导读
美国太空探索技术公司（SpaceX）的载人龙飞船（Crew Dragon）已于2019年3月成功执行首次无人飞行试验——一号验证任务（Demo-1），并正在执行始于2020年5月底的首次载人飞行试验任务——二号验证任务（Demo-2）。
Demo-2除飞船再入回收外均已顺利完成，正计划于2020年8月载人返回地球。与此同时，我们不仅要关注载人龙飞船（Crew Dragon）系统设计和技术的先进性，还需要从全局角度关注与飞船相关其他系统或基础设施的发展或改进。
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）提出并设计制造的第二代“龙”（Dragon 2）飞船。
SpaceX不仅仅通过继承一代龙飞船——货运龙飞船（Cargo Dragon）的大量成熟设计，迭代出了载人龙飞船（Crew Dragon），还根据载人发射任务的需要和实际情况，为其设计或改造配套系统或基础设施，如猎鹰九号运载火箭、LC-39A发射台、回收船等。
Demo-2船箭组合体正在LC-39A发射台起竖
一、猎鹰九号运载火箭
猎鹰九号（Falcon 9）运载火箭是SpaceX自主设计开发的中型两级液体运载火箭，采用液氧煤油推进剂，自2010年6月首飞，已成功完成80余次发射任务。同时，猎鹰九号火箭已陆续迭代数个版本构型，目前最新构型也是最后一个重大改进构型为构型5（Block 5）。
猎鹰九号火箭搭载载人龙飞船在LC-39A发射示意图
猎鹰九号构型5（Falcon 9 Block 5，F9B5）火箭承担载人龙飞船的发射任务。根据美国国家航空航天局（NASA）要求，F9B5在设计定型后需成功发射7次，以完成载人评级认证（Human-rating certification），为此SpaceX主要针对载人任务进行了多项安全性和可靠性的改进。
2018年5月11日，SpaceX顺利完成F9B5首飞任务——GPS三代星（GPS Block ⅢA）和“创世纪”（Berasheet）号月球探测器。
2018年12月23日，SpaceX顺利完成符合NASA要求、完整配置的F9B5首飞成功——第16次商业补给服务（CRS-16）。
1.一级设计改进
为应付NASA极高的载人安全要求，F9B5一级的Merlin-1D（梅林/隼-1D）发动机更换了新的涡轮叶片，针对微裂采用了高密度材料。
为降低类似2016年9月Amos-6卫星发射前静态点火事故可能性以及NASA安全性要求，Block 5型升级了推进剂贮箱增压氦瓶/复合材料压力容器（composite overwrap pressure vessel，COPV）——COPV 2.0，COPV 2.0不易积存冻氧和产生摩擦。
发射GPS三代星和“创世纪”号月球探测器的F9B5在一二级同时使用了符合NASA载人飞行认证要求的COPV 2.0，之前只有两发F9B5在二级采用了COPV 2.0。
除满足NASA载人任务要求外，SpaceX在可复用性上也做了多项改进：
◆格栅舵材料由铝合金升级为钛合金；
◆着陆腿由固定式、需人工拆除升级为可伸缩；
◆新型热防护涂层应用在级间段和着陆腿等；
◆发动机架由焊接升级为螺栓连接的Octoweb3.0；
◆发动机周边隔热层升级；
◆整流罩升级；
◆飞行控制、攻角和控制权限改进为其他零部件与允许预留更少推进剂就能完成回收着陆。
2.燃料加注程序
经过审查，NASA于2018年8月批准了SpaceX“注后即射”（load-and-go）的操作程序申请。
该程序与SpaceX用于其商业补给任务（CRS）和卫星发射的燃料加注程序一致，即宇航员先登船再加注推进剂然后立即发射。如果一切按计划进行，发射当天，在宇航员到达发射台前，Faclon 9的COPV将装满氦气并验证其处于稳定状态。
然后，当发射系统处于静止状态时，宇航员将在发射前约2h登上载人龙飞船。在地勤人员离开发射台后，发射逃生系统将在升空前约38min启动。然后，SpaceX发射控制器将在发射前约35min开始加注火箭级煤油（RP-1）和液氧。
倒计时和发射准备工作可以在火箭发射前的最后一刻自动停止。无论在火箭发射前后，紧急情况下发射逃生系统将允许宇航员安全撤离。
图表：二号验证任务（Demo-2）发射前部分时序
资料来源：NASA、SpaceX
采用“注后即射”（load-and-go），是因为SpaceX在猎鹰九号Block 5运载火箭上采取了推进剂增稠措施，采用了深冷技术，即将液氧温度从-183℃降至-207℃，将煤油温度从室温约20℃降至约-7℃，通过提高推进剂密度来提升火箭性能。
但NASA要求，采用该燃料加注程序需要增加额外的验证和演示方案，包括在搭载载人龙飞船的猎鹰九号Block 5火箭上进行5次乘员登船演练，以实现最终认证。上述登船演练已在Demo-2发射前完成，并验证了飞行乘组配置和乘员登船时间线。
二、发射台
载人龙飞船在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心第39号A发射台（LC-39 Pad A，LC-39A）发射。LC-39A曾是已退役的土星五号运载火箭和航天飞机发射台。2014年4月14日，SpaceX和NASA签下长达20年的LC-39A独家租赁合同。
LC-39A未安装登船摆臂时的固定服务设施和水平集成设施
SpaceX针对载人发射任务，对LC-39A发射台进行了一定的改造，包括全新的登船摆臂/廊桥、紧急逃生系统，以及发射台附近的水平集成设施等。LC-39A的改造从固定服务设施（Fixed Service Structure，FSS）上移除超过50万磅（226.8吨）钢结构，包括曾经用于航天飞机有效载荷舱的旋转服务设施（Rotating Service Structure，RSS）。
同时，SpaceX还在LC-39A的FSS上增加新层数，以满足任务需要。此外，SpaceX设计建造了全新配置的发射台传焰道（flame trench）和液体推进剂加注设施。
1.登船摆臂/廊桥
2016年NASA宇航员在登船摆臂内部
登船摆臂（Crew Access Arm，CAA）于2018年8月在LC-39A发射台FSS安装完成，用于宇航员登上载人龙飞船，同时安装的还有相关的乘员支持设施。该摆臂长85ft.（25.9m），宽4ft.（1.2m），高8ft.（2.4m），海拔高度265ft.（80.7m），比原航天飞机配套摆臂安装高度高70ft.（21.3m）。CAA大部分为钢制，拥有铝制组件。摆臂全封闭，但两侧都拥有玻璃窗，通体以白色色调为主。
LC-39A固定服务设施上安装好的登船摆臂/廊桥
2.紧急逃生系统
2018年9月，SpaceX将LC-39A原先的紧急逃生系统（Emergency Egress System，EES）入口高度提升至与CAA一致，以帮助在CAA撤回前的宇航员和FSS上同平台工作人员等撤离发射架。LC-39A的ESS源于航天飞机时代，由7个吊篮组成，每个吊篮最多可容纳3人，吊篮可沿滑索受控减速下滑到距FSS上千英尺外的安全区域。
2020年4月3日，LC-39A乘员紧急逃生演练
2020年4月3日，NASA和SpaceX联合团队完成了端到端的紧急逃生演练（Emergency Egress Exercise），证明了在紧急情况下LC-39A发射台上能够从FSS上安全疏散宇航员及工作人员的能力。演练中，在FSS高265ft.（80.7m）的位置，工作人员将模拟受伤人员装载到ESS的吊篮中，并安全滑下FSS，然后成功将模拟受伤人员安置到发射台外围的防雷埋伏防护（Mine Resistant Ambush Protected，MRAP）车辆中。
3.水平集成设施
2018年12月19日，HIF中的Demo-1载人龙飞船和猎鹰九号火箭
SpaceX在LC-39A的FSS不远处修建了用于发射前准备工作的水平集成设施（Horizontal Integration Facility，HIF），并为采用火箭运输架设机（Transporter/Erector/Launcher，TEL或Transporter/Erector，TE）而铺设了HIF通往FSS的轨道。
运输架设机TEL载着Demo-1船箭组合体驶出水平集成设施（HIF）
三、回收船
GO Searcher回收船
GO Searcher（始于2016年）和GO Navigator（始于2018年）是SpaceX租用美国盖斯离岸公司（Guice Offshore LLC）并进行了改造的龙飞船回收船，专门用于载人龙飞船的回收和飞行乘组/宇航员的转移。其中，GO代表Guice Offshore。
2019年8月的GO Searcher宇航员出舱关键性演练
GO Searcher为实现载人龙飞船回收和飞船乘组/宇航员出舱进行了三大硬件改进，包括直升机停机坪、疑似雷达或通信设备的圆顶设施和定制的液压升降机，并配有两艘用于快速搜寻的刚性外壳充气船（rigid-hulled inflatable boat，RHIB），以及紧急医疗设备。2018年11月，NASA宣布在GO Searcher上顺利完成直升机起降测试和发生宇航员紧急医疗情况下的应急演练。
2018年11月的GO Searcher直升机起降测试与应急演练
此外，GO Searcher参与了2019年3月2日首次无人试飞——一号验证任务（Demo-1）的载人龙飞船的回收任务。
GO Navigator也采用了GO Searcher的相关改进设计。GO Navigator在2019年3月首次无人试飞——一号验证任务（Demo-1）的飞船回收和2020年1月的飞行中止（In-Flight Abort，IFA）试验中起辅助作用，并计划执行SpaceX首次载人试飞任务——二号验证任务（Demo-2）的飞船回收任务。
GO Navigator回收船
四、再入回收
轨道再入、溅落海面和回收是龙飞船着陆的三步。龙飞船将按照预先计划的轨迹重新进入地球大气层，直到落入回收区内的溅落区将被持续跟踪。溅落区是半径约为5.4n mile（10km)的圆。回收区位于美国墨西哥湾海岸线外至少15～140n mile（28～260km）的深水区，从得克萨斯州南部到佛罗里达州南部，完全位于美国专属经济区内。
墨西哥湾将成为发射自SpaceX得克萨斯州南部发射场（布洛斯维尔在建）的龙飞船飞行任务的可能降落地点，也是发射自佛罗里达州的龙飞船飞行任务的应急降落地点。溅落区将完全被回收区包围，不会延伸到其边界之外。龙飞船被设计为执行精确着陆，以保证最小化溅落区域和减少回收时间。
载人龙飞船在墨西哥湾的着陆和回收区域（图中蓝色圈内）
在再入和溅落前，载人龙飞船通过2个稳定减速伞和4个主伞减速。再入过程中首先展开的是减速伞，以保证在较大、较厚的主伞展开前控制飞船将速度降至无法破坏主伞。减速伞部署后不久将从龙飞船上释放，主伞将接替部署，而减速伞通常降落在距离龙飞船溅落位置1～2km的地方。
主伞将使龙飞船减速到约13mile/h（20.9km/h≈5.8m/s），以允许其在墨西哥湾的指定区域“软”溅落。龙飞船被设计成在溅落后漂浮在海面上，即一旦溅落，龙飞船会短暂地浸没在水中（约3ft./0.9m），然后立即漂浮在水面上等待回收。
Demo-1载人龙飞船主伞辅助降落
溅落后，龙飞船上的电子定位信标将允许其被在预定位置的龙飞船回收船定位。首先，两艘在预定位置的刚性外壳充气船（rigid-hulled inflatable boat，RHIB）将到达龙飞船溅落位置，以评估龙飞船状况，评估将包括如果（人）吸入则会致命的超高浓度蒸汽检查等，并确保龙飞船处于直立向上且稳定的漂浮状态。
然后，回收船将抵达溅落位置，回收人员将把液压升降机放入水中，将龙飞船轻轻地吊离水面，并放置在回收船甲板上。如果龙飞船上有宇航员，一旦龙飞船安全地固定在甲板上，回收人员会为龙飞船准备乘员出舱程序。当飞船装载到回收船上时，RHIB将尽可能回收所有龙飞船再入部署的降落伞，包括主伞和稳定减速伞（虽有定位难度而仍在寻求解决方案）。
当龙飞船被固定在甲板上的机库中时，出口设备将被放置在龙飞船前方，飞船压力将平衡至大气压，侧舱门将被打开，宇航员将开始出舱。出舱后，宇航员将进入船上医疗评估区开始医学评估。宇航员和货物将通过直升机（如埃里克森S-64E或波音支奴干CH-47运输直升机）运送到最近的机场。在某些情况下，两架直升机可用来运送更多的宇航员。
墨西哥湾沿岸商业港口/码头可用于龙飞船的卸载作业，也可在位于卡纳维拉尔角港口的SpaceX设施或位于卡纳维拉尔角空军基地（CCAFS）的码头实施。
GO Searcher正在起吊Demo-1载人龙飞船加压乘员与货物舱（capsule）
回收船到达港口后，龙飞船将被卸下并通过卡车运输到SpaceX设施进行进一步的飞行后处理。根据美国交通部（DOT）要求的SpaceX运输危险废物DOT许可证，SpaceX将确保所有加压罐体在运输前都减压至DOT规定的最大压力。
总结
SpaceX不仅仅研发出了载人龙飞船并成功载人飞行，还同时设计改造其他相关系统（如火箭）和基础设施（如发射台）。SpaceX在坚持安全性和低成本的基础上通过飞船的全程逃逸能力实现了“宇航员先登船后加注火箭推进剂”的操作，尽最大可能满足NASA严苛的载人安全性要求，同时通过租借等手段保证了低成本运作载人发射任务的能力，并为其后开展的商业（低轨）太空旅游奠定了基础。
