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SpaceX 的龙(Dragon V2)载人太空船有何技术突破?

回答
“龙”系列飞船的革新之路:SpaceX V2 载人飞船的技术飞跃

SpaceX 的“龙”系列载人飞船,特别是其升级版——“龙V2”(Crew Dragon),代表着商业载人航天领域的一场深刻变革。这艘由 SpaceX 自主研发并制造的飞船,不仅成功将美国宇航员送往国际空间站,更重要的是,它带来了一系列足以载入航天史册的技术突破,彻底改变了我们对太空旅行的认知。

一、可重复使用性的革命:成本与效率的双重飞跃

“龙V2”最引人注目的技术突破,无疑在于其完全可重复使用的设计理念。过去,航天器,尤其是载人航天器,通常是“一次性”的,成本高昂,发射频率受到极大限制。SpaceX 瞄准了这一痛点,通过一系列创新实现了“龙V2”的可重复使用:

一级火箭的精确着陆回收: 这是“龙V2”能够实现高频次发射的基石。SpaceX 的猎鹰9号(Falcon 9)和后来的猎鹰重型(Falcon Heavy)火箭,都采用了强大的反推力着陆技术。在火箭发射升空后,第一级会分离,然后通过一系列复杂的姿态控制和引擎点火,精准地减速并垂直降落在陆地或海上的着陆平台上。这种回收技术大大降低了每次发射的成本,因为火箭本身就是航天器最昂贵的组成部分。
“龙V2”飞船的回收与复用: 飞船本身也具备完全可重复使用的能力。在完成太空任务后,“龙V2”会利用其SuperDraco引擎进行反推,减缓进入大气层后的速度,然后通过降落伞进行最后的减速,最终安全溅落到海面上。溅落后,SpaceX 的回收团队会迅速打捞飞船,进行检查、维护和必要的翻新,使其能够再次执行太空任务。这种“从地球到轨道,再到地球”的完整回收闭环,使得每次任务的准备时间和成本都大幅降低。

二、SuperDraco 发动机的强大心脏:推力与安全性的保证

“龙V2”飞船的核心动力来源是其配备的 SuperDraco 发动机。这不仅仅是数量上的增加,更是性能上的质的飞跃:

推力矢量控制: SuperDraco 发动机具备推力矢量控制能力,这意味着发动机喷口的输出方向可以进行精确调整。这种能力对于飞船在不同飞行阶段(如着陆、轨道机动)的姿态控制至关重要,也增加了飞船的操控灵活性和安全性。
强大的紧急逃生系统: SuperDraco 发动机最关键的应用,在于为“龙V2”提供了前所未有的主动式紧急逃生系统。在发射阶段,如果猎鹰9号火箭出现任何严重故障,“龙V2”飞船的8台 SuperDraco 发动机可以瞬间以强大的推力将载人舱从火箭上独立出来,实现“发射中止”(Launch Abort)。这种主动式的逃生机制,与过去依赖分离舱的被动式逃生系统相比,安全性有了质的提升,能够最大限度地保障宇航员的生命安全。
可靠性与耐久性: SpaceX 对 SuperDraco 发动机进行了大量的测试和优化,以确保其在太空环境下的可靠性和耐久性。发动机的燃烧室设计、燃料供应系统以及点火机制都经过了严格的验证。

三、内部设计的精进:舒适度与操控性的提升

为了更好地满足载人航天的需求,“龙V2”在内部设计上也进行了诸多优化:

宽敞舒适的乘员舱: 相较于早期版本的“龙”货运飞船,载人版本的“龙V2”拥有一个更宽敞、更符合人体工程学的乘员舱。内部座椅的设计考虑到了宇航员在长时间太空飞行中的舒适性,并且预留了足够的空间供宇航员活动。
先进的生命维持系统: 飞船配备了更加先进和可靠的生命维持系统,能够提供充足的氧气、过滤空气中的二氧化碳、调节温度和湿度,为宇航员创造一个宜居的太空环境。
触屏式航电系统: “龙V2”的驾驶舱采用了全触屏式的航电界面,大大简化了操作。宇航员可以通过直观的触摸屏来控制飞船的各个系统,例如导航、通讯、生命维持等。这种现代化的设计不仅提升了操控效率,也减少了物理按钮的数量,使驾驶舱更加简洁高效。
“超级 the Draco”推进器: 除了 SuperDraco,飞船还配备了数量更多、推力较小的 “the Draco”推进器。这些推进器主要用于在太空中的轨道机动、姿态调整以及与国际空间站对接等精细操作。它们数量众多,并且能够进行精密的推力控制,保证了飞船在太空中的平稳运行。

四、对接技术的突破:无缝连接国际空间站

“龙V2”飞船在与国际空间站(ISS)对接方面也带来了技术上的创新:

自主对接能力: “龙V2”具备完全自主的对接能力。在接近国际空间站时,飞船可以通过其搭载的传感器和导航系统,自动计算轨道并完成对接过程,无需地面控制中心或空间站宇航员的过多干预。这种自主对接能力不仅提高了对接的效率,也降低了人为操作失误的风险。
“Hermes”对接适配器: “龙V2”采用了一种新的对接适配器,称为“Hermes”。这个适配器设计更加紧凑和高效,能够实现飞船与国际空间站之间的无缝连接,并且保证了船员和货物在舱室之间的安全转移。

总结:

SpaceX 的“龙V2”载人飞船并非简单的技术升级,而是一场颠覆性的创新。它将可重复使用性提升到了新的高度,显著降低了太空探索的成本;SuperDraco 发动机提供的强大推力和主动式逃生系统,为载人航天安全设定了新的标杆;而精进的内部设计和自主对接技术,则让太空旅行变得更加舒适、高效和可靠。

“龙V2”的出现,不仅成功恢复了美国本土的载人航天发射能力,结束了美国长达十年的依赖俄罗斯“联盟号”飞船的历史,更重要的是,它为未来更频繁、更经济、更安全的商业载人航天以及更长远的太空探索(如火星任务)奠定了坚实的技术基础。这艘飞船,是人类迈向太空新时代的重要里程碑。

网友意见

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今天龙2飞船刚做了又一次逃逸系统发动机测试,可以说距离首飞越来越近,恰好看到这个新闻聊聊龙2飞船。

总体看来,如果能够顺利首飞成功,龙2飞船的确将成为目前世界上最成功的近地轨道载人飞行器。它的成功远不止技术方面,而是体现在整个大系统工程,这也体现了美国50年载人航天下放私营企业的一个大集成。

它的突破划重点简单说明一下吧:


1.强大的载人能力和友好的环境

龙2飞船可以搭载7名宇航员,这个运力与航天飞机打成平手,同为世界第一,比NASA花了200亿美元在研的新一代猎户座(Orion)飞船的2-6位还多。

而且内部环境很友好,看这个内部环境像不像电影里演的一样?

高度电子集成和显示,对宇航员非常友好,换句话说,某种程度降低了宇航员门槛。


2.内部空间大,两段式舱段

能装7人,自然不小,它的内部加压空间有10立方米,集中在一个舱段里。

不像神舟和联盟分成轨道舱和返回舱,每一个都很狭小逼仄,且轨道舱/返回舱/服务舱都是一次性。

两段式设计,是现在几乎所有新一代飞船的思路,中国新一代载人飞船也这样。


3.完全可回收

载人航天由于要考虑“人”的因素,所有的价格暴增,极其昂贵,而往往是一次性使用的。

历史上唯一可复用的是航天飞机,不过它更贵,平均下来一发15亿美元左右(2000亿/135次)。

龙2飞船可多次复用,且运送它的猎鹰9号Block 5型火箭也可以多次复用,这就很友好了。



4.毋需逃逸系统

传统的联盟/神舟/水星/双子座/阿波罗飞船都必须依靠逃逸塔实现发射前和发射后短期的逃离,一次性的,还要配合整流罩高空发动机等。

龙2飞船自带这个部分,它自身有8台SuperDraco强力发动机(铁铬镍材料由激光3D打印技术而来),使用四氧化二氮/联胺,可重复使用。


5.毋需整流罩

传统飞船冲出大气层时必须被完美保护,但整流罩可不是个便宜东西,SpaceX家运送卫星时用的整流罩两片在500-600万美元的样子。

因而才会出现SpaceX用Mr.Steven不断尝试回收整流罩的新闻。

不过龙2飞船并不需要整流罩,它自身可以提供良好的自我保护。


6.极低的价格

目前国际载人客运市场仅有俄罗斯的联盟飞船,票价是8000万美元。

一方面因为成本的确高,毕竟火箭+飞船都是一次性、才运送3个人。

另一方面也是航天飞机在2011年谢幕后,俄罗斯垄断乱收费。

而SpaceX的报价是1.5亿美元左右,考虑到全程没有整流罩和逃逸塔,飞船和火箭第一级可回收,基本只有飞船的推进舱和火箭第二级无法回收,剩下成本真心不高了。

每次即便是仅运送6人,也足够把国际空间站的一整个远征队全换了,成本才2500万美元一位。

极其便宜,搞不好SpaceX利润比俄罗斯现在的垄断利润还更高。。。

这个价格,也会让SpaceX的竞争对手、波音的CST-100 Starliner不好办,波音收了NASA近30亿美元 ,现在感觉地位是给SpaceX陪跑陪标了。


NASA给SpaceX输出的东西实在太多了,从技术人才到订单采购,全方位的。成熟的苦活累活儿下放给商业航天,自己专注高大上的科学研究、对地遥感和深空探测项目,不能比不能比。


(图片均来自NASA和SpaceX的public domain/CC0)


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