剛剛,馬斯克改寫人類航天史!SpaceX實現全球首次商業載人發射
2020年05月31日03:39

  來源:DeepTech深科技

  作者:李賢煥 寇建超

  “GONASA,GOSpaceX!”馬斯克帶領下的SpaceX再度迎來高光時刻,正式開啟全球商業載人航天的全新時代,人類航天史正在被改寫!

圖|火箭點火升空!
圖|火箭點火升空!

  北京時間5月31日淩晨3:23,SpaceX最新的載人龍飛船在美國甘迺迪航天中心39A發射台成功發射,在全球觀眾的注視下,載著兩名宇航員還有一隻恐龍玩偶前往國際空間站。

  在今天任務進行前,此次發射已經因為天氣原因推遲了一次。在歷史性的載人發射任務面前,SpaceX和NASA都無比謹慎。而在今天的發射前數個小時,NASA官方依然表示僅有50%的概率能夠按時發射。

  點火升空約2分半後,一級火箭分離。9分半鍾後,一級火箭成功降落在海上平台,成功實現回收。到了第12分鍾,載人龍飛船按計劃與火箭二級分離,至此,歷史性的商業載人任務在發射階段一切順利。

圖|一級火箭成功回收
圖|一級火箭成功回收

  載人龍飛船在與二級火箭分離之後,就是一段依靠自身動力不斷調整軌道高度,在繞著地球飛的同時,不斷“追趕”國際空間站的過程。

  相對於很多衛星來說,國際空間站軌道高度不高,平均約為400公里,按照SpaceX的飛行計劃,龍飛船將在飛行約19個小時後與空間站相會。這是一個幾乎全自動的過程。也只有當飛船與空間站成功對接,以及在1-3個月後完好地返回地球,此次任務才能算是最終完成。

  向來自信滿滿、懟天懟地的馬斯克在發射前的採訪里說“如果成功了,那是NASA和SpaceX的功勞,如果失敗了,那就是我的問題。”“火箭發射可能有無數種失敗的方式,但成功的方式只有一種。”

  載人航天可以說是航天領域難度最高的任務。如今,SpaceX正式成為首個掌握載人飛船和發射能力的私營公司。要知道,在此之前,有能力進行載人發射的僅有蘇聯/俄羅斯、美國和中國,這其中無一例外都是以國家力量在推動。

  將人類送出地球,在商業航天史上取得這一成就的公司,唯SpaceX一家;能改寫這一歷史的人,唯馬斯克一人。

圖|鮑勃·本肯(左)和道格·赫爾利(右)(來源:SpaceX)
圖|鮑勃·本肯(左)和道格·赫爾利(右)(來源:SpaceX)

  執行此次飛行任務的是兩名資深宇航員鮑勃·本肯 (BobBehnken)、道格·赫爾利(DougHurley),兩人在過去都是開過航天飛機的人。在這個可以裝在7人的飛船里,顯得空間非常寬敞。

圖| 宇航員3號——小恐龍安全帶已綁好,飛行準備就緒!
圖| 宇航員3號——小恐龍安全帶已綁好,飛行準備就緒!

  跟著飛船上空間站的還不止兩個宇航員,在一旁的座位上,一個小小的恐龍玩偶也有幸參與到了飛行任務中,安靜地占有了一個宇航員的座位,乖乖地綁好了安全帶,把此次載人飛行妥妥地安排成“載龍飛行”。

  在任務圓滿成功的情況下,SpaceX載人龍飛船將在下一次飛行任務中將4個宇航員送上空間站。

  載人航天:馬斯克又引領了一個領域

  航天飛機時代落幕之後,美國已經近10年沒有載人發射能力。今天SpaceX的發射將美國重新帶回載人發射國家的行列。

  美國的宇航員終於可以不用坐著俄羅斯的飛船上下班了。

  在今天發射前,NASA放出了此前阿波羅任務、航天飛機的發射視頻,而SpaceX載人飛船出現在視頻結尾,意味著接過美國載人航天的大旗。

  2011年7月21日,亞特蘭蒂斯號航天飛機安全著陸,結束了30年美國航天飛機服役的歷史。此後,俄羅斯的聯盟號載人飛船成為了空間站的唯一“訪客”。但這一研製於1960年代的飛船,內部空間簡陋而狹小,載人數量和舒適度都很有限。

圖|亞特蘭蒂斯號降落,上演航天飛機絕唱(來源:NASA)
圖|亞特蘭蒂斯號降落,上演航天飛機絕唱(來源:NASA)

  目前,中美俄三國都在開發新一代的載人飛船,其中大空間、可重複是基本的追求。其中,中國的新一代載人飛船、SpaceX的載人龍飛船、波音的Starliner最多載人數量都提升到了7位。空間大了,內部設備也更加現代化了,連觸摸屏都用上了。

  此次發射也是全球範圍內,新一代載人飛船首次正式投入使用,對宇航員和太空遊客來說,可以更舒服地來往空間站了。

  除了超大的內部空間,龍飛船還有一項顛覆性設計,就是拋棄了主流的逃逸塔,而是讓飛船本身兼具自主逃生的功能。這樣設計有什麼道理呢?這背後,寄託著馬斯克的重要夢想:可重複,可重複,可重複。

圖|聯盟號內部空間
圖|聯盟號內部空間
圖|SpaceX載人龍飛船內部空間
圖|SpaceX載人龍飛船內部空間
圖| 通過觸屏完成多數操作,這才是屬於21世紀的設計
圖| 通過觸屏完成多數操作,這才是屬於21世紀的設計
圖|航天飛機內部圖,宇航員表示熟悉了航天飛機的操作之後,甚至有些不適應龍飛船內簡潔、現代的設計和控製方式
圖|航天飛機內部圖,宇航員表示熟悉了航天飛機的操作之後,甚至有些不適應龍飛船內簡潔、現代的設計和控製方式

  在過去載人發射任務中,各國的火箭均配備了逃逸塔,這個尖尖的逃逸塔就像一個小型火箭一樣,接在火箭的最頂端。

  在發射階段出現意外時,逃逸塔上部的發動機能迅速啟動,帶著宇航員逃離事故現場,並最終通過傘降的方式回到地面。如果飛船上升到一定高度後出現險情,飛船就可以利用自身的變軌發動機來撤離,因此,逃逸塔通常在發射約2分鍾左右被拋離,以減輕整體重量。

  實際上,在人類航天史上,逃逸塔被使用的次數屈指可數,只有一次真正發揮了作用。但在安全至上的訴求下,它又是載人航天任務的標配,於是,不得不在每次發射中都丟掉一個逃逸塔。

  與此同時,過去使用的載人飛船,包括上面的返回艙、軌道艙都是一次性的。於是,已經實現火箭重複使用的SpaceX,又打起了載人飛船的主意,如果實現其可重複使用,這將大幅降低載人發射的成本。

  要實現重複使用,載人龍飛船第一步就是捨棄逃逸塔,在飛船四周配備了8台SuperDraco發動機,實現了“自帶逃逸系統”,在逃逸時可以隨時啟動。

  其中每台SuperDraco發動機都可產生1萬5千磅的推力。8台SuperDraco同時點火產生的推力,可在1.2秒內將飛船從0加速至100英里/小時,最高速度可達到345英里/小時。

圖|飛行終止測試效果圖
圖|飛行終止測試效果圖

  與此同時,載人龍飛船配備了可更換隔熱罩。其他飛船在返程進入大氣層時,必須借助隔熱罩摩擦減速和燒蝕降溫,導致飛船無法重新使用;而載人龍飛船則重新設計了飛船隔熱罩,實現了模塊化更換,為飛船重複使用打下基礎。

  此外,為了降低成本,載人龍飛船還通過材料技術上的突破,讓飛船自己在大氣中飛行時具備足夠的保護能力,擺脫了對整流罩的依賴。

  不過,這種追求低成本的大膽設計,同樣會帶來可靠性問題。

  原因是逃逸發動機和推進劑貯箱就安裝在宇航員的加壓艙周圍,由於逃逸發動機貼近宇航員座位,發動機或是推進劑萬一出現異常,就可能直接把整個飛船給炸了。

圖|載人龍飛船
圖|載人龍飛船

  趨於保守的NASA對此方案並未完全信任,要求SpaceX以及同樣採用了類似方案的波音進行更加嚴格的測試。

  直到現在,雖然飛船已經展現出多次飛行的能力,但NASA仍然要求在執行載人任務時,飛船必須是嶄新的一手貨,但用過之後的二手飛船可以留著以後給空間站送貨。

  那個抽大麻的傢伙打敗了波音

  今日的成功,將馬斯克和SpaceX在航天領域的影響力推至高點;與此同時,這也講述了一段“乾兒子”打敗“親兒子”的勵誌傳奇。

  作為一傢俬營航天公司,SpaceX在2003年成立之後,就面對著巨頭環伺的險惡環境。在美國的航天任務中,包括波音、洛克希德·馬丁等幾個巨頭公司都是其中的主力選手,NASA總能在各種項目中砸下巨資,用補貼或者數十億大訂單把這些公司養好,保持頂尖技術實力。這讓他們被稱為NASA的“親兒子”。

圖|波音和SpaceX載人飛船效果圖(來源:NASA)
圖|波音和SpaceX載人飛船效果圖(來源:NASA)

  這些“親生”公司不只是航天任務的供應商,也代表了美國航天技術的上限水平,因此就算是燒錢,NASA也要一直養著。

  當然,NASA對SpaceX也不差,訂單不斷,甚至在SpaceX最危機的時刻,還出手挽救了馬斯克。但總體來講,SpaceX獲得的支援力度和幾個“親兒子”沒法比。

  時間窗口在2010年打開。

  在NASA的規劃中,除了需要重新發展本國的載人航天能力,未來包括空間站在內的近地空間需要逐漸向商業讓位。空間站和往返空間站的運載火箭由商業公司承接,NASA則專注在月球、火星等更遠的深空探索。

  為此,NASA在2010年啟動了“商業乘員開發”(CCDev)計劃,資助數家公司開發載人飛船,SpaceX入圍。一開始,SpaceX怎麼看都像是個陪跑者,而波音則是毫無疑問的種子選手。

  在這項計劃的前幾年中,業界看法空前一致,波音不會輸。而SpaceX則被不少人看作只是馬斯克的幼稚幻想,SpaceX的火箭也被批評為“橡皮筋+密封蠟的成品”,能不能飛起來都是個問題。NASA指望它能扛起載人航天的大旗?這太幼稚了。

  然而,“天真”的馬斯克和稚嫩的SpaceX就是在這樣的質疑和嘲笑下,開始了載人飛船的研製工作。

圖|NASA向波音撥款超過49億美元
圖|NASA向波音撥款超過49億美元

  慣例依然在起作用,波音每一次獲得NASA的補助和合同金額都遠大於SpaceX。從計劃開始到如今正式載人發射,NASA在這一計劃中撒下近84億美元,超過49億美元進了波音的口袋;相比之下,SpaceX獲得的資助金額要少得多,約31億美元。

  馬斯克也受了刺激,在推特上大呼:這太不公平了。波音做著和SpaceX一樣的事情,卻拿了更多的錢。

  如今到了交考卷時刻,兩家的差距還是相當大,不過,SpaceX已經變成領跑者。

  雖然兩家都有不同程度的延期,SpaceX在2019年3月就進行了載人飛船的無人首飛,奠定了此次正式載人任務的基礎。

  根據《華盛頓郵報》的一則報導,一位波音高管對SpaceX贏下這場太空競賽顯然不能接受,“這個抽大麻的傢伙怎麼能打敗我們?”(2018年9月,馬斯克曾在一檔電台節目上直播抽大麻。)

  相比之下,“親兒子”波音載人飛船的表現就讓NASA有點尷尬了,2019年底,波音經過數次推遲終於把新的載人飛船Starliner放到了發射架上,開始首次無人測試飛行。

  但這醞釀快十年的飛船,第一發居然就打“飛”了。運載火箭將飛船送上預定高度後船箭正常分離。但Starliner飛船在後續利用自身發動機點火的過程中出現意外,沒能進入預定軌道。

圖|波音和SpaceX載人飛船對比
圖|波音和SpaceX載人飛船對比

  進度慢就算了,波音還很貴。

  從一份美方報告可知:SpaceX載人龍飛船的報價為每個座位5500萬美元。那波音呢?船票每人9000萬美元,比SpaceX貴了60%以上。甚至,這比俄羅斯近年來每人8000多萬美元的報價還貴。

圖|聯盟號上座位的單價(來源:NASAOfficeofInspectorGeneral)
圖|聯盟號上座位的單價(來源:NASAOfficeofInspectorGeneral)

  原本商業航天應該是通過商業運營的方式,最終達到降低成本、價格的效果,而波音看起來做的很差。

  當初,NASA為了增加競爭的趣味性和象徵意義,宣佈第一個將宇航員送上國際空間站的公司,將會得到一份珍貴大禮——一面美國國旗。這可是最後一次航天飛機任務中留下來的,極具紀念價值。

  顯然,這面旗幟已是馬斯克的囊中之物。

  NASA經驗和矽谷思維的碰撞

  載人航天可以說是航天領域的“聖盃”。此前從來沒有一個商業航天公司具備載人飛行能力,直到馬斯克的出現。但要NASA放心地將宇航員交給私營公司,絕非易事。

  在大約15年前,NASA開始嚐試讓商業航天公司開發能夠往返國際空間站、執行運輸任務的飛船。

  時任NASA局長邁克·格里芬提出用5億美元作為種子資金,資助企業開發私人製造的航天器。那時還是航天飛機時代,平均每次發射的成本都超過5億美元。所以拿出這筆錢資助包括SpaceX在內的私營企業,這是NASA下的一個小賭注,也是一個起點。

  當時,NASA這種國字號機構很難真正相信商業航天公司。尤其SpaceX從2006年起,連續3年火箭發射全部以失敗告終。而馬斯克的形象,也不過是一個自大且易怒的企業家,這讓不少人心存疑慮。

  NASA是一個龐大的官僚機構,習慣於按照自己的方式行事,他們憑藉資金和航天經驗,可以告訴承包商應該如何做事。相比之下,SpaceX擁有更接近於矽谷的思維模式,較少受到歷史包袱和過時經驗的束縛。

  這其中有一個很鮮明的例子。多年前,NASA的傳奇飛控指揮官吉恩克·蘭茲(GeneKranz)把他的回憶錄定名為《失敗不是一個選項》(“FailureIsNotanOption”),以紀念從水星計劃到阿波羅計劃期間他在任務控製中心的日子。更重要的是,在“FailureIsNotanOption”這種思維方式指引下,他和團隊還成功地把阿波羅13號帶回了家。這種思維在航天界近乎信仰。

  然而,作為混跡矽谷多年的連續創業者,馬斯克卻對這種思維方式嗤之以鼻,早在2005年與NASA簽訂第一份合同之前,他就明確表達了自己對這種精神的蔑視:“這是一種愚蠢的想法,認為NASA不會選擇失敗。在我看來,失敗就是一種選擇,如果沒有失敗,就說明你的創新不夠。”

  隨著SpaceX和Tesla近年來發展迅猛,馬斯克的這句話也廣為流傳。

  好在SpaceX的成績單也足夠優秀,馬斯克才沒有成為笑柄。最關鍵的莫過於獵鷹9火箭的橫空出世,直接改變了航天遊戲的玩法。除了到目前依舊是全球唯一實現了重複使用的火箭,獵鷹9也是全球範圍內可靠性最好的火箭之一。加上今天的載人發射,獵鷹9這款火箭已經執行了85次飛行任務,只有兩次失敗,其中一次是在地面上發生爆炸。在最近3年多時間里,獵鷹9已經60次發射全部成功。

  不過,面對性命攸關的載人航天來說,“FailureIsNotanOption”的精神依然值得重新回味,畢竟NASA的主要目標是讓它的宇航員安全地進出國際空間站。

  實際上,隨著NASA和SpaceX在商業載人方面的合作,雙方的文化碰撞並融合在一起。

  在雙方磨合的過程中,NASA能夠為SpaceX做的事情之一,就是把它的一些操作經驗,以及對安全的重視帶到開發商業載人飛船的過程中。而SpaceX對此也頗為接受。

圖|獵鷹9火箭印上經典NASA標誌
圖|獵鷹9火箭印上經典NASA標誌

  “他們的督促讓我們可以腳踏實地,”SpaceX製造和飛行可靠性副總裁漢斯·科尼格斯曼(HansKoenigsmann)說到,“我們有時會發生有關設計製造方面的衝突,然而,最終的結果還是將安全作為了首要考慮的事情。”

  執行此次飛行任務的兩名宇航員道格·赫爾利和鮑勃·貝肯,此前甚至會每週都代表NASA前往SpaceX的總部探討進度。在赫爾利看來,雙方當然有文化的差異和成長的煩惱,但令人驚訝的是,從某種意義上來說,這兩個組織可能並沒有做出改變,而是相互適應,各個子系統的總體都做的非常成功。

  在這一來一往之間,我們也似乎從SpaceX的身上看到了曾經NASA的影子。“在某些方面,SpaceX可能會更類似於NASA在20世紀60年代的做法,當時我們正準備登月,”赫爾利說,“當時的NASA要年輕得多,員工大多在20多歲。而現在SpaceX的員工平均年齡是29歲,他們就像20世紀60年代的NASA一樣,面對太空正摩拳擦掌、躍躍欲試。”

  終於,年輕的SpaceX再一次翻開了人類航天歷史的新篇章。

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