飞船上的航天员也可以根据需要接管飞船,改为手控方式进行对接。
按照任务设定,飞船将在发射起飞后19个小时后,与ISS对接。已于今年4月飞往ISS的第63期“远征队”的3名航天员(美国的克里斯·卡西迪及俄罗斯的阿纳托利·伊万尼申和伊万·瓦格纳)将协助龙飞船的2名航天员打开舱门并进入ISS内。
8.驻留ISS约1~4个月
Demo-2任务的2名航天员将在ISS上驻留30~119天,具体持续时间仍有待NASA和SpaceX确定,并取决于载人龙飞船的在轨运行状况以及下一艘飞船的研制与准备情况。下一艘飞船拟在今年年底执行首次正式的载人运输任务,名为“乘员-1”(Crew-1)。
NASA官员在5月1日任务简报会上表示,虽然该局还未确定Demo-2任务的2名航天员是否能参与即将进行的ISS舱外行走,但为了以防万一,他们此前已接受了一些太空行走培训。此外,他们还接受了参与ISS正在开展的多项科学实验的相关培训。
9.飞船与航天员离开ISS
载人龙飞船离开ISS的程序与其抵临及交会对接ISS的大体相似,只是进行反向操作。飞船必须首先缓慢“禁飞球”,然后实施更多的变相燃烧,以降低其轨道高度。整个下降过程大约需要2天的飞行程序。
10.飞船服务舱抛置
当载人龙飞船返回临近地球时,将弹射出称为“行李箱”的服务舱,然后进行脱轨燃烧并将其送入到地球大气层。该服务舱是一个带翅片的圆锥形舱体,装有往返ISS飞行所需的内置式太阳能电池阵列及其他设备。在飞船返回过程中将服务舱弹射抛置是为热防护罩清除障碍,并准备启动飞船的溅落。
11.飞船再入
载人龙飞船将以约27000千米/小时的速度进入地球大气层,其与大气间的摩擦所产生的阻力大大减缓了飞船的,同时导致船体外部的温度升高至几近与太阳的一样。虽然通过热防护罩可使航天员避免受到极端高温的影响,但返回着陆后的飞船将无法保持发射前的模样。SpaceX在2019年3月实施Demo-1无人任务时的那艘飞船,在返回地面后看上去如同棉花软糖一般。
12.降落伞打开
一旦载人龙飞船完成其返回飞行过程中的燃烧性再入段,将打开其4个Mark 3型降落伞,以进一步减缓飞船下降速度,从而使其能轻缓地溅落在大西洋海域上。
13.飞船溅落回收
由NASA、国防部和SpaceX公司组成的搜救回收团队乘坐SpaceX的“领航者”回收船在溅落回收区待命,协助龙飞船内的2名航天员出舱,然后将飞船吊离水面并放置在回收船的甲板上,运回卡纳维拉尔基地港口以使NASA和SpaceX对船体进行后续的检查。
NASA和SpaceX针对Demo-2任务是否获得成功设有一套评判标准,即载人龙飞船必须验证其能在发射后成功地与火箭分离并进入预定轨道、与ISS进行交会对接/解除对接并最后将航天员安全地带回地球。如果一切均能按计划顺利实施,则SpaceX将很快利用载人龙飞船开展定期的ISS航天员往返运输任务。
14.发射前的准备及评审工作
(1)发射前抵达发射场与射前测试
5月15日晚,一艘崭新的载人龙飞船(编号C206.1)运抵39A发射位火箭机库,与在此等候的崭新一枚猎鹰9火箭(编号B1058.1)会合,开始水平式箭船组装、检查、审核。在此之前,这艘龙飞船在发射台以南燃料库加装二元推进剂(肼+四氧化二氮),为飞船的发动机装载推进剂,用于紧急状况下启动逃逸发射以及太空机动推进。
5月17日,龙飞船完成太阳能裙䙓的安装。这款全新设计理念的太阳能供电系统,采用小片太阳能电池板拼成曲面“太阳能裙䙓”,就像围裙一样半包围于服务舱外表(一改传统太阳能展开式阵列),从而彻底避免展开故障风险,不过缺点就是曲面电池板因受热不均有可能造成电池性能衰减,从而影响整个飞船停靠时间。根据NASA审核委员会报告,这是唯一影响龙飞船长期停靠空间站的决定性因素,最长可停泊119天。
(2)航天员抵达发射场
5月20日,首批搭乘龙飞船的两位NASA航天员道格·赫尔利、鲍勃·本肯,由隔离状态进入临飞状态,从德州休斯敦约翰逊航天中心搭乘一架NASA“湾流”飞机飞抵肯尼迪航天中心。此前,两人从5月13日开始隔离。
(3)船箭完成组装并起竖
5月20日,崭新的猎鹰9火箭+龙飞船整合为一体。5月20日晚开始,SpaceX通过火箭运输车,将长达65米的箭船整体水平缓慢运往400米以外的39A发射台。5月21日,整个火箭已在发射平台上就位。5月21日,启动液压系统,将整个火箭从水平位升至垂直位。5月26日,猎鹰9火箭+龙飞船从垂直位被放置到水平位,工程师在对火箭支撑装置顶部一处冷水循环系统进行故障排查。SpaceX及时对外披露,临时排查不会影响发射。
(4)火箭静态点火测试
5月22日,火箭完成静态点火测试,发动机燃烧持续7秒钟,但保持整个火箭试射而不发射,依然牢牢矗立在发射台上。同天,NASA举行一场线上新闻发布会,由两位航天员、NASA管理层通过在线视频形式回答记者提问。
(5)模拟发射测试
5月23日,进行发射前的彩排。两名航天员身穿舱内宇航服,乘坐特斯拉Model X,从标志性建筑体肯尼迪航天中心航天器组装大楼,一路来到美国黄金发射位39A发射台。然后乘坐直达电梯抵达80米高的发射塔,穿过空中廊桥,进入一间白色预备舱,一切准备就绪后进入载人龙飞船。指挥官赫尔利坐在龙飞船左手位置,联合指挥官本肯居右而坐。
(6)通过飞行准备评估
5月21日和5月25日,NASA评估委员会先后完成两次飞行准备评估,顺利通过发射认证。NASA发言人芬奇透露,NASA评审委员会对这次历史性发射做出了风险评估:总体评估风险系数为1.666%(1/60)。这一风险不仅仅包括发射失败、航天员人身安全等多项风险,还包括不能按计划抵达国际空间站这类目标风险相比而言,2011年航天飞机谢幕飞任务(STS-135)发射前,总体评估风险系数只有1.1111%(1/90)。在此之前航天飞机已经累计飞行134次,132次成功往返。而此时此刻的龙飞船尚未载人发射过一次,NASA给予1.666%(1/60)的总体评估风险系数,已经高于大多数航天飞机发射任务的总体评估数值。针对航天员人身安全风险,NASA给出的风险系数极低:0.3623%(1/276)。该数字甚至低过NASA对其要求的最低门槛0.3703%(1/270)。(赵晨、廖小刚)
(责任编辑:周雁)