SpaceX載人飛船首發成功:馬斯克的理科式浪漫
2020年05月31日07:13

  來源:極客公園

  原標題:SpaceX載人飛船首發成功:馬斯克的理科式浪漫與載人航天的新起點

  航天事業因為SpaceX的綻放,變得更加偉大。

  北京時間5月31日3時22分,位於美國佛羅里達州卡納維拉爾角的甘迺迪航天中心39A發射場,矗立在發射塔架多日的SpaceX獵鷹九號運載火箭,終於不負萬眾矚目,成功升空。

  這次代號為「Demo-2」的任務,雖然在27日因為天氣原因推遲到了今天,但好事多磨,當獵鷹9號火箭把載有兩名宇航員的龍飛船,送入預定軌道時,SpaceX毫無懸念地成為全球第一家有能力將航天員送往國際空間站的商業太空公司。

  和2018年2月份,獵鷹重型火箭把TeslaRoadster跑車和宇航員假人送入太空一樣,每逢重大發射,馬斯克式的浪漫主義情懷,都會得到淋漓盡致地展現。這一次的載人龍飛船發射,船艙內的零重力指示器就變成了一隻紫色的小恐龍。

小恐龍玩偶替代了傳統的

  從2010年12月8日第一代貨運龍飛船試飛成功,再到今天發射的載人龍飛船,SpaceX十年磨一劍,發射時的震撼場面,彷佛帶我們重回兩年前,獵鷹重型首發現場的熱情澎湃,抑或是50多年前阿波羅11號發射時的慷慨激昂。

  本次發射的載人龍飛船,作為載人航天的新起點,它讓太空時代的前進步伐,不再依賴於科研和國家的主導力量。SpaceX通過龍飛船,提高了標準化程度和可靠性的同時,大幅降低了登船成本,每個人的太空夢想都近在咫尺。

  或許在不久的將來,花一二十萬就能進入太空飽覽宇宙萬物,不再是一種奢望。至少,我們已經能通過今天的龍飛船,預知到這一天必將到來。

  重新詮釋科技感

  今天呈現在直播鏡頭面前的載人龍飛船,實際上沒有完全按照馬斯克式的創新去落地。2017年,出於對飛船安全性的顧慮,NASA取消了龍飛船反推著陸的設計。簡化版的載人龍飛船,保留了原有的發射中止推進系統、真空推進器、再入飛行減速等功能,但它無法像獵鷹九號那樣垂直起降了。降落方式被迫改為傳統的傘降。

  但這並不影響龍飛船在技術上的優勢。

  2018年,SpaceX公佈了整套商業載人航天系統的設計方案,包括載人龍飛船、發射系統、回收系統、宇航員飛行裝備等。相比於傳統俄式飛船的三艙段構型,龍飛船的集成化和自動化程度很高,就連逃逸塔的功能也集成到了乘員艙。

  載人龍飛船高約8.1米,直徑4米,最多能同時容納7位宇航員,有4個舷窗,艙內的座椅是由最高等級的碳纖維和阿爾坎塔拉(Alcantara)織物面料製成,座椅前方的顯示屏將向宇航員提供飛船位置和艙內環境等信息,並增加了窗戶、觸摸屏控製台、應急逃生系統、環境控製以及生命支援系統等人類需要的設施及系統。內部充滿了科幻電影中的未來感。此外,飛船可由宇航員和地面控製中心控製,同時也能夠全自動飛行。

  為了與飛船內飾的科技感呼應,馬斯克不僅派出了TeslaModel X護送宇航員上船,還在39A發射台上安裝了一條現代化設計的宇航員進出臂(Crew Access Arm),專門供NASA宇航員「登船」使用。

  按照設計要求,載人龍飛船能很好地適應近地軌道空間站大規模載人航天任務的需求,在經過發射、入軌、對接、再入返回回收之後,經過簡單的測試和維護,就可以快速投入下一次任務。按照設計指標,一艘載人龍飛船將重複使用10次左右。

  據瞭解,載人龍飛船的推進器由8個SuperDraco發動機組成,安裝在飛船的側面,能產生約1.5萬磅的推力,可以將飛船升到離地面1500米的高度。船艙還配備了37立方米的非加壓貨艙,可攜帶體積相對較大的艙外設備,運送至國際空間站。

  雖然本次發射的載人龍飛船,只搭乘了兩名宇航員,但和俄聯盟號最多可容納3人的滿載能力相比,7人座的龍飛船運載效率提升了約133%。特別是在獵鷹九號的護送下,龍飛船將徹底讓美國擺脫俄羅斯壟斷,成為迄今性價比最優的載人航天器。

  按照此前公佈的數據,如果滿載7個宇航員,SpaceX的單人發射成本大約為2000萬美元,而聯盟號2014年的單人發射報價就已高達7600萬美元。這不得不歸功於獵鷹九號降本增效的技術創新,大幅降低了國際空間站的票價,提高國際空間站的科研產能。

  徹底擺脫箝制

  早在2005年,一心馳往火星的馬斯克就提出了建造載人太空飛船的構想,並堅持把垂直起降作為技術發展路線。龍飛船正是在這樣宏大的願景下,誕生的階段性成果。

  一代龍飛船首飛於2010年12月,第二次發射是在2012年的5月。這兩次發射都屬於試射。在性能和系統能力得到成功驗證後,第一代龍飛船才開始為NASA執行國際空間站商業補給任務。

  從2012年10月8日的CRS-1,到2020年3月7日的CRS-20,一代龍飛船共計為NASA執行了20次國際空間站商業補給任務,其中僅出現過一次失敗(2015年6月28日CRS-7任務)。

  承接了20次國際空間站商業補給任務後,一代龍飛船完成了它的使命,即將謝幕。改進後的第二代龍飛船也迎來了正式交付前的終極測試。按照設計規劃,它能夠自主停靠在國際空間站的軌道前哨站,也可以完全依靠程式完成與國際空間站的自動對接。

  憑藉獵鷹九號運載火箭的基礎發射能力,SpaceX深受NASA的青睞。為了促成龍飛船的研發,NASA先後在2008年和2011年,給馬斯克送出商業貨運補給合同和商業載人航天開發合同。因此,根據業務屬性不同,龍飛船的用途也分為貨運和載人兩個版本。

  2019年3月2日,載人龍飛船進行了首次無人飛行測試,任務代號Demo-1。飛船內象徵性地擺放了一個假人模型,用來記錄真實航天員承受的各項數據。在抵達國際空間站並短暫停留後,載人龍飛船於2019年3月8日離開國際空間站回到地球,濺落至大西洋,測試取得圓滿成功。

  雖然發射成本是俄聯盟號衍生版本「進取號」貨運飛船的兩倍,但載貨能力也相應提高了兩倍。相比於航天飛機,儘管龍飛船的載貨能力只有前者的三分之一,但其發射成本約為航天飛機的十分之一。

  過去 9 年,NASA年至少往國際空間站項目投入 15 億美元。其中,他們為宇航員購買聯盟號的船票就已經支付了超過3美元。NASA的剛需和重度依賴,無疑給了俄羅斯坐地起價的底氣。聯盟號單張船票的價格以肉眼可見的速度飆升,從 2011 年的 3000 萬美元,上漲到 2018 年的 8100 萬美元。

  而之所以受製於俄羅斯,是因為波音和洛克希德馬丁合資成立的發射公司聯合發射聯盟(ULA),本可以通過德爾塔 IV 重型火箭讓美國重新揚名立萬,但單次發射任務要價高達 4 億美元,最終雙方合作難以為繼。

  面對這種內外交困的境地,NASA 也開始逐步調整自己的策略,培養新的參賽選手入場。

  而一心築夢火星的 SpaceX,憑藉重複使用的獵鷹九號運載火箭的高性價比,獲得了 NASA 的青睞。在白宮授意下,NASA 加大了對 SpaceX 的扶持力度,並與 SpaceX 簽訂了一份價值 16 億美元的合同。隨後,SpaceX 加快了商用太空飛行器——龍飛船的研製和落地。

  龍飛船的一波三折

  2019年3月,SpaceX圓滿完成了龍飛船的首次無人試飛,代號Demo-1的發射任務。在那次演練中,獵鷹9號的火箭一級大約在升空後的10分鍾,成功著陸在大西洋上的無人船上。11分鍾後,載人龍飛船進入預定軌道,一天后與國際空間站自動對接,像極了這一次的發射全過程。

  本以為宇航員搭乘本國商業飛船進出太空的願望,近在咫尺。2019年4月20日,突如其來的一場爆炸,讓這個願景近乎毀於一旦。龍飛船因在當天的例行靜態試點火過程中,發生了爆炸,太空艙幾乎完全被毀。爆炸產生的橙紅色濃煙,在五公里開外的海灘上清晰可見。

  事件發生後,SpaceX立即成立了調查小組。2019年7月,阿波羅登月50週年大慶前夜,SpaceX公佈了事故調查結果:由於氧化劑高速撞擊鈦閥門,導致鈦與氧化劑相互作用,從而釀成了這場不幸。

  儘管事後SpaceX給出了一套清晰的解決方案,即徹底換掉鈦金屬止回閥,採用一次性安全隔板替代,增加可靠性。但考慮到這次事故的影響,龍飛船的首次載人飛行一直被推遲到了今天。這一度讓SpaceX與NASA雙方高層出現「隔空暗戰」的緊張局面。

  直到2019年10月中旬,馬斯克才與NASA局長握手言和,高調聚首SpaceX總部加州霍桑,共同表態:商業載人航天合作依然牢不可破。供需雙方發展到現在,早已是利益共同體。吵歸吵,但誰都離不開誰。

  終於,SpaceX在2019年11月14日,低調完成了載人龍飛船的靜態點火測試,驗證載人龍飛船推進器的安全可靠性。2020年1月19日,編號為C205.1的載人版龍飛船,漂亮地完成了飛行中止測試,為即將到來的載人發射首秀做足準備。

  不過,疫情並沒有摧毀龍飛船飛抵太空的意誌。對SpaceX 來說,進行太空載人是馬斯克成立 SpaceX 18 年以來的夙願。這次載人發射,讓SpaceX在太空競賽2.0時代,又一次成為領跑者,改寫全球載人航天的格局。

  劃時代的載人發射

  功勳卓絕的甘迺迪航天中心,曾發射過 13 次「土星五號」火箭。在美國航天飛機時代,又有125 架次的航天飛機在這裏起降。

  執飛本次發射任務的,是兩名經驗豐富的宇航員道格·赫爾利和鮑勃·本肯。他們在發射當天的9時左右起床,然後接受體檢、吃早餐、聽取最後的指示,最後穿戴太空服。SpaceX為他們安排的登船儀式很有趣,兩人先是乘坐新一代「太空車」TeslaModel X入場,然後從全新的「乘員登船臂」踏上龍飛船。

  值得一提的是,赫爾利和本肯在2000年7月都被選入NASA的宇航員部隊,執行過多次飛行任務。曾經並肩作戰過的「老戰友」,如今在這個歷史節點上重聚首。

  再次走進熟悉的發射場時,兩人都已為人父。貝肯在5月12日發佈推文說,他必須在發射前得到年幼兒子的「批準」。上月底,他還在推特上分享了兒子畫的龍飛船。

  本肯曾在2008年和2010年先後乘坐奮進號航天飛機,執行了國際空間站STS-123和STS-130任務。兩次飛行中,他作為任務專家,出艙進行了多次太空行走,並操縱了空間站的機械臂。

  在2012年至2015年期間,本肯晉陞為NASA的首席宇航員。擔任宇航員期間,他有過六次太空行走的經曆,累計超過708小時,在空間站外度過的時長超過了37小時。

  而赫爾利在2011年,乘坐「亞特蘭蒂斯號」執行了美國最後一次航天飛機任務STS-135。他曾擔任宇航員辦公室安全主管。之後在2014年成為美國飛行運營局的商業機組人員計劃的助理主任。執行STS-127任務時,他在太空呆了15天以上,而在STS-135期間,他在太空上逗留了12天。

  本次Demo-2的試飛任務發射成功後,SpaceX和NASA接下來將著手準備發射Crew-1任務。這是龍飛船的首個正式操作任務,它將運送3名NASA宇航員和1名日本宇航員前往國際空間站。據NASA局長JimBridenstine透露,NASA目前鎖定在美國時間8月30日發射Crew-1任務。因此Demo-2測試飛行必須在正式發射任務日期的前幾週返回,以便對飛船進行檢測。

  當然,只是把載人龍飛船送上近地軌道並不是這次任務的終點。龍飛船將會在北京時間5月31日晚10點29分與國際空間站對接,完成任務後最終還要護送宇航員平安返回地球。

  期間,兩名宇航員會在國際空間站執行為期30到120天的太空任務,任務期限取決於Demo-2任務飛船性能、Crew-1任務的發射準備以及返航的天氣情況,他們可能會在空間站一直待到8月初。「如果有適合返航的窗口,並且兩位宇航員在國際空間站的任務也結束了,他們就會搭乘龍飛船返航,」Jim表示到。

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