“龙”货运飞船首次遭遇对接故障

Dragon Spacecraft Struggled with Its First Docking Fault

王霄 郭筱曦 （北京空间科技信息研究所）

2017年2月19日，猎鹰-9v1.1全推力型火箭从肯尼迪航天中心的LC 39A发射台成功发射，成功将太空探索技术公司（SpaceX）的“龙”（Dragon）货运飞船送入轨道，执行该公司第10次“商业补给服务”（CRS）任务。火箭升空后8min15s，第一级返回大气层，成功在陆上着陆场实现软着陆。这是太空探索技术公司首次在白天完成陆上回收火箭，第3次实现陆上回收，以及第8次完成火箭回收。本次任务也是太空探索技术公司首次启用肯尼迪航天中心的39A发射台，也是太空探索技术公司的里程碑事件，具有重大意义。

但本次任务一波三折，发射原定于北京时间2017年2月18日23：01进行，但因为二级火箭推力矢量控制系统故障，发射在倒计时13s时被暂停，任务推迟一天。

北京时间2月22日16：25，由于导航系统出现故障，飞船计算机系统识别到关于“国际空间站”（lSS）的错误数值，自动中止交会对接操作。这是“龙”货运飞船首次在交会对接阶段出现故障。飞船在使用相对“全球定位系统”（GPS）进行远场交会对接时发生故障后，暂停与“国际空间站”的交会对接。北京时间2月23日18：44，飞船再尝试与“国际空间站”对接，取得成功。

1 飞行任务

尘封多年的发射台再次启用

目前太空探索技术公司租用了3个发射台进行航天发射，分别是范登堡空军基地的SLC-4E发射台（用于极轨发射任务）、卡纳维拉尔角的LC 40发射台（用于商业发射任务）和肯尼迪航天中心的LC 39A发射台（载人发射任务）。由于LC 40发射台在2016年的爆炸事故中受损严重，预计2017年6月才能恢复使用，因此LC 39A的启用对于太空探索技术公司具有重大意义。

LC 39A是阿波罗-11（Apollo-11）在1969年首次将人类送上月球时使用的发射场。这次的发射也是太空探索技术公司的里程碑事件，因为它是该公司首次从LC 39A发射台发射猎鹰-9火箭。2014年，太空探索技术公司与美国航空航天局（NASA）签订了一项租赁协议，翻新了LC 39A发射台，使公司的猎鹰-9和未来的“猎鹰重型”（Falcon Heavey）火箭可以从该平台发射。

LC 39A发射台首次执行任务是在1967年11月9日，土星-5火箭搭载阿波罗-4飞船升空。在“阿波罗”时代，除了阿波罗-10外，其他所有载人月球任务均从39A发射台升空。1981-1986年，美国航天飞机的前24次任务均从39A发射台起飞，包括哥伦比亚号、挑战者号、发现号、亚特兰蒂斯号4架航天飞机的太空首秀。

本次任务是39A发射台的第95次发射。39A发射台执行过12次土星-5发射任务，以及82次航天飞机任务。本次发射也是自1973年NASA用土星-5火箭发射“天空实验室”任务后，首次进行不载人任务的发射，之间相隔了44年。

任务情况

北京时间2017年2月19日22：39，猎鹰-9火箭在肯尼迪航天中心2个靠前的发射台最南端发射升空，运送“龙”货运飞船入轨，向“国际空间站”运送关键补给物资。

（1）火箭

猎鹰-9系列火箭由太空探索技术公司研制，其与该公司旗舰产品“龙”飞船均由NASA“商业轨道运输服务”（COTS）计划部分资助，用于验证向“国际空间站”运送货物补给的能力。猎鹰-9v1.0火箭于2010年首飞，执行了3次“龙”飞船发射任务；2013年9月升级为猎鹰-9v1.1；2015年6月猎鹰-9发射事故后的半年中，太空探索技术公司对火箭进行了多项改进，并再次升级型号。猎鹰-9v1.1全推力型火箭保留了此前猎鹰-9火箭型号的整体设计，仍为两级入轨的中型液体燃料运载火箭，其第一级长43m，第二级作为一次性火箭级使用，两级均采用液氧/煤油推进剂。

（2）飞船

“龙”飞船是由太空探索技术公司研制并运营的商业轨道飞行器，有分别用于无人飞行和载人飞行的两种构型。货运型号“龙”飞船任务飞行方案多变并可作为重复使用航天器，装有防热罩和降落伞，任务结束后在洋面上溅落回收，是目前唯一能够运送物品返回地球的空间站货运飞船。

猎鹰-9系列火箭参数对比

“龙”飞船干质量4200kg，长6.1m，最大直径3.81m，运送载荷最大质量6000kg。“龙”飞船的最大特点是可重复使用，其所有结构和机构均设计为能够支持乘员运输，任务持续时间为1周～2年。飞船主要由三部分组成：①头锥，在上升阶段起保护作用，内装对接机构；②钝角圆锥体弹道舱，一部分用于搭载乘员和/或加压货物，另一部分是服务舱，装有电子设备、反作用控制系统、降落伞和其他支持设备；③非加压段，用于存储非加压货物，如轨道替换单元，并保障太阳电池翼和散热器的正常工作。

（3）首次对接故障相关情况

2月19日，猎鹰-9v1.1全推力型火箭成功搭载“龙”货运飞船升空。飞船状态良好，直到21日，飞船一直保持在其初始的204km×358km轨道，“天龙”（Draco）发动机点火进行圆化机动，随后另一组发动机点火，将该飞船定位在“国际空间站”的399km×408km轨道下方10km的轨道上。

按照标准对接程序，进行另一个高度调整/共椭圆机动，将“龙”飞船送入比空间站低2.5km的轨道上。北京时间14：15，飞船进入距离“国际空间站”28km的通信区，建立起空间站和飞船之间交换GPS数据的空对空数据链路。第三次高度调整/共椭圆机动使得“龙”飞船到达空间站下方1200m的位置，并向前移动至逼近初始点，从那里，飞船将直接逼近其捕获点。

相对定位系统通过比对追逐航天器和目标航天器的GPS数据，能够更精准地确定两者之间的几何形状。“龙”飞船上的相对定位系统用作主要交会导航源，负责处理由航天器本身采集的相对导航数据，并通过空间站的特高频（UHF）通信链路进行传输。当飞船距离空间站20km时开始启动相对定位系统，直到飞船移动至空间站正下方的位置后切换成邻近导航系统。

北京时间22日16：25，“龙”飞船GPS系统的滤波器出现故障，飞船自动中止了交会程序。太空探索技术公司的工程师在加利福尼亚州霍桑市立即开始诊断问题过程，初步怀疑是“龙”飞船的机载计算机提供了一个错误的“国际空间站”状态向量。

中止交会程序后，“龙”飞船仍停留在“国际空间站”下方1200m、后方4km处，飞船被动中止逼近操作，随后从空间站下方移至前方。按照常规程序，飞船导航将自动把再次对接时间设置为24h后，使用轨迹跟踪模式将移回到原位，以便尝试二次交会。

在离开空间站的安全区后，“龙”飞船进行一次机动，进入比空间站高的轨道处，以便空间站可以在其下方通过。如任务控制中心23日发出再次对接的指令，“龙”飞船将进行逆行制动机动，开始新的交会操作。

如果有必要，延时的自主飞行对于携带大量推进剂的“龙”飞船来说没有问题，但是“龙”飞船本次还搭载了一组小白鼠、干细胞样本和其他细胞培养物，需要尽快抵站。本次故障是“龙”货运飞船首次在交会对接阶段出现故障，是“龙”飞船的第二次故障。2015年6月28日，太空探索技术公司的猎鹰-9v1.1型运载火箭从美国卡纳维拉尔角空军基地点火升空，预备执行该公司“龙”飞船的第7次“商业补给服务”合同任务（Spx-7），爬升约2min，火箭爆炸解体，坠入大西洋。该事故原因是火箭第二级液氧贮箱出现超压。

（4）二次交会对接

首次对接延迟24h后，轨道数据显示“龙”货运飞船机动进入397km×421km的轨道，随后进入407km×415km的轨道，随后进行一次制动，进入395km×405km轨道，该位置可以重新进入常规逼近剖面。

“龙”飞船执行了一组高度调整/共椭圆机动，进入空间站轨道下方1300m处，飞船移至逼近初始点。在得到新的“国际空间站”的状态向量后，飞船处理相对导航数据，同时接收“国际空间站”的导航数据，与自己获得的导航数据相比对，计算出飞船和空间站的相对几何形状，得出正确的目标机动方向。

北京时间2月23日16：15，“天龙”（Draco）发动机进行第二次机动。在获取了空间站的径向向量后，“龙”飞船停止逼近，并做了180度偏航机动，以确定捕获位置。飞船移至距离空间站250m的保持点，切换到邻近导航系统，确认没有存在危险，休斯顿任务制控中心（MCC-H）和霍桑任务控制中心（MCC-X）给出了一个“GO”的指令。

“龙”飞船再次启动推进器，于北京时间18：00到达距离空间站30m的保持点，任务控制中心给出最终逼近无危险的信号，北京时间18：20飞船点燃助推器，并以很小的关闭速率移向捕获点，最终达到距离空间站对接舱段10m，距离加拿大机械臂-2约18m的范围内。在到达捕获点后，飞船的状态被验证，开启捕获程序。

机器人工作站的手动控制器开启，航天员Pesquet瞄准闭锁末端执行器和“龙”飞船的捕获钩子，然后进行捕获。北京时间18：44捕获成功。

俄罗斯“进步”（Progress）货运飞船和“龙”货运飞船各自搭载近2500kg的货物到“国际空间站”，“进步”飞船主要搭载食物、燃料和用品，而“龙”飞船主要运送科学及应用硬件，为空间站提供数十台实验设备。本次“龙”飞船主要将科学设备运送到空间站，接下来的6个月内，空间站上计划进行300项独立研究。“龙”飞船搭载的货物中科学硬件就有732kg，几乎占到加压货物总质量（1530kg）的1/2。其余包括空间站综合维护硬件，乘员补给，舱外活动所用设备、计算机，以及俄罗斯硬件。两个外部有效载荷，SAGE-3 和空间测试计划-H5（STP-H5）总质量960kg，将在“龙”飞船停留期间，由加拿大机械臂-2和Dextre机器人安装在空间站的桁架上。

2 有效载荷

作为唯一能通过降落伞辅助溅落将硬件返回地面的飞船，太空探索技术公司的“龙”货运飞船在“国际空间站”货运飞船中扮演着至关重要的角色，返回能力在“国际空间站”的科学任务中至关重要，因为数百个实验收集的样品需要被运回地球，以便用地面实验室设备进行分析。未来，太空探索技术公司还希望能够运送故障系统硬件返回地球，以便检查设备故障。

“龙”飞船本次携带了2490kg的内部和外部货物。搭载在航天器主体上有两个外部载荷：NASA的SAGE-3大气传感仪器，继续长期对大气中的臭氧层和悬浮的气溶胶进行记录，此外，飞船还搭载了NASA选出的13个空间测试计划-H5托盘货架实验。

“大乌鸦”技术模块

本次任务“龙”飞船搭载了NASA的一个关键设备“大乌鸦”（Raven）升空，该设备将被安装在“国际空间站”外部，测试太空自主交会能力所需要的基础技术，包括传感器、机器视觉算法、处理等。自主交会技术一旦成熟，航天器的对接将不需要任何人员参与或地面操控。“大乌鸦”任务正在推动这种相对导航技术的逐步成熟，具有突破性意义。

该新系统对NASA至关重要。具体来说，该系统希望创建一种特殊类型的服务卫星，可以修复或为老化的空间探测器补充燃料。通常，轨道上的卫星约有十年的有限寿命，因为随着时间的推移它们最终将耗尽操作所需的燃料。但是，维修卫星可能会使轨道上卫星的寿命延长。“大乌鸦”模块包含三个关键的传感器—可见光、红外和激光雷达测距传感器（LiDAR）。这些工具将被用来识别太空中的维修卫星，并测量它的距离及运动轨迹。未来的服务卫星随后可以使用“大乌鸦”系统来找出需要补充燃料的航天器。“大乌鸦”计划在“国际空间站”停留2年。该模块将通过跟踪航天器来查看NASA的导航算法。

SAGE-3大气传感仪

SAGE-3是在NASA地球观测计划下建立的第3个平流层气溶胶和气体实验，用于收集关于大气成分的长期数据。在“国际空间站”观测大气使SAGE-3在长期任务期间可以提供持续的、近地大气测量数据，为气候变化和大气化学研究提供关键测量数据。SAGE提供的关键数据包括对气溶胶从对流层上层通过平流层的垂直分布和臭氧从对流层到中流层的测量。SAGE测量的重要痕量气体包括水蒸气和二氧化氮，这2种气体在驱动地球能量循环的辐射和化学过程中起着主要作用。

空间测试计划-H5载荷

空间测试计划-H5专门用于释放小型的技术载荷和其他演示验证载荷，以进一步开发、评价和推进未来航天新技术。空间测试计划-H5托盘载有13个实验有效载荷，包括闪电成像望远镜、混合天基计算机、航天器结构健康监测仪、空间导航系统测试台、用于大气甲烷测量的分光仪和创新涂料实验装置等。

啮齿动物研究-4设备

本次“龙”飞船还搭载了一组老鼠至“国际空间站”，啮齿动物研究-4又称“组织再生-骨质缺损”研究，观察脊椎动物的组织和骨骼再生以及微重力环境如何影响过程。

蛋白质晶体生长-5实验

蛋白质晶体生长-5实验全称为“用于药物应用的结晶单克隆抗体的微重力生长实验，旨在在“国际空间站”的独特微重力环境中结晶单细胞抗体，使得最终能够产生超高品质的晶体。

微重力扩张干细胞

干细胞在再生医学领域具有重大意义。目前，没有干细胞扩增的有效方式，但是干细胞扩增过程可以在微重力环境中加速。微重力扩张干细胞实验将在空间站上培养人类干细胞用于临床试验，以评估其在治疗疾病中的效率。

实验将扩增3种不同类型的干细胞：间充质干细胞（MSC），造血干细胞（HSC）和白血病癌干细胞。如果实验确定微重力中的扩增加速，第二个问题将是“国际空间站”环境是否适合生产临床级干细胞。最终目标是建立一个太空生物反应器，用于生产有意义数量的临床级干细胞。

此次“龙”货运飞船搭载了一种超级病菌—耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）。它会引起病人非常频繁且难以治疗的感染，这种病菌正在迅速变得对大多数的抗生素具有耐药性。美国空间科学促进中心（CASIS）这次委托NASA把耐甲氧西林金黄色葡萄球菌送上空间站，就是认为，耐甲氧西林金黄色葡萄球菌会在太空环境下加速变异。本次任务旨在提前观察耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的未来形态，以便提前研发药物。

3 结语

2017年3月20日，太空探索技术公司发出消息称，“龙”货运飞船于3月19日携带2450kg载荷及重要试验样本成功溅落太平洋。成功着陆后，公司将对飞船进行全面检查和检修，此次返回地球的载荷会被悉数送往NASA，包括“组织再生-骨质缺损”和“微重力干细胞”研究样本等。

此次“龙”运货飞船的发射对于激发和振奋人类太空探索的热情将起到重大推动作用，意义非同一般。此次任务可以说是LC 39A发射台的“重生”，也标志着由政府主导的太空探索正在向政府与私营企业合作的方向积极转变。虽然本次任务一波三折，“龙”飞船还遭遇了首次对接故障，但这并不影响未来太空探索技术公司的发展和其与NASA之间的合作。

太空探索技术公司的“龙”飞船是按照多次复用而设计的，因此下次执行“国际空间站”货物补给任务时，将使用一艘回收自2014年补给任务的“龙”飞船，该飞船也将成为首艘重复使用的飞船。“双复用”任务或将于2018年进行。