龍飛船首次載人升空 美國9年後如何重啟載人航天?
2020年05月31日09:21

  原標題:龍飛船首次載人升空 美國9年後如何重啟載人航天?

  新京報訊(記者 倪偉)時隔9年,美國航天員再次從本土起飛。

  北京時間5月31日3點22分(美國東部時間5月30日15點22分),佛羅里達甘迺迪航天中心,經過3天前的推遲,NASA(美國航空航天局)航天員羅伯特·貝肯和道格拉斯·赫利乘坐“載人龍”(Crew Dragon)飛船升空,前往國際空間站。

  這是一次全新的旅程,首次承擔載人任務的火箭與飛船,讓美國重獲載人航天能力。自從2011年航天飛機退役,美國失去載人工具,之後9年,航天員均借助俄羅斯聯盟號飛船去往國際空間站。

獵鷹九號火箭在佛羅里達甘迺迪航天中心成功發射“載人龍”飛船。圖/NASA
獵鷹九號火箭在佛羅里達甘迺迪航天中心成功發射“載人龍”飛船。圖/NASA

  9年過去,世界航天格局已經與往日不同。此次任務也預示著多重變化,最重要的是,私營航天企業終於跨入載人航天領域。首個完成這一創舉的企業,不出意外,仍是步伐最快的SpaceX。

  此次發射,也是美國接下來一系列雄心勃勃載人航天項目的先聲,包括提速至2024年的載人登月。

  兩個時代的更迭:從航天飛機到龍飛船

  道格拉斯·赫利,這位前美國海軍陸戰隊戰鬥機飛行員,既是上一個時代的送別者,也是新時代的啟幕人。

  2011年7月8日,赫利與另外3名同事共同乘坐亞特蘭蒂斯號航天飛機,前往國際空間站實施補給任務。這是航天飛機曆史上的最後一次飛行,30年里航天飛機飛行135次,既獲得過無數榮光,也留下了挑戰者號與哥倫比亞號失事的悲愴。

  自此以後,航天飛機全部退役,告別太空。

2011年7月8日,亞特蘭蒂斯號航天飛機執行航天飛機最後一次飛行任務。圖/NASA
2011年7月8日,亞特蘭蒂斯號航天飛機執行航天飛機最後一次飛行任務。圖/NASA

  如今,“老司機”赫利再次出山,參與美國重啟載人航天后的第一次飛行任務,一個人將兩個時代銜接了起來。在亞特蘭蒂斯號里,赫利的角色是指揮官,此次任務中他的角色是掌控與發射、著陸、回收有關的操作。

  任務中另一位航天員羅伯特·貝肯,也是經驗豐富的前航天飛機乘員,曾於2008年和2010年兩次執行太空任務。他在太空中停留了708個小時以上,並6次實施太空行走,共計超過37個小時。貝肯此次負責交會對接、解除對接以及飛船與空間站處於對接狀態期間的各項工作。

  一切順利的話,“載人龍”載著兩人飛行19個小時以後,將與空間站對接,兩人隨後進入空間站。此次任務中的“載人龍”可以與空間站合體運行110天左右,而NASA要求“載人龍”能在軌運行至少210天。

“載人龍”與國際空間站對接效果圖。圖/NASA
“載人龍”與國際空間站對接效果圖。圖/NASA

  兩名航天員何時返回還不能確定。從最初7天短暫試飛任務,升級為30至119天正式任務,目前看來從一個月到四個月都有可能,NASA至今沒有給出最後時限。

  “NASA也有點左右為難。”全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩說,一方面飛船受其半包圍體裝式太陽能電池板使用壽命限製,這種曲面電池板因受熱不均可能造成性能衰減,從而影響飛船停靠空間站的時間;另一方面,由於空間站目前只有一名美國航天員,而要完成的任務很多,所以NASA希望剛去的兩名航天員可以工作久一點,幫助完成一些複雜的出艙作業任務。

  任務結束後,飛船將搭載航天員自動脫離空間站,再入地球大氣層,在佛羅里達大西洋海岸附近濺落海中,被SpaceX的救援船打撈。

  這一切流程,都在去年3月的第一次驗證任務中預演過了。當時,“載人龍”完成無人往返國際空間站,成為首個自動與國際空間站對接的美國載人飛船。

2019年3月8日,“載人龍”完成無人試驗飛行後濺落佛羅里達州東海岸約200英里處海面,被救援船打撈。圖/NASA
2019年3月8日,“載人龍”完成無人試驗飛行後濺落佛羅里達州東海岸約200英里處海面,被救援船打撈。圖/NASA

  “載人龍”:新一代載人飛船的誕生

  此次任務是“載人龍”飛船第二次驗證任務,也是最後一項主要試驗任務。試驗成功後,“載人龍”將拿到NASA的“牌照”,未來執行運送航天員往返國際空間站的任務。

  利用迄今最安全、最先進的系統之一,SpaceX正率先幫助美國恢復載人航天能力。

  從外觀來看,與以往全球各類飛船相比,“載人龍”充滿科幻感,似乎是另一個世界的產物。

“載人龍”外觀,為乘員艙和非密封艙兩艙式設計,充滿科幻感。圖/SpaceX官網
“載人龍”外觀,為乘員艙和非密封艙兩艙式設計,充滿科幻感。圖/SpaceX官網

  龐之浩認為,“載人龍”的設計理念非常具有未來感,改變了以往載人飛船“重功能,輕設計,無美感”的通病。例如,“載人龍”比貨運龍飛船更苗條圓潤,設計有4扇舷窗,大幅擴展了航天員視野,航天員出入飛船的進出臂也更加現代和科幻。

  飛船內部設計也十分簡潔,龐之浩感覺“與特斯拉汽車內部設計很相似”。整個乘員艙看起來就像一輛豪華轎車,一共有7個真皮鬥式座椅,上層4個下層3個,採用碳纖維和阿爾坎塔拉織物材料。

  連航天員的航天服,也不再是以往臃腫的模樣。航天服以白色為主調,配搭黑灰色,苗條貼身,更像是一套賽車服。據悉,SpaceX創始人埃隆·馬斯克專門從荷李活請來服裝設計大師Jose Fernandez設計了航天服的外觀,後者曾為蝙蝠俠等超級英雄設計服裝。

執行此次任務的兩名航天員身著新型航天服。圖/NASA
執行此次任務的兩名航天員身著新型航天服。圖/NASA

  更具革命性的變化在於飛船使用了大量新技術和新材料。龐之浩介紹,“載人龍”是一艘完全自動駕駛的宇宙飛船,可以實現全程自動化飛控、全自動對接空間站、全自動應急處理各項預案等,也可以切換到人工操控,受到總部飛行控製中心監控。

  相比以往的載人航天器,“載人龍”的信息化水平大幅提高。其操控台由3塊可移動的大型液晶觸摸控製屏組成,是駕駛控製的關鍵,操作過程與使用iPad接近。航天服上的手套兼容觸摸屏,航天員戴著手套就可以操作。

  龐之浩認為,“載人龍”的最大特點當屬首創的新型發射逃逸系統。以往載人飛船都使用逃逸塔作為救援手段,而獵鷹9號發射“載人龍”過程中如果出現故障,飛船將利用自身8台“超級天龍座”發動機系統進行發射逃逸。

今年1月19日,“載人龍”飛船完成了發射中逃逸試驗,飛船裝配的“超級天龍座”發動機點火,將飛船推離火箭。圖/SpaceX官網
今年1月19日,“載人龍”飛船完成了發射中逃逸試驗,飛船裝配的“超級天龍座”發動機點火,將飛船推離火箭。圖/SpaceX官網

  這種集成式發射逃逸方案的好處在於,飛船具備全程逃逸能力。也就是說,如果採用傳統逃逸塔方案,飛船隻有在點火後短暫時間內才能彈射逃生,再升高就無法自救了。而“載人龍”發射期間如果遇險,發動機將立即啟動,將飛船推離火箭,抵達安全地帶降落,即在上升階段任何時刻都能逃逸。

  今年1月19日,“載人龍”飛船完成了發射中逃逸試驗,為“載人龍”首次真人秀做完了最後也是最關鍵的鋪墊。

  載人航天複蘇,NASA瞄準2024年登月

  航天飛機退役後,美國如何再次將航天員送入太空,一直是個尷尬的問題。

  9年里,美國只能依靠俄羅斯的聯盟號飛船,送航天員往返空間站。不過,俄羅斯的“船票”價格一路飛漲,單人艙位費已破紀錄地高達近9000萬美元,15年間幾乎飆升400%。

  NASA一份報告顯示,截至2019年7月,美國航天局為美國與夥伴國航天員往返國際空間站,累計購買了聯盟號飛船70個座位,總金額達39億美元。

  美國其實從未放棄重新研發自己的天地往返載人工具。在航天飛機退役前的2010年,NASA就投資了5000萬美元,激勵藍色起源、波音等數傢俬營航天企業加入商業載人航天計劃,開發載人運輸系統。2011年,SpaceX也加入進來,NASA向4家公司授予近2.7億美元經費支持。

  2014年,NASA最終選定波音與SpaceX,總共授予68億美元的訂單,用以研發載人航天運輸系統。兩家公司分別研製出了“星級航船(CST-100 Starliner)和“載人龍”飛船。

2014年,埃隆·馬斯克在SpaceX總部首次公佈第二代龍飛船即“載人龍”飛船的外觀。圖/NASA
2014年,埃隆·馬斯克在SpaceX總部首次公佈第二代龍飛船即“載人龍”飛船的外觀。圖/NASA

  本土企業研發的飛船,將大大降低NASA的成本。NASA在商業載人航天計劃啟動之初,就給私營航天企業提出了三個要求:安全、可靠和經濟。根據去年NASA發佈的一份商業載人計劃報告,按計劃,“載人龍”飛船單個艙位費只有5500萬美元,遠低於俄羅斯聯盟飛船目前9000萬美元的價格。

  節省下來的資金,NASA有著更重要的用途。

  從航天飛機時代的“國有”體製轉向飛船時代的“商業”模式,NASA有著自己的考量。NASA希望讓私營企業接過近地軌道載人航天運輸的任務, 自己可以騰出手來,集中精力為深空探測任務研發更具高難度的飛船和火箭。

  早在2004年,美國就提出了太空探索遠景計劃,計劃研發一種新型的飛船,足以將航天員送往地球軌道之外的地方。這艘飛船後來被命名為“獵戶座”,與之搭配的火箭是新一代重型火箭SLS(太空發射系統),這兩者是NASA未來載人深空探測的主力手段。

  NASA宣稱,商業載人航天計劃將是一個轉折點,為未來載人飛向月球、火星乃至更遠星球的探索奠定基礎。NASA已經宣佈,將在2024年讓航天員重返月球,其中包括一位女性,載人登月運用的組合就是“SLS+獵戶座”。

  不過,“獵戶座”和SLS研製進展緩慢、費用高昂,首次非載人合練已經推遲到2021年,NASA 投入的總費用逼近400億美元。

  SpaceX邁開載人航天第一步,火星計劃已經啟動

  SpaceX能夠成為NASA在商業載人航天領域的兩家合作企業之一,優勢非常明顯。自2012年以來,SpaceX的貨運龍飛船一直往返於國際空間站與地面,為空間站運輸貨物,迄今已經21次前往空間站。

2014年9月23日,空間站內的航天員舉起相機拍攝一艘接近空間站的貨運龍飛船。圖/NASA
2014年9月23日,空間站內的航天員舉起相機拍攝一艘接近空間站的貨運龍飛船。圖/NASA

  “載人龍”的研發也是建立在貨運龍飛船的基礎上。“載人龍”與貨運龍飛船都採用兩艙式設計,只是上半部分不同,分別為乘員艙和貨運艙。為實現龍飛船快速從貨運艙轉換成乘員艙,除了乘員逃逸系統、生命保障系統和船載控製系統等與載人有關的特設系統外,“載人龍”乘員艙和貨運龍飛船的貨艙在結構上幾乎是相同的。

  相比之下,波音的載人航天進展略顯遲滯。星際航船在2019年12月進行了首次無人測試飛行,當時出了故障,沒能與空間站成功對接。目前波音公司正計劃自費進行第二次無人駕駛試飛,希望奮起直追,在2021年之前向空間站發射載人的星際航船。

  龐之浩說,美國在近地軌道的商業載人航天計劃,採用官方發包、發射商承包的商業模式,將為NASA節省大約200億-300億美元。所以“載人龍”此次任務如果成功,不僅是美國重啟載人航天的關鍵一戰,也將開啟商業載人航天新時代。

  值得一提的是,馬斯克的野心並不比NASA小。“載人龍”僅是SpaceX載人航天計劃的一小步,SpaceX更宏大的星際飛船計劃(Starship)已經啟動研發,其中的火箭據稱近地軌道運載能力將超過100噸,而飛船將具備載人登陸火星的能力。

  對於號稱以移民火星為終極夢想的埃隆·馬斯克,星船計劃無疑才是更重要的任務。

  新京報記者 倪偉

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