SpaceX 载人飞船首发成功:马斯克的理科式浪漫与载人航天的新起点

2020/5/31 9:03:02 来源:极客公园 作者:包校千 责编:孤城

北京时间 5 月 31 日 3 时 22 分,位于美国佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天中心 39A 发射场,矗立在发射塔架多日的 SpaceX 猎鹰九号运载火箭,终于不负万众瞩目,成功升空。

这次代号为「Demo-2」的任务,虽然在 27 日因为天气原因推迟到了今天,但好事多磨,当猎鹰 9 号火箭把载有两名宇航员的龙飞船,送入预定轨道时,SpaceX 毫无悬念地成为全球第一家有能力将航天员送往国际空间站的商业太空公司。

和 2018 年 2 月份,猎鹰重型火箭把特斯拉 Roadster 跑车和宇航员假人送入太空一样,每逢重大发射,马斯克式的浪漫主义情怀,都会得到淋漓尽致地展现。这一次的载人龙飞船发射,船舱内的零重力指示器就变成了一只紫色的小恐龙。

▲小恐龙玩偶替代了传统的零重力指示器,舱内大屏设计科技感十足|官方直播截图

从 2010 年 12 月 8 日第一代货运龙飞船试飞成功,再到今天发射的载人龙飞船,SpaceX 十年磨一剑,发射时的震撼场面,彷佛带我们重回两年前,猎鹰重型首发现场的热情澎湃,抑或是 50 多年前阿波罗 11 号发射时的慷慨激昂。

本次发射的载人龙飞船,作为载人航天的新起点,它让太空时代的前进步伐,不再依赖于科研和国家的主导力量。SpaceX 通过龙飞船,提高了标准化程度和可靠性的同时,大幅降低了登船成本,每个人的太空梦想都近在咫尺。

或许在不久的将来,花一二十万就能进入太空饱览宇宙万物,不再是一种奢望。至少,我们已经能通过今天的龙飞船,预知到这一天必将到来。

重新诠释科技感今天呈现在直播镜头面前的载人龙飞船,实际上没有完全按照马斯克式的创新去落地。2017 年,出于对飞船安全性的顾虑,NASA 取消了龙飞船反推着陆的设计。简化版的载人龙飞船,保留了原有的发射中止推进系统、真空推进器、再入飞行减速等功能,但它无法像猎鹰九号那样垂直起降了。降落方式被迫改为传统的伞降。

但这并不影响龙飞船在技术上的优势。

2018 年,SpaceX 公布了整套商业载人航天系统的设计方案,包括载人龙飞船、发射系统、回收系统、宇航员飞行装备等。相比于传统俄式飞船的三舱段构型,龙飞船的集成化和自动化程度很高,就连逃逸塔的功能也集成到了乘员舱。

▲发射后的第 12 分钟,二级火箭与龙飞船分离|官方直播截图

载人龙飞船高约 8.1 米,直径 4 米,最多能同时容纳 7 位宇航员,有 4 个舷窗,舱内的座椅是由最高等级的碳纤维和阿尔坎塔拉(Alcantara)织物面料制成,座椅前方的显示屏将向宇航员提供飞船位置和舱内环境等信息,并增加了窗户、触摸屏控制台、应急逃生系统、环境控制以及生命支持系统等人类需要的设施及系统。内部充满了科幻电影中的未来感。此外,飞船可由宇航员和地面控制中心控制,同时也能够全自动飞行。

为了与飞船内饰的科技感呼应,马斯克不仅派出了特斯拉 Model X 护送宇航员上船,还在 39A 发射台上安装了一条现代化设计的宇航员进出臂(Crew Access Arm),专门供 NASA 宇航员「登船」使用。

按照设计要求,载人龙飞船能很好地适应近地轨道空间站大规模载人航天任务的需求,在经过发射、入轨、对接、再入返回回收之后,经过简单的测试和维护,就可以快速投入下一次任务。按照设计指标,一艘载人龙飞船将重复使用 10 次左右。

据了解,载人龙飞船的推进器由 8 个 SuperDraco 发动机组成,安装在飞船的侧面,能产生约 1.5 万磅的推力,可以将飞船升到离地面 1500 米的高度。船舱还配备了 37 立方米的非加压货舱,可携带体积相对较大的舱外设备,运送至国际空间站。

虽然本次发射的载人龙飞船,只搭乘了两名宇航员,但和俄联盟号最多可容纳 3 人的满载能力相比,7 人座的龙飞船运载效率提升了约 133%。特别是在猎鹰九号的护送下,龙飞船将彻底让美国摆脱俄罗斯垄断,成为迄今性价比最优的载人航天器。

按照此前公布的数据,如果满载 7 个宇航员,SpaceX 的单人发射成本大约为 2000 万美元,而联盟号 2014 年的单人发射报价就已高达 7600 万美元。这不得不归功于猎鹰九号降本增效的技术创新,大幅降低了国际空间站的票价,提高国际空间站的科研产能。

彻底摆脱钳制早在 2005 年,一心驰往火星的马斯克就提出了建造载人太空飞船的构想,并坚持把垂直起降作为技术发展路线。龙飞船正是在这样宏大的愿景下,诞生的阶段性成果。

一代龙飞船首飞于 2010 年 12 月,第二次发射是在 2012 年的 5 月。这两次发射都属于试射。在性能和系统能力得到成功验证后,第一代龙飞船才开始为 NASA 执行国际空间站商业补给任务。

从 2012 年 10 月 8 日的 CRS-1,到 2020 年 3 月 7 日的 CRS-20,一代龙飞船共计为 NASA 执行了 20 次国际空间站商业补给任务,其中仅出现过一次失败(2015 年 6 月 28 日 CRS-7 任务)。

承接了 20 次国际空间站商业补给任务后,一代龙飞船完成了它的使命,即将谢幕。改进后的第二代龙飞船也迎来了正式交付前的终极测试。按照设计规划,它能够自主停靠在国际空间站的轨道前哨站,也可以完全依靠程序完成与国际空间站的自动对接。

▲龙飞船二代设计图和具体规格参数|Sapce.com

凭借猎鹰九号运载火箭的基础发射能力,SpaceX 深受 NASA 的青睐。为了促成龙飞船的研发,NASA 先后在 2008 年和 2011 年,给马斯克送出商业货运补给合同和商业载人航天开发合同。因此,根据业务属性不同,龙飞船的用途也分为货运和载人两个版本。

2019 年 3 月 2 日,载人龙飞船进行了首次无人飞行测试,任务代号 Demo-1。飞船内象征性地摆放了一个假人模型,用来记录真实航天员承受的各项数据。在抵达国际空间站并短暂停留后,载人龙飞船于 2019 年 3 月 8 日离开国际空间站回到地球,溅落至大西洋,测试取得圆满成功。

虽然发射成本是俄联盟号衍生版本「进取号」货运飞船的两倍,但载货能力也相应提高了两倍。相比于航天飞机,尽管龙飞船的载货能力只有前者的三分之一,但其发射成本约为航天飞机的十分之一。

过去 9 年,NASA 每年至少往国际空间站项目投入 15 亿美元。其中,他们为宇航员购买联盟号的船票就已经支付了超过 33 亿美元。NASA 的刚需和重度依赖,无疑给了俄罗斯坐地起价的底气。联盟号单张船票的价格以肉眼可见的速度飙升,从 2011 年的 3000 万美元,上涨到 2018 年的 8100 万美元。

而之所以受制于俄罗斯,是因为波音和洛克希德马丁合资成立的发射公司联合发射联盟(ULA),本可以通过德尔塔 IV 重型火箭让美国重新扬名立万,但单次发射任务要价高达 4 亿美元,最终双方合作难以为继。

面对这种内外交困的境地,NASA 也开始逐步调整自己的策略,培养新的参赛选手入场。

而一心筑梦火星的 SpaceX,凭借重复使用的猎鹰九号运载火箭的高性价比,获得了 NASA 的青睐。在白宫授意下,NASA 加大了对 SpaceX 的扶持力度,并与 SpaceX 签订了一份价值 16 亿美元的合同。随后,SpaceX 加快了商用太空飞行器——龙飞船的研制和落地。

龙飞船的一波三折2019 年 3 月,SpaceX 圆满完成了龙飞船的首次无人试飞,代号 Demo-1 的发射任务。在那次演练中,猎鹰 9 号的火箭一级大约在升空后的 10 分钟,成功着陆在大西洋上的无人船上。11 分钟后,载人龙飞船进入预定轨道,一天后与国际空间站自动对接,像极了这一次的发射全过程。

本以为宇航员搭乘本国商业飞船进出太空的愿望,近在咫尺。2019 年 4 月 20 日,突如其来的一场爆炸,让这个愿景近乎毁于一旦。龙飞船因在当天的例行静态试点火过程中,发生了爆炸,太空舱几乎完全被毁。爆炸产生的橙红色浓烟,在五公里开外的海滩上清晰可见。

事件发生后,SpaceX 立即成立了调查小组。2019 年 7 月,阿波罗登月 50 周年大庆前夜,SpaceX 公布了事故调查结果:由于氧化剂高速撞击钛阀门,导致钛与氧化剂相互作用,从而酿成了这场不幸。

尽管事后 SpaceX 给出了一套清晰的解决方案,即彻底换掉钛金属止回阀,采用一次性安全隔板替代,增加可靠性。但考虑到这次事故的影响,龙飞船的首次载人飞行一直被推迟到了今天。这一度让 SpaceX 与 NASA 双方高层出现「隔空暗战」的紧张局面。

直到 2019 年 10 月中旬,马斯克才与 NASA 局长握手言和,高调聚首 SpaceX 总部加州霍桑,共同表态:商业载人航天合作依然牢不可破。供需双方发展到现在,早已是利益共同体。吵归吵,但谁都离不开谁。

终于,SpaceX 在 2019 年 11 月 14 日,低调完成了载人龙飞船的静态点火测试,验证载人龙飞船推进器的安全可靠性。2020 年 1 月 19 日,编号为 C205.1 的载人版龙飞船,漂亮地完成了飞行中止测试,为即将到来的载人发射首秀做足准备。

不过,疫情并没有摧毁龙飞船飞抵太空的意志。对 SpaceX 来说,进行太空载人是马斯克成立 SpaceX 18 年以来的夙愿。这次载人发射,让 SpaceX 在太空竞赛 2.0 时代,又一次成为领跑者,改写全球载人航天的格局。

划时代的载人发射功勋卓绝的肯尼迪航天中心,曾发射过 13 次「土星五号」火箭。在美国航天飞机时代,又有 125 架次的航天飞机在这里起降。

执飞本次发射任务的,是两名经验丰富的宇航员道格·赫尔利和鲍勃·本肯。他们在发射当天的 9 时左右起床,然后接受体检、吃早餐、听取最后的指示,最后穿戴太空服。SpaceX 为他们安排的登船仪式很有趣,两人先是乘坐新一代「太空车」特斯拉 Model X 入场,然后从全新的「乘员登船臂」踏上龙飞船。

▲道格·赫尔利(前)和鲍勃·本肯(后)|SpaceX

值得一提的是,赫尔利和本肯在 2000 年 7 月都被选入 NASA 的宇航员部队,执行过多次飞行任务。曾经并肩作战过的「老战友」,如今在这个历史节点上重聚首。

再次走进熟悉的发射场时,两人都已为人父。贝肯在 5 月 12 日发布推文说,他必须在发射前得到年幼儿子的「批准」。上月底,他还在推特上分享了儿子画的龙飞船。

本肯曾在 2008 年和 2010 年先后乘坐奋进号航天飞机,执行了国际空间站 STS-123 和 STS-130 任务。两次飞行中,他作为任务专家,出舱进行了多次太空行走,并操纵了空间站的机械臂。

在 2012 年至 2015 年期间,本肯晋升为 NASA 的首席宇航员。担任宇航员期间,他有过六次太空行走的经历,累计超过 708 小时,在空间站外度过的时长超过了 37 小时。

而赫尔利在 2011 年,乘坐「亚特兰蒂斯号」执行了美国最后一次航天飞机任务 STS-135。他曾担任宇航员办公室安全主管。之后在 2014 年成为美国飞行运营局的商业机组人员计划的助理主任。执行 STS-127 任务时,他在太空呆了 15 天以上,而在 STS-135 期间,他在太空上逗留了 12 天。

本次 Demo-2 的试飞任务发射成功后,SpaceX 和 NASA 接下来将着手准备发射 Crew-1 任务。这是龙飞船的首个正式操作任务,它将运送 3 名 NASA 宇航员和 1 名日本宇航员前往国际空间站。据 NASA 局长 Jim Bridenstine 透露,NASA 目前锁定在美国时间 8 月 30 日发射 Crew-1 任务。因此 Demo-2 测试飞行必须在正式发射任务日期的前几周返回,以便对飞船进行检测。

当然,只是把载人龙飞船送上近地轨道并不是这次任务的终点。龙飞船将会在北京时间 5 月 31 日晚 10 点 29 分与国际空间站对接,完成任务后最终还要护送宇航员平安返回地球。

期间,两名宇航员会在国际空间站执行为期 30 到 120 天的太空任务,任务期限取决于 Demo-2 任务飞船性能、Crew-1 任务的发射准备以及返航的天气情况,他们可能会在空间站一直待到 8 月初。「如果有适合返航的窗口,并且两位宇航员在国际空间站的任务也结束了,他们就会搭乘龙飞船返航,」Jim 表示到。

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关键词:SpaceX卫星

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