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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

龙式飞船对接空间站的台前幕后  

2012-05-23 22:34:50|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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        5月22日下午15点44分,太空探索公司(SpaceX)使用Falcon9 火箭成功发射了Draon C2飞船,并于25日晚上20点56分被机械臂捕获,26日凌晨0点02分与国际空间站成功对接。这此任务是NASA向SpaceX授予的COTS合同的一部分,顺利完成预定的COTS2和COTS3任务后,SpaceX公司将收到总价值3.96亿美元的两份COTS合同中最后的1800万美元,这次成功也为正式执行货物补给服务(CRS)合同铺平道路。NASA TV上SpaceX公司首席执行官Elon Musk成功后的开怀大笑,其激动和开心无需多言。
SpaceX的一小步 - squirrel - 松鼠的空天随笔
26日凌晨对接成功后,Elon Musk(左)情不自禁的放声大笑
 
        龙式飞船的发射和对接国际空间站都已经圆满成功,但这次代号SpaceX COTS C2+的发射对接任务曾屡遭拖延,可谓好事多磨。按计划SpaceX公司将进行三次演示飞行任务,第一次验证轨道飞行和返回,第二次轨道飞行将飞近与空间站交会,第三次飞行将最终与国际空间站对接。龙式飞船首次发射并成功返回的第一次COTS演示飞行任务后(COTS Demo Flight1)后,SpaceX公司提议二、三次任务合并为一次飞行并获得NASA的许可,原定计划2011年11月30日发射,12月7日对接。由于2011年8月联盟火箭发射进步货运飞船时失败,俄罗斯航天局要对联盟火箭进行检查,随后发射载人联盟飞船的发射推迟,这导致届时国际空间站上人员不满员,龙式飞船发射也不得不延期。但这不过是拖延的开始,在原定的发射任务中,猎鹰九号火箭还将发射两颗轨道通信 (Orbcomm)数据中继卫星作为次级载荷,但分离后Orbcomm卫星与龙式飞船轨道十分接近,而龙式飞船轨道十分接近国际空间站运行轨道,Orbcomm卫星很可能撞上国际空间站,为此进行的分析和商议拖后了发射日期。2011年12月9日NASA正式发布消息,宣布将在2012年2月7日晚上8点28分(美国东部时间,相当北京时间8日早上9点28分)发射龙式飞船。2012年1月5日SpaceX公司和Orbcomm公司商议后放弃了搭载Orbcomm卫星,但不久后1月中旬发射任务又要至少推迟到2012年4月,这次延期的主要原因是对接系统软件需要进行进一步的测试。与竞争对手轨道科学公司购买日本HTV飞船的迫近传感器、通讯和对接软件不同,SpaceX公司自行研制设计这些系统,在短期内完成交会对接的软件开发,需要更多时间进行测试也属正常,可以说是自主创新不可避免的代价。不久后官方发布发射日期为5月1日,但由于软件测试问题再次延期为5月7日并最后确定为19日。
商业飞船首次对接空间站的细节 - squirrel - 松鼠的空天随笔
SpaceX公司从静态点火试验中搜集了大量测试数据
 
       测试飞船交会对接软件的同时,SpaceX公司还在4月30日进行了第一级的静态点火试验,搜集了大量的工作数据,验证了发动机和牵制释放系统的可靠性。一般的说,点火试验后的发动机不会用于实际发射,但SpaceX公司研制Merlin 1发动机时就考虑到重复使用的问题,因此检查后可以继续用于发射。5月19日正式发射时起飞前0.5秒系统监测到猎鹰九号火箭第一级的5号发动机燃烧室压力异常,火箭第一级9台发动机都紧急关机中止发射,这已经不是猎鹰九号的5号发动机第一次出现问题,不得不令人担忧。发射中止后的检查认定发动机燃料输送系统的单向阀(check value)出现故障导致的燃烧室压力偏高,SpaceX公司选择只更换5号发动机的单向阀,并决定在下一个发射窗口5月22日发射。这是一个相当大胆的决定,不过他们已经有直接剪掉裂纹的喷口段后继续发射的记录,做出这种选择并不奇怪。
商业飞船首次对接空间站的细节 - squirrel - 松鼠的空天随笔
龙式飞船对接国际空间站任务徽标,这次任务可以说饱经波折

       做出这样的决定,可能也与实际发射窗口不多有关。进行交会对接任务时,追踪飞行器/访问飞行器(VV)需要和目标飞行器轨道面共面,这就要求两者的轨道倾角和升交点赤经一致.作为目标飞行器的国际空间站轨道参数和卡角发射场的经度确定,限定了龙式飞船的发射时间。龙式飞船发射窗口每三天出现一次,虽然理论上说飞船入轨后可以机动转移轨道,但目前的交会对接设计中龙式飞船发射窗口只有1秒。三天一次是仅考虑轨道交会的情况,此外轨道太阳角(beta angle)、其他发射任务和其他飞船对接空间站的任务都会影响到龙式飞船的发射时机,因此实际发射机会并不多。
商业飞船首次对接空间站的细节 - squirrel - 松鼠的空天随笔
高轨道太阳角示意图,这种情况下飞船的电力供应、热控和对接传感器都将受到影响
 
       轨道太阳角是太阳方向与飞船轨道面的夹角,如果轨道太阳角过大,虽然国际空间站太阳能帆板可转向,电力供应不会受到多大影响,但飞船转动角度有限的太阳能帆板将无法提供足够的电力,更不要说进行飞船的交会对接了。如果5月下旬没能及时发射,6月3日到13日国际空间站轨道面的轨道太阳角过大,将无法发射龙式飞船执行对接任务。
       6月18日卡角发射场还有NROL-38的发射,6月28日卡纳维拉尔角又有NROL-15的发射任务,只给龙式飞船留下很少的发射机会。7月1日联盟TMA-03M脱离空间站返回,这样国际空间站上美国部分只剩下一个航天员,而预定的对接要求两名航天员,直到预定的17日联盟TMA-05M飞船对接成功,带去新一批3名航天员后,才能进行龙式飞船的对接,但是按计划7月21日日本HTV-3飞船发射并将于27日对接,对接前为了避免冲突龙式飞船不会发射对接。HTV飞船和龙式飞船都使用和谐号节点舱的天底(nadir)对接口,需要使用空间站机械臂(SSRMS)将HTV3飞船移动到天顶对接口,才能进行龙式飞船的对接,这个移动又可能需要数天时间。7月30日进步M-15M飞船分离,8月1日进步M-16M飞船发射随后进行对接,这样算下来7月份龙式飞船基本无法发射。8月3日到10日,轨道太阳角又一次增大到飞船无法正常飞行,预定8月23日发射的NASA的辐射带风暴探测器还将占据卡角的发射场,27日HTV-3将自空间站分离,此前要进行从天顶对接口到天底对接口的转换,这样一来龙式飞船的发射窗口期又要支离破碎,如果预定的任务有些拖延,将没有足够的时间进行对接。如上所述虽然理论上说3天一次发射窗口,但考虑其他因素后,整个夏天都没有几次发射机会,这是SpaceX公司冒着风险尽快进行发射的重要原因。
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龙式飞船预定的接近程序,实际飞行中增加了200米和150米两个停泊点,还遇到一些其他问题
 
       多磨之后的好事仍不顺利,22日的发射相当成功,原来COTS2任务的前半段验证也没问题,但首次对接试验中计划远远赶不上变化。原定计划中龙式飞船将接近到10公里距离内,然后2.5公里再到1.4公里,随后进入250米区域,再次30米距离,最后靠近到10米距离上由空间站的机械臂(SSRMS)捕获,机械臂捕获后拖动飞船连上和谐号节点舱天底方向的对接口。这一系列步骤中,从250米到10米的靠近与机械臂的捕获是最扣人心弦的环节。龙式飞船使用R-bar交会方式自空间站下方靠近,好处在于如果出现问题尤其是飞船失控,速度不同飞船可以自己飘远,但也带来需要更多燃料消耗的问题,尤其是近距离的停泊点上需要进行频繁的轨道维持。北京时间24日龙式飞船完成了空间站下飞行,进入到国际空间站下方2.5公里的区域,两者间还建立了双向数据链路,晚上18点57分航天员打开了频闪灯用于识别飞船,晚上9点33分频闪灯关闭,次日的交会对接中频闪灯将再次开启。
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空间站上的SpaceX研制的龙式飞船特高频通讯控制单元,交会对接过程中航天员多次按下HOLD和RETREAT按钮
 
        25日经过上午11点34分和下午15点17分两次轨控系统发动机点火,龙式飞船进行了高度调整,预计下午16点11分飞进1.4公里距离的停泊点,为最后的交会对接做准备。下午15点42分,龙式飞船已经在1.4~10公里的区域内;16点21分,龙式飞船进入到国际空间站后方350米处,16时44分空间站航天员报告龙式飞船在空间站下方1200米处;下午17点20分,龙式飞船做了一个180度偏航机动,29分时进入空间站下方250米处的停泊点,真正的考验即将开始。根据计划,龙式飞船将自动靠近到235米,随后空间站航天员发出撤回(RETREAT)命令,飞船返回250米距离,然后飞船将再次接近到235米,航天员发送停止(HOLD)指令,这个过程中龙式飞船的龙眼激光雷达(DragonEye LIDAR)将进行测试,LIDAR将为对接飞行提供至关重要的速度、方向和距离等数据。下午18点航天员Andre Kuipers发送了撤回指令,龙式飞船退回并在18点06回到250米距离处;18点18分再次开始靠近,不过航天员的停止指令发早了,于是飞船停在距离空间站237米处,好在这个距离上几米的差别不至于撞到空间站,或许是出了这个问题,还有激光雷达和热像仪需要更多时间分析的缘故,临时新增了200米和150米停泊点;19点03分飞船开始向200米停泊点靠近并于14分停在200米停泊点上,19点19分飞船开始进入国际空间站的200米安全区域,这个区域内飞行失控可能影响到空间站的安全,空间站航天员有权在这个区域内中止靠近对接的操作;收到空间站上发出的停止命令后,19点32分飞船停在150米停泊点。19点44分开始决定向30米停泊点移动,进一步靠近空间站,到19点58分预报对接时间为晚上21点10分;20点01分飞船停止移动,这是一个计划外的停止,SpaceX公司解释是为了调整激光雷达的模式。20点2分飞船已经接近到距离空间站78米,20点20分SpaceX公司完成LIDAR的调整,龙式飞船继续向30米停泊点前进;20点25分SpaceX公司突然发出一个撤回指令,此时飞船距离空间站不过59米,随后飞船撤回到距离空间站72米的距离上,SpaceX公司说LIDAR的数据需要进行进一步分析,这个突发情况将将捕获的时间从21点10分向后推迟一些时间;20点36分SpaceX公司称LIDAR的激光受到空间站上日本Kibo实验舱的干扰,因此飞船不得不撤回,等待拿出解决方案。SpaceX公司决定缩小激光雷达的扫描范围,以削弱干扰,这一过程可能需要5~10分钟,确定解决问题后飞船将继续向30米停泊点前进,飞船捕获时间因此推迟,论坛的爱好者们认为可能要推迟30分钟或是更久;21点06分NASA决定将在22点40分使用机械臂捕获飞船,额外过长的停留时间,龙式飞船将消耗宝贵的燃料做更多的轨道维持;21点14分飞船抵达30米停泊点,SpaceX公司的工程们正在评估LIDAR系统的数据。
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飞行中的龙式飞船,红色方框内姿控的天龙座发动机正在点火以维持轨道
 
       21点23分霍桑(Hawthorne)总部控制中心的SpaceX的工程们全票决定向10米停泊点前进,NASA休斯敦控制中心的人员在27分也做出了这样的决定,21点29分龙式飞船开始向10米停泊点前进;21点33分控制中心的人员称向10米停泊点的靠近需要耗时约20分钟,预计45分达到10米停泊点,捕获将在22点02分(夜间)或是更晚的22点28分(白天)进行,22点02分及其以前的捕获,将在夜间或者说阴影区进行,这给捕获带来了更大的难度;21点43分空间站和飞船进入阴影区,此时距离空间站只有15米。47分龙式飞船抵达10米停泊点,地面控制人员开始投票表决是否进行捕获,48分决定进行捕获,空间站上的航天员报告准备完毕;21点50分空间站上50英尺(17.68米)长的加拿大机械臂2开始靠近捕获龙式飞船,21点53分航天员Don Pettit操作机械臂慢慢靠近龙式飞船的捕获接口,21点56分机械臂成功捕获到飞船至此国际空间站迎来了第一艘商业飞船,这是SpaceX公司和它的龙式飞船取得的历史性成就!公司霍桑控制中心和门外的人群(主要是SpaceX公司员工)群起欢呼
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 21点56分机械臂终于捕获到龙式飞船,这是NASA TV的截图

       龙式飞船交会对接的过程可以说一波三折,值得一提的是25日最后接近的过程中,龙式飞船一部激光雷达关闭,不得不使用单激光雷达模式,如果这部激光雷达出错,任务只能自动中止了。看来在交会对接这种意外频频的高难度任务中,SpaceX公司运气相当不错。机械臂捕获成功后,接下来26日凌晨0点02分对接成功,下午17点53分正式打开舱门。

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5月26日航天员Andre Kuipers拍摄的龙式飞船内部照片。10立方米的加压空间,这次任务携带的物资又少,看起来很宽敞
 
       驳接和开舱是水到渠成的事情并无难度,期间出现一个小趣闻,打开舱门前为了避免数天飞行后龙式飞船内部产生有害气体危害航天员健康,两名航天员开飞船舱门前特意带上呼吸器。这个担心有些多余,根据航天员Don Pettit的说法,龙式飞船的内部气味像是在一部新汽车里。28日航天员开始向空间站搬运上行的货物,5月31日龙式飞船将脱离空间站返回地球,飞船将溅落在加利福尼亚外海的太平洋海域,为这次任务画上一个句号。
龙式飞船对接空间站的台前幕后 - squirrel - 松鼠的空天随笔
5月展出的载人版龙式飞船模型,侧面超级天龙座发动机的两个喷口十分醒目
 
       SpaceX COTS C2+任务的成功大大鼓舞了美国国内商业航天爱好者的士气,美国白宫官方网站也专门发文祝贺,美国国会中也可能因此对商业航天给予更多的支持,这对NASA 2013财年预算刚被砍掉2亿美元的商业航天项目来说绝对是雪中送炭。这次成功后,如果说以前还有人担心它的财务问题的话,那么以后很长时间内无人会考虑这个问题了。SpaceX公司9月将使用猎鹰九号火箭发射龙式货运飞船,执行16亿美元的CRS任务的第一次飞行,这次飞行将向国际空间站运送更多的物资,但目前尚未公开具体的货物运载细节。总计16亿美元的合同意味着SpaceX公司即使在商业卫星发射市场上遭遇失败,也有卷土重来的基础。借此东风SpaceX公司将在2013年上市从私人公司转型为上市公司。在技术上SpaceX公司也将继续前进,龙式飞船的载人版正在参与NASA的载人飞船开发项目,竞争未来的载人飞船合同。载人版龙式飞船将在现有飞船上增加8台超级天龙座发动机构成逃逸系统,超级天龙座发动机将与天龙座共用燃料,逃逸系统未来还将用于飞船的垂直降落,让飞船实现精确着陆能力,方便重复使用。这些构想并不遥远,范登堡基地的着陆场已经开始建设,3月16日超级天龙座发动机开始地面试车。SpaceX公司货运龙式飞船的成功和载人飞船不断取得进展,对比其他各家公司飞船的设计和现有进度,2015年后客运也将有SpaceX公司的一席之地,这将为SpaceX公司带来另一笔稳定的现金流。无论热炒的太空商业旅游是否能取得成功,SpaceX公司都将在历史上写下浓厚的一笔。至于更遥远的未来,设计中的Merlin2 发动机和Falcon X火箭,和月球旅游甚至火星旅游,就实在不是今天的我们所能推测的了。

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