2017年4月，美國國家航空航天局(NASA)總監(jiān)察辦公室審計(jì)辦公室發(fā)布了對(duì)NASA低地球軌道以遠(yuǎn)載人探索規(guī)劃的審查報(bào)告，評(píng)估了NASA未來2～5年內(nèi)“空間發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)/“獵戶座”(Orion)飛船首次組合飛行計(jì)劃和進(jìn)展。作為美國未來開展深空探索任務(wù)的“主力軍”，“獵戶座”飛船扮演著十分重要的角色。

　　一、“獵戶座”飛船項(xiàng)目概況

　　“獵戶座”項(xiàng)目從立項(xiàng)至今經(jīng)歷過很多波折。它原本是NASA“星座”(Constellation)計(jì)劃中的關(guān)鍵組成部分，本應(yīng)在2015年首飛。但到了2010年初，遭遇了資金短缺、進(jìn)度滯后、設(shè)計(jì)思路分歧等困難，后隨“星座”計(jì)劃終止而擱置。奧巴馬政府則重新重視起“獵戶座”方案。航天飛機(jī)高昂的維護(hù)成本和較高的風(fēng)險(xiǎn)性，使其最終在人們的關(guān)注中退役。此后，俄羅斯飛船成為唯一能向“國際空間站”運(yùn)送乘員的飛行器，因此俄羅斯也對(duì)美國施行了“坐地起價(jià)”，2016年美國航天員乘坐俄羅斯“聯(lián)盟”(Soyuz)飛船前往“國際空間站”的單個(gè)座位價(jià)格高達(dá)7000多萬美元。這種形勢(shì)促使美國痛下決心繼續(xù)研制自己的載人飛船，并大力發(fā)展商業(yè)航天，期望這種用于載人探索的空間飛行器能使美國重新具備獨(dú)立載人天地往返運(yùn)輸?shù)哪芰?，確保美國航天員在空間站上遇到意外時(shí)也無需求助于俄羅斯飛船逃生。如今，“獵戶座”更被寄予厚望，NASA希望其成為多用途載人飛船，不僅可用于與“國際空間站”對(duì)接，將來還可能被用于載人登陸月球乃至火星的計(jì)劃。

　　“獵戶座”由洛馬公司牽頭研制，團(tuán)隊(duì)包括主要分承包商航空噴氣-洛克達(dá)因公司、聯(lián)合技術(shù)宇航系統(tǒng)公司和霍尼韋爾公司，以及眾多次要分承包商和小企業(yè)。“獵戶座”具有多用途、可重復(fù)使用的特點(diǎn)，是美國未來低地球軌道以遠(yuǎn)載人探索的關(guān)鍵系統(tǒng)，最多可運(yùn)送6名乘員，到達(dá)月球、火星及其衛(wèi)星等多個(gè)目的地。

　　“獵戶座”雖然外形類似于“阿波羅”(Apollo)飛船，但其技術(shù)性能卻有大幅度提高，其分系統(tǒng)和元器件采用許多創(chuàng)新技術(shù)。“獵戶座”飛船由乘員艙、服務(wù)艙和發(fā)射緊急中止系統(tǒng)構(gòu)成。飛船具有獨(dú)特的生命保障、推進(jìn)、熱防護(hù)和電子系統(tǒng)，結(jié)合其他組成部分能實(shí)現(xiàn)更長時(shí)間的深空任務(wù)。由于計(jì)劃需要，相關(guān)設(shè)計(jì)允許每個(gè)乘員艙最多可執(zhí)行10次飛行，這意味著“獵戶座”可以形成載人和無人駕駛的飛船編隊(duì)。

　　圖1 “獵戶座”飛船關(guān)鍵組成部分(發(fā)射構(gòu)型)

　　二、相關(guān)進(jìn)展

　　“獵戶座”首次探索飛行試驗(yàn)于2014年12月4日進(jìn)行，這艘“獵戶座”不載人，由德爾他-4(Delta-4)重型火箭從美國卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。任務(wù)持續(xù)數(shù)小時(shí)，飛船乘員艙繞地球軌道飛行2圈，第2圈遠(yuǎn)地點(diǎn)升至約5800km，隨后以8900m/s的速度高能再入。任務(wù)設(shè)計(jì)本質(zhì)上近似于1967年用于驗(yàn)證“阿波羅”飛行控制系統(tǒng)和模擬月球任務(wù)返回再入時(shí)熱防護(hù)效果的阿波羅-4任務(wù)。

　　2017年是“獵戶座”研制工作進(jìn)程較為快速，取得較為顯著成就的一年。2017年7月13日，NASA對(duì)“獵戶座”設(shè)備進(jìn)行了重點(diǎn)測(cè)試，目的是飛船濺落過程中確保航天員的安全。這是首次在公開水域?qū)?ldquo;獵戶座”進(jìn)行一系列的系統(tǒng)評(píng)估，測(cè)試在美國海岸警衛(wèi)隊(duì)、海軍和空軍的協(xié)助下完成。NASA與美國國防部合作的“獵戶座”和地面系統(tǒng)開發(fā)及運(yùn)營項(xiàng)目，是用來評(píng)估飛船在海面濺落后，航天員經(jīng)歷一系列復(fù)雜場(chǎng)景后如何安全有效地恢復(fù)狀態(tài)。“獵戶座”于8月22日首次啟動(dòng)成功，其內(nèi)部搭載了管理計(jì)算機(jī)、電源系統(tǒng)、飛行軟件和數(shù)據(jù)單元進(jìn)行測(cè)試。“獵戶座”原計(jì)劃于2018年和2020年進(jìn)行兩次任務(wù)，首次“探索任務(wù)”(EM-1)設(shè)想發(fā)射無人“獵戶座”進(jìn)行3周繞月飛行;第二次任務(wù)(EM-2)設(shè)想搭載航天員進(jìn)行飛行。然而，由于技術(shù)、預(yù)算等多方面原因，該計(jì)劃很有可能被推遲。11月9日，NASA宣布將加快對(duì)“獵戶座”發(fā)射終止系統(tǒng)(LAS)進(jìn)行重點(diǎn)測(cè)試。“獵戶座”外形與“阿波羅”相近，將由NASA在研的重型運(yùn)載火箭“航天發(fā)射系統(tǒng)”(SLS)發(fā)射，其上的LAS能在發(fā)射過程中發(fā)生異常情況時(shí)供航天員逃生。對(duì)LAS的滿應(yīng)力測(cè)試將在2019年4月進(jìn)行，參試飛船將由宇宙神-5(Atlas-5)火箭發(fā)射，飛行到9750m高度，達(dá)到馬赫數(shù)1.3，在這一點(diǎn)上，LAS發(fā)動(dòng)機(jī)將點(diǎn)火并使飛船遠(yuǎn)離火箭。“獵戶座”計(jì)劃飛行試驗(yàn)管理經(jīng)理表示，這是飛船載人之前唯一一次全運(yùn)行的LAS測(cè)試。

　　三、“獵戶座”計(jì)劃執(zhí)行情況評(píng)估

　　在2014年底首次無人試飛成功的基礎(chǔ)上，“獵戶座”計(jì)劃又經(jīng)過了一系列嚴(yán)苛的技術(shù)和計(jì)劃評(píng)審。2015年3月，飛船LAS通過試驗(yàn);8月，飛船樣機(jī)降落傘系統(tǒng)通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了再入過程中降落傘僅部分展開情況下的執(zhí)行能力;9月，飛船通過關(guān)鍵決策點(diǎn)-C里程碑，NASA向“獵戶座”計(jì)劃承諾了113億美元的成本基線;10月，計(jì)劃通過關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。2016年7月，“獵戶座”的熱防護(hù)系統(tǒng)防熱瓦黏合工作啟動(dòng);“獵戶座”壓力艙的焊接工作完成。2017年6月，“獵戶座”又完成了降落傘測(cè)試、氣囊測(cè)試以及LAS測(cè)試。

　　1. “獵戶座”的總體研制工作仍存在巨大挑戰(zhàn)

　　綜合考慮一些意外因素，“獵戶座”執(zhí)行載人任務(wù)的發(fā)射時(shí)間有可能將進(jìn)一步推遲。盡管首次試飛成功，項(xiàng)目管理人員仍對(duì)接下來的項(xiàng)目推進(jìn)持保守態(tài)度。NASA透露，“獵戶座”的發(fā)射面臨很多變量，軟件的開發(fā)與硬件的重復(fù)測(cè)試都可能導(dǎo)致發(fā)射推遲。

　　NASA認(rèn)為“獵戶座”是順利執(zhí)行EM-1任務(wù)的最大障礙。2016年9月，NASA辦公室就曾分析過，“獵戶座”服務(wù)艙進(jìn)行了設(shè)計(jì)改動(dòng)，因此，交付給NASA的時(shí)間會(huì)比預(yù)計(jì)晚5～10個(gè)月。因?yàn)樾碌?ldquo;獵戶座”服務(wù)艙與2014年12月試飛過的服務(wù)艙完全不同，新艙的組裝、總裝和加工都可能會(huì)拖慢“獵戶座”與SLS的總裝進(jìn)度。NASA也在對(duì)“獵戶座”飛船系統(tǒng)進(jìn)行改動(dòng)，解決單一故障就會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果的問題。例如，如果推進(jìn)劑貯箱的其中任意一個(gè)閥門發(fā)生泄漏，所有的燃料最終都將泄漏到系統(tǒng)外。此外，NASA認(rèn)為“獵戶座”防熱罩在首次試飛之后產(chǎn)生了裂縫，并顯示出降低的材料強(qiáng)度，這也是目前“獵戶座”計(jì)劃最大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)之一。試飛之后，NASA對(duì)防熱罩進(jìn)行了設(shè)計(jì)改動(dòng)，以解決這些問題。

　　2. 關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及測(cè)試穩(wěn)步推進(jìn)，但仍有問題亟待解決

　　2017年，負(fù)責(zé)“獵戶座”項(xiàng)目的工程師對(duì)“獵戶座”的一些關(guān)鍵安全系統(tǒng)開始進(jìn)行一系列重要測(cè)試。這些測(cè)試分別在猶他州沙漠地區(qū)、亞利桑那州空中和休斯敦約翰遜航天中心的靜水中進(jìn)行，整個(gè)團(tuán)隊(duì)通力協(xié)作，以保證“獵戶座”從發(fā)射升空到返回地球、落入近海整個(gè)過程的安全性。

　　發(fā)射終止引擎測(cè)試：制造商軌道-ATK公司在猶他州普羅蒙特利的試驗(yàn)場(chǎng)對(duì)“獵戶座”的LAS終止引擎進(jìn)行了時(shí)長5s的點(diǎn)火測(cè)試。LAS是為航天員提供安全保障的諸多重要系統(tǒng)之一，因此要完成載人的飛行任務(wù)必須提升飛船安全性以滿足這些任務(wù)的需求。LAS位于“獵戶座”乘員艙之上，將在未來深空旅行中為航天員提供至關(guān)重要的安全保障。終止引擎的職責(zé)是在緊急情況下推動(dòng)乘員艙，使其與SLS分離。LAS裝配有3個(gè)終止引擎，在緊急情況發(fā)生時(shí)，其中1個(gè)引擎將開始工作，推動(dòng)乘員艙脫離火箭并與墜落的火箭保持安全距離，使乘員艙保持平穩(wěn)，進(jìn)而安全落入大西洋。盡管相關(guān)數(shù)據(jù)分析才剛剛開始，但此次測(cè)試已經(jīng)證明在緊急情況下終止引擎能夠在毫秒之間點(diǎn)火啟動(dòng)，并能在高溫條件下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　降落傘測(cè)試：“獵戶座”降落傘系統(tǒng)的職責(zé)是確保乘員艙安全降落。該系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)對(duì)飛船在發(fā)射平臺(tái)上進(jìn)行必要終止時(shí)降落傘的表現(xiàn)做出了評(píng)估。2017年6月14日，在亞利桑那州尤馬的美軍測(cè)試基地進(jìn)行的測(cè)試中，工程師從位于7620m的高空的波音C-17運(yùn)輸機(jī)上投下一個(gè)“獵戶座”仿制艙體，借此測(cè)試“獵戶座”僅展開3個(gè)橙白相間的主降落傘時(shí)整個(gè)降落傘系統(tǒng)的運(yùn)行效果。此次測(cè)試評(píng)估了降落傘在低空低動(dòng)壓環(huán)境下的性能。“獵戶座”降落傘目前正在接受共計(jì)8項(xiàng)的載人飛行質(zhì)量測(cè)試，這些測(cè)試模擬了各種正常情況與意外情況，將確保降落傘有能力幫助乘員艙和航天員安全降落。

　　氣囊測(cè)試：“獵戶座”團(tuán)隊(duì)還對(duì)升級(jí)版的乘員艙直立系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。該系統(tǒng)由艙體頂部5個(gè)安全氣囊組成，氣囊在乘員艙落入海中時(shí)會(huì)充氣膨脹。在海洋的大風(fēng)巨浪環(huán)境下，艙體降落時(shí)很容易頂部朝下或出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。直立氣囊的責(zé)任就是在這些情況發(fā)生時(shí)，幫助艙體進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，使其保持頂部朝上的正常狀態(tài)。在之前的EM-1測(cè)試過程中，氣囊未能完成正常充氣，之后工程師改進(jìn)了氣囊設(shè)計(jì)，便有了升級(jí)版的氣囊。本次在約翰遜航天中心的中性浮力實(shí)驗(yàn)室(NBL)共進(jìn)行了8項(xiàng)測(cè)試，評(píng)估氣囊在正常情況與意外情況下的充氣效果，以此驗(yàn)證計(jì)算機(jī)模型的準(zhǔn)確性。

　　針對(duì)載人的EM-2任務(wù)，NASA面臨的主要挑戰(zhàn)之一就是確保“獵戶座”座艙環(huán)控生保系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。NASA正在“國際空間站”上和地面實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試這個(gè)至關(guān)重要的生命保障系統(tǒng)組件，部分組件將在EM-1任務(wù)中試飛，完整系統(tǒng)的首次試飛將在EM-2任務(wù)中與“首次載人”一起進(jìn)行?？臻g安全顧問小組(有關(guān)安全問題對(duì)NASA和美國國會(huì)負(fù)責(zé)的咨詢委員會(huì))在2015年和2016年的年度報(bào)告中表達(dá)了對(duì)EM-2任務(wù)之前缺乏飛行試驗(yàn)的擔(dān)憂。作為回應(yīng)，NASA選定了最初24h飛船在大橢圓軌道上運(yùn)行的任務(wù)方案，以檢驗(yàn)環(huán)控生保系統(tǒng)和其他系統(tǒng)。

　　總之，“獵戶座”飛船研制節(jié)點(diǎn)雖然略有延遲，但整體還是按照計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)等工作，未來對(duì)生命保障系統(tǒng)組件的測(cè)試將尤為重要。

　　3. 計(jì)劃成本較高，經(jīng)費(fèi)成為影響研制工作順利開展的關(guān)鍵要素

　　NASA對(duì)SLS、“獵戶座”飛船和“地面系統(tǒng)運(yùn)行開發(fā)”(GSDO)計(jì)劃的組合投資到2018財(cái)年底將高達(dá)230億美元?；贜ASA當(dāng)前的生命周期成本估算，NASA官員認(rèn)為只要國會(huì)按期望水平資助“獵戶座”計(jì)劃且進(jìn)度無拖延、要求無改動(dòng)，EM-1和EM-2就會(huì)有充足資金。盡管“獵戶座”計(jì)劃成本很有可能會(huì)比NASA 2011財(cái)年估算的57億美元高出27億美元，即到2018財(cái)年的總期望成本高達(dá)84億美元。但據(jù)NASA官員稱，這一成本中很大一部分包括EM-2和后續(xù)任務(wù)的準(zhǔn)備工作，未包含在最初估算中。此外，目前“獵戶座”計(jì)劃到EM-2之前的預(yù)計(jì)撥款為123億美元，比“獵戶座”的基線承諾113億美元高出約10億美元。

　　根據(jù)NASA政策，要求各計(jì)劃制定生命周期成本和進(jìn)度安排預(yù)算，形成內(nèi)部管理協(xié)議和外部機(jī)構(gòu)基線承諾，確定一項(xiàng)計(jì)劃的總成本和完工日期。內(nèi)外部計(jì)劃承諾都要由主管副局長批準(zhǔn)，通過獨(dú)立審查，并由NASA首席財(cái)務(wù)官辦公室監(jiān)督。SLS、“獵戶座”和地面設(shè)施的內(nèi)外部計(jì)劃管理協(xié)議總結(jié)見表1。

　　表1 項(xiàng)目內(nèi)外部計(jì)劃管理協(xié)議

　　2017年2月，時(shí)任NASA局長指示載人探索與運(yùn)行任務(wù)部研究在EM-1任務(wù)中增加乘組的可行性。據(jù)本辦公室判斷，要實(shí)現(xiàn)EM-1載人飛行，NASA必須要應(yīng)對(duì)的不只是與載人飛行有關(guān)的額外風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)增加已規(guī)劃任務(wù)的現(xiàn)存風(fēng)險(xiǎn)。2017年5月，NASA正式宣布，在評(píng)估了成本、風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)因素后，決定EM-1任務(wù)仍采用不載人的任務(wù)方案。此舉規(guī)避了一些額外風(fēng)險(xiǎn)。

　　四、結(jié)論

　　1. 商業(yè)載人航天尚未“達(dá)標(biāo)”，美國加快啟用“獵戶座”飛船

　　目前，美國低地球軌道的商業(yè)載人航天還是起步期，NASA的航天飛機(jī)在2011年退役后，美國就一直依靠俄羅斯的“聯(lián)盟”載人飛船向“國際空間站”運(yùn)送航天員。NASA一直寄希望于商業(yè)航天公司擔(dān)負(fù)起在低地球軌道上運(yùn)送航天員的重任，自己專注于近地以遠(yuǎn)的深空探索。但就目前看，與NASA簽訂合同的波音公司和太空探索技術(shù)公司(SpaceX)還未達(dá)到NASA制定的標(biāo)準(zhǔn)。因此，NASA也必須加快正式啟用“獵戶座”。

　　NASA正在竭盡所能地動(dòng)用國家“優(yōu)勢(shì)”資源，來助推深空探索的發(fā)展。這一舉動(dòng)既能給美國人民帶來信心，也有利于發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)。美國希望借助SLS和“獵戶座”的任務(wù)，加上私營航天的輔助，繼續(xù)確保美國在全球空間探索的領(lǐng)先地位。

　　2. 技術(shù)可行性較高，經(jīng)費(fèi)及風(fēng)險(xiǎn)管控成為重要影響因素

　　理論上，單就技術(shù)可行性來說，“獵戶座”不僅繼承了“阿波羅”遺留的老技術(shù)，還對(duì)很多技術(shù)進(jìn)行了更新和升級(jí)。就現(xiàn)階段技術(shù)情況來說，“獵戶座”執(zhí)行EM-1任務(wù)是可行的。但因?yàn)?ldquo;獵戶座”未來要執(zhí)行載人飛行任務(wù)，因此對(duì)生命保障系統(tǒng)的要求極高，目前，“獵戶座”項(xiàng)目負(fù)責(zé)團(tuán)隊(duì)也在不斷地加速相關(guān)技術(shù)升級(jí)。

　　值得指出的是，經(jīng)費(fèi)方面的壓力和對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的把控目前成為“獵戶座”研制工作順利開展的兩大重要影響因素。未來，“獵戶座”如何平衡好迫切的任務(wù)需求和這兩大因素之間的矛盾有待持續(xù)觀察。

　　NASA正在致力于構(gòu)建靈活、可重復(fù)利用并可持續(xù)發(fā)展的載人航天核心能力與基礎(chǔ)設(shè)施，這些基礎(chǔ)設(shè)施將為一系列難度持續(xù)攀升的任務(wù)提供支持。以SLS與“獵戶座”的首次合體任務(wù)為起點(diǎn)，這一嶄新的深空探索系統(tǒng)將開啟人類深空探索的新篇章。