SpaceX创造历史!龙飞船首次载人成功!重要意义可从这三个层面解读

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2020-06-02 18:59

[摘要]这是美国自2011年航天飞机退役以来,首次在本土发射宇航员。同时,本次发射揭开了世界商业载人航天的帷幕,开启了全新的太空时代。

腾讯科技 文/乔辉

北京时间5月31日凌晨3点22分,美国太空探索技术公司(SpaceX)首次利用载人龙飞船把两位宇航员送入地球轨道,目前正在追逐国际空间站,预计19个小时后,尝试与国际空间站对接。

火箭升空画面

原计划,北京时间5月28日凌晨4点33分发射,但由于天气原因,推迟至31日发射。

本次发射依然采用稳定的“猎鹰9”(Block5)运载火箭,发射地点位于美国佛罗里达州肯尼迪航天中心,发射台是最为著名的LC-39A,该发射台曾经见证了阿波罗登月飞船和航天飞机的历次重大发射,后来被SpaceX租下来,用于发射火箭。

下面我们先来看看本次发射意味着什么,然后再详细聊聊具体细节。(以下文章共分八个部分)

一、本次发射的意义是什么?

本次发射是NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”(Commercial Crew Program)的组成部分。意义至少可以从三个层面来理解:

第一个层面,对于SpaceX公司来讲,重要性毋庸置疑,本次发射是该公司的首次载人发射,成功就意味着拿到了商业载人航天的入场券,未来前景无可限量;

第二个层面,对于美国和NASA来讲,意味着自从2011年航天飞机退役以来,再次恢复载人航天能力(后面我们详述);

第三个层面,对于整个世界商业航天来讲,意味着揭开了商业载人航天的帷幕,商业航天走进新时代。

SpaceX公司和特斯拉公司创始人埃隆·马斯克(Elon Musk)

二、两位宇航员来自何方?

参加本次试飞的两位宇航员是:道格拉斯G赫尔利(Douglas G. Hurley)和罗伯特L贝恩肯(Robert L. Behnken),分别出生于1966年和1970年。

图注:宇航员贝恩肯和赫尔利(右)

他们都是曾经三次进入过太空,而且还都是执行过航天飞机任务的老手。其中,赫尔利在太空中有超过683个小时的经验,还执行过2011年7月最后一次航天飞机任务(代号:STS-135)。贝恩肯作为航天飞机任务专家,曾先后执行2008年的(STS-123)和2010年的(STS-130)任务,累计在太空飞行时间超过708小时,其中包括37小时的太空行走时间。

对于载人航天来讲,整体上看两大件:承载宇航员的飞船和运送飞船的火箭。俗话说,“花开两朵,各表一枝”,我们先主要聊一聊载人龙飞船,然后再略谈一下猎鹰9火箭。

三、SpaceX载人龙飞船的结构特点

进龙飞船)

载人龙飞船属于SpaceX研制的第二代龙飞船(Dragon 2),具备可重复使用的能力。第二代龙飞船可分为载人龙飞船和货运龙飞船两种,其前身是第一代货运龙飞船(Dragon 1)。新飞船可以自动与空间站完成对接,而不像第一代飞船那样,需要借助空间站上的机械臂的帮助。当然,载人龙飞船也保留了人工对接的选项。

图注:地面上的载人龙飞船

本次使用的载人龙飞船,直径4米,高8.1米,最多可搭载7位宇航员,这与航天飞机搭载的宇航员数量相同,也与我国5月5日测试的“新一代载人飞船”设计上能够搭载的宇航员数量相同。

载人龙飞船的最顶端是一个能够打开的头锥盖子,在发射和返回的过程中,保护飞船和对接机构。当飞船与空间站对接的时候,头锥盖子会打开,露出对接机构,当飞船脱离空间站的时候,盖子关闭,准备返回地面。

飞船主体由两大部分组成,一个是加压的返回舱,另一个是在返回舱下面的服务舱(这里要说明的是,SpaceX使用Trunk一词,而不是Service module,但从作用上看类似于服务舱,目前尚无统一的翻译)。服务舱是非加压的,可以搭载对气压不敏感的货物。

另外,服务舱外侧粘贴有太阳能电池,就像穿了个太阳能板的裙子一样,这摆脱了传统的太阳能展开翼的造型。服务舱外侧还有翼状结构,能够为飞船在逃逸过程中提供气动稳定性。

四、载人龙飞船具备全程逃逸能力

载人龙飞船集成有8个推力强大的“超级天龙座”火箭,火箭两两分组,安装在飞船的侧壁,作为逃生使用,每个发动机的推力可达71千牛,换算成大家有直观感觉的表示方式就是相当于7.1吨的推力。此外,还装有16个推力相对较小的“天龙座”发动机喷口,用于姿态控制和轨道机动。

图注:载人龙飞船“飞行中止测试”试验(艺术图)

熟悉载人航天的朋友,可能会留意到,无论是阿波罗登月火箭,还是我国的长征2F载人运载火箭,在火箭顶部都有个逃逸塔。

图注:阿波罗飞船的“逃逸塔”

逃逸塔的作用就是在火箭发射起始阶段,如果发生意外,可以启动逃逸塔火箭,把飞船带离到安全的高度,然后着陆。如果发射一切顺利,等火箭飞到一定的高度,逃逸塔会分离,然后丢弃。而载人版龙飞船相当于把逃逸塔集成在船身上,这样做有什么好处呢?

如果要对比逃逸塔和这种新型的逃逸方式的区别,那可能需要一篇文章来系统介绍,这里我们只把最关键的地方说一下:这种方式能够使飞船具备“全程逃逸”的能力!也就是说,在飞船飞行的任何阶段出问题,都具备逃生能力,而逃逸塔只能保证火箭发射初始阶段的逃生。这也是未来载人飞船逃逸的新方式。

图注:2020年1月19日,SpaceX成功进行了“飞行中止测试”试验

2020年1月19日,SpaceX成功进行了“飞行中止测试”试验。当猎鹰9火箭升空84秒左右,飞行高度19公里,速度大约2.3马赫时,火箭顶部的飞船启动自身的8台逃逸发动机,把飞船推离火箭。随后,火箭在强大的气动压力下发生解体爆炸,坠入大西洋中。

到目前为止,SpaceX共制造了四艘龙飞船,第一艘用于悬浮测试,目前已退役;第二艘用于2019年首次载人版飞船的无人测试发射(Demo-1),但在后来的地面测试中发生爆炸毁掉;第三艘用于2020年1月份的“飞行中止测试”当中,目前已退役;第四艘就是本次发射的主角儿。

五、成功率100%的猎鹰9(Block 5)火箭

我们知道,SpaceX以可回收火箭名扬天下,但这次使用的是全新的猎鹰9(Block 5)火箭,毕竟是首次载人发射,使用二手火箭风险还是相对较高。一级的代号为B1058.1,小数点后面的数字代表使用次数,1表示第一次使用。本次发射,一级火箭将回收,降落在海洋中的浮动平台上。

值得一提的是,截止到本次发射之前,猎鹰9(Block5)已经发射了28次,全部获得成功。

猎鹰9(Block 5)是两级运载火箭,高度70米,以液氧和煤油为推进剂,芯一级火箭装配有9台梅林发动机,总推力7600千牛,相当于760吨。在回收一级的情况下,近地轨道的运载能力为15.6吨,不回收一级的情况下,近地轨道运载能力为22.8吨,算是一款中型运载火箭。

通过上面的分析,我们可以看出,SpaceX和NASA之所以敢于本次载人发射,是因为拥有100%发射成功记录的猎鹰9(Block5)火箭,拥有具有全程逃逸能力的载人龙飞船以及两位经验丰富的宇航员等。

六、载人龙飞船在太空停留多久?如何返回?

图注:这是2019年首次载人版飞船的无人测试,成功返回时的情景

载人龙飞船与国际空间站对接后,宇航员通过对接通道进入空间站,在那里执行预定的科学任务。具体返回日期,目前官方并没有明确的说法,只是说不会晚于9月23日。载人龙飞船返回时,首先丢掉服务舱,然后借助盾形的防热罩减速,到达一定高度后,再展开降落伞完成最终刹车,最后溅落在大西洋海域。

七、为什么美国急切恢复载人航天能力?

众所周知,美国在1969年就完成了人类首次登月,代表人类踏上了另一颗星球。阿波罗期间,总共完成7次载人登月发射,其中6次成功把12名宇航员送到月球。唯一的阿波罗13号虽然没有成功,但3名宇航员毫发无损返回地球。

图注:1986年挑战者号航天飞机升空后爆炸

图注:2003年哥伦比亚号航天飞机空中解体(艺术图)

1981年,美国又成功发射了第一架航天飞机“哥伦比亚”号,一次就能把7名宇航员送上近地轨道。美国总共建造了5架航天飞机,强大的运输能力为建设国际空间站立下了汗马功劳!

但遗憾的是,挑战者号航天飞机和哥伦比亚号航天飞机分别在发射和返回时发生了事故,导致总共14名宇航员罹难。5架航天飞机失去了2架,真是非常惨。其中的故事想必大家都已非常了解,特别是1986年挑战者号航天飞机爆炸的事件早已经编入了教科书,这里就不多赘述了。

图注:阿特兰蒂斯号航天飞机的返回标志着航天飞机时代的谢幕

2011年7月21日,随着阿特兰蒂斯号航天飞机在肯尼迪航天中心的降落,整个航天飞机全部停飞,从此,强大的美国失去了载人航天的能力。

今后飞国际空间站咋办呢?这时,昔日的宿敌俄罗斯伸出了橄榄枝,俄罗斯有成熟可靠的载人“联盟”飞船。当然,这可不是免费的午餐。

图注:俄罗斯的联盟号飞船发射

据说,刚开始的费用是每位宇航员2000多万美元,最近NASA购买的2020年秋天发射的一个座位,价格已经暴涨到了9000多万美元。据统计,自从航天飞机停飞以来,NASA已向俄罗斯累计支付超过35亿美元。

因此,NASA非常希望包括SpaceX在内的国内私营企业能够挑起大梁,让美国再次获得在本土发射载人飞船的能力。

八、NASA商业载人项目还有哪个公司参加?

图注:SpaceX的龙飞船和波音的星际航班飞船与国际空间站(艺术图)

2014年9月,NASA选定SpaceX和波音公司参加商业载人项目,分别获得26亿美元和42亿美元的资助。波音公司制造了“星际航班”(Starliner)飞船运送宇航员,但总体上进度稍落后于SpaceX。下面我们来简单比较一下星际航班飞船与龙飞船有何异同:

容量相同:这两个飞船具有相似的设计功能——每个飞船最多可以容纳七个人。

发射火箭不同:星际航班是用联合发射联盟公司(波音和洛克希德马丁公司的合资企业)的宇宙神五火箭发射升空。SpaceX公司正在使用自己的火箭猎鹰9号发射载人版龙飞船。

返回场地不同:星际航班选择通过气囊辅助伞陆地降落;龙飞船是在海上降落。

价格不同:SpaceX的发射更便宜。NASA监察长11月发布的一份报告指出,SpaceX公司载人飞船的每个座位发射成本约为5500万美元,波音公司为9000万美元。从价格上看,购买波音公司座位的费用和购买俄罗斯联盟飞船差不多,但毕竟波音是美国自己的公司,这点比较重要。

2019年12月20日,波音进行了一次星际航班飞船无人发射,目标是与国际空间站对接。在飞行中,船箭分离正常。但令人遗憾的是,由于飞船在入轨机动过程中燃料消耗比预期要多,与国际空间站交汇失之交臂,两天后成功返回地球。

图注:2019年12月,波音的星际航班飞船在沙漠降落场降落

根据计划,2020年10月份,波音将再补一次星际航班飞船的无人测试发射,目标仍然是国际空间站。如果通过将来这次测试,2021年将进行首次载人发射。

总之,SpaceX的本次发射使美国再次获得了载人航天能力,更重要的是揭开了世界“商业载人航天”巨大帷幕的一角。在未来,随着商业竞争机制的引入,人们进入太空的成本将逐步下降,普通人到太空旅行不是梦。

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