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今天的故事要從一面特殊的美國國旗說起,2011年7月21日,亞特蘭蒂斯號太空飛機平穩落地,結束了它的最後一次任務,也宣告長達30年的太空飛機時代正式落下帷幕。由於當時並沒有新的載人太空器拿過接力棒,美國暫時失去了載人太空能力,只能依賴俄羅斯的聯盟飛船運送太空人,對於曾將人類6次送上月球的美國而言,這簡直是「奇恥大辱」。就在太空飛機的最後一次任務中,一面特殊的美國國旗被帶上國際空間站,上面寫著「這面國旗只有從美國本土起飛的太空人才能取下帶回地球」。也就是說,只能等到美國下一款載人太空器的服役時,這面國旗才能重歸地球。
然而這一等——就是整整9年
這面國旗曾在1981年的太空飛機首飛和2011年的謝幕飛行中上過天,是長達30年太空飛機時代的見證者
北京時間2020年5月31日3:22分,SpaceX公司的載人龍(Crew Dragon)飛船搭載兩名試飛太空人羅伯特·本肯(Robert Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley),從肯尼迪太空中心LC-39A發射臺起飛,前往距地面400公里的國際空間站,執行代號Demo-2的首次載人飛行任務。
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發射視訊,錯過半夜直播的小夥伴過來看看
(我上傳的發射視訊被審核槍斃了三次,只能用別人的了)
至此,美國時隔9年後終於恢復了載人太空能力,而伊隆 · 馬斯克(Elon Musk)創辦的SpaceX也成為了人類太空史上第一個具備獨立載人太空能力的私營太空企業。
發射前的美景,右側是太空人登船用的擺臂
發射前兩分鐘,火箭已加註滿過冷推進劑,稍有不慎就是一場爆炸
此時太空人就在這一大管子炸藥的頭部,在美國太空界,有一個老笑話——坐在出價最低的承包商制造的火箭上面,感覺如何啊?
兩位太空人看起來還挺淡定,畢竟都是老司機了,注意腿上的飛行前檢查單(Check List)
起飛,不常看載人發射的讀者可能不清楚——載人發射時提供艙內太空人實時直播畫面的是很少很少的,因為避免在極端情況下公開一些船毀人亡的畫面
火箭一二級分離,一級踏上回收之旅
火箭一級日常回收成功,我已經記不清是第幾次了
飛船與火箭二級順利分離,飛船獨自完成剩餘旅程,前往國際空間站
這枚火箭特殊塗裝了經典的「蠕蟲」(Worm)式NASA圖標
NASA局長喜笑顏開,烏紗帽保住了(笑)
那個男人,是的,他也來看發射了,他也是真有閒空
此次載人龍飛船採用一枚特殊塗裝的全新獵鷹9 Block-5型火箭發射,火箭一級在發射後兩分半關機分離,進入回收流程,分後平穩降落在回收駁船上,雖然運載火箭回收仍是隻此一家別無分號,但已經是日常操作,早已無人關心。根據計劃,發射後19小時飛船將「追上」國際空間站,並成功與之對接,對接後經過拉近、鎖緊和氣壓平衡後,兩位太空人將進駐空間站。後續飛船將在空間站停留30天以上,具體返回時間取決於飛船太陽能電池板衰減情況。至此,美國人終於擺脫了俄羅斯聯盟飛船年年漲價的的天價船票,也不再會被俄羅斯譏諷為「用蹦床上天」。有關這艘飛船的故事,請隨我一起通過這篇翻新過的萬字長文來了解一下。
載人首秀,一雪前恥,風格特別,化繁為簡
相對於已經審美疲勞的獵鷹9發射和回收來說,今天的主角絕對是飛船。
說起飛船本身,載人龍飛船為兩艙設計,分為加壓艙(返回艙)和非加壓艙,為盡可能復用飛船設備,載人龍大部分設備集中於加壓艙內,非加壓艙部分主要由碳纖維構成,僅設置有體裝式太陽能電池板等少數設備。
飛船官方「定妝照」
轉起來
非加壓艙(Trunk)部分,請注意,並不同於其他載人飛船,這並不是通常意義上的「服務艙」,因為裡面實際上是空的,最主要的設備是外面的半圈電池板
返回艙本體,也是太空人的生命之舟
飛船採用人、貨通用設計,載人版可用於國際空間站或未來商業空間站的近地軌道載人往返服務,經貨運化改裝後也可以用於無人貨運任務,飛船受限於NASA對落水沖擊的限制,目前默認設置有4個座位,後排可增設3個座位,即最多承載7名太空人,遠多於聯盟飛船的3人,與太空飛機和波音的星際線(Starliner)飛船一致。
飛船內部
無論是飛船的外觀還是內飾,都非常簡潔,形如科幻電影中的宇宙飛船,即使增設後排座椅,滿載7名太空人也依舊寬敞,而且還設置有一個簡易廁所(未曝光),與狹小擁擠的聯盟號飛船形成鮮明對比,當然不僅是座椅,最直觀的飛船操作界面也是迥然相異,在人們的印象中,飛船的面板應該是這樣的:
至今仍在使用的聯盟飛船內部,擁擠、混亂、古舊, 雖然他真的很可靠
密密麻麻的各種按鈕、儀表、開關,讓人眼花繚亂。而人類迄今為止的絕大多數載人太空器都是如此(我國新一代載人飛船面板未曝光,不在此列),即使是與載人龍同期研制的星際線飛船亦不免俗,如下圖:
然而SpaceX卻不走尋常路,載人龍飛船內部的控制面板(Control Panel)是這個樣子:
2014年發布會時設計,後有所改動,但思路沒變
最終首飛時的設計(模擬機)
與傳統飛船設計截然不同,載人龍的人機界面採用大尺寸觸控界面,螢幕所顯示內容可自由切換,因此3塊螢幕在受損情況下可互為備份。飛船目前設計僅保留有38個實體開關和按鍵,作為應對極端情況的最低限度控制面板。縱觀馬斯克旗下的兩家企業,無論是SpaceX還是特斯拉(Telsa),一直都是超大觸控螢幕開道!這正是公司對「less is more」(少即是多)這種設計哲學的一貫追求。馬斯克宣稱載人龍飛船將大幅度提高自動化程度,化繁為簡,降低太空人的學習成本,太空人在絕大部分任務中都可以把厚如磚頭的操縱手冊扔在一旁,將操作集中在直觀的觸控螢幕上,並提高自動化率,僅保留有最低限度的物理按鍵來應對極端情況。這個看起來很簡單的改變其實更不容易,且不說要面對巨量的代碼編程和測試工作,要在刪去大量物理按鍵的條件下仍維持足夠的安全性和可靠性。這種設計思路一直貫穿整個飛船,比如艙內太空服的設計。
眾所周知, 太空服主要分為兩種,一種是艙內太空服,一種是艙外太空服。艙內太空服是在載人飛船和太空飛機內穿著使用的,除在正常發射中監測 太空人生理狀態和維持體溫呼吸外,還有在飛船艙內出現破損而導致急性失壓時保障 太空人生命安全的作用。
左為SpaceX的太空服設計,右為太空飛機時代所使用的ACES(Advanced Crew Escape Suit)艙內太空服,自1994年的STS-65任務開始使用,直至太空飛機退役
與傳統太空服不同,SpaceX特別聘請了時尚設計師進行外觀設計,在維持安全性水平的前提下進行了輕量化設計。此外,艙內太空服還選用了定制化的3D列印頭盔,可以定制化設計,內置麥克風,太空服本身採用阻燃外層材料,鞋部增設了與座椅腳蹬的固定機構。所有太空服與飛船的環控生保和通訊都集成在艙內服大腿部分的一根管路上,還增設了額外的聽力保護裝置。
按照時間順序的美國歷代艙內太空服對比
為了適應觸控界面,太空服手套手掌內側設有觸控層,兼顧觸屏操控。頭盔面罩可以開合,關節過渡段經過特殊設計,不僅可以靈活轉動,在艙內失壓情況可迅速密閉並充氣保壓,以保證太空人生命安全。
其實2018年2月,重型獵鷹火箭首飛時作為載荷的那輛特斯拉跑車頂用的就是這套太空服
不過實際穿著效果嘛,仁者見仁智者見智吧
除了上面說的這些外表可見的特性,載人龍的設計亦有大幅革新,不僅採用人貨通用設計,還革新了傳統的逃逸塔逃逸方式,更貫徹了公司一貫的重復使用的概念,又大膽使用發動機反推著陸的方式(目前已被NASA砍掉),稱之為目前設計最激進、最瘋狂的載人飛船毫不為過。其餘參數設計特性,我總結成了下表:
載人龍飛船主要參數指標
參數
指標
幹質量
7.7噸
發射質量
9-15噸
上行最大運力
6噸
下行最大運力
3噸
尺寸(高、直徑)
全高 8.1米,直徑 4米
加壓艙外壁傾角
15度
加壓艙(返回艙)容積
9.3立方米
非加壓艙容積
37立方米
承載人數
默認 4人,最大 7人
自持能力
自行飛行 7天,對接狀態 210天
供電系統
非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板
推進系統
16臺天龍座 ( Draco) 發動機,單臺推力 400牛,真空比沖 300秒
逃逸系統
推式逃逸, 8臺超級天龍座 ( SuperDraco) 逃逸發動機,單臺推力 71000牛,海平面比沖 235秒,兩臺為一組,安裝在鋁制包容殼內
推進劑組合
四氧化二氮 /甲基肼雙組元推進劑,冗餘設計,最大加註量 2.2噸, 1.36噸四氧化二氮, 0.85噸甲基肼
環控生保系統(ECLSS)
濕度控制、噪聲抑制、空氣循環、溫度控制、火災探測和抑制、簡易廁所
底部主熱防護系統
第三代 PICA-X改進型酚醛浸漬碳燒蝕材料,可更換設計
進入、再入、著陸與回收
四傘冗餘群傘系統,海上濺落,專用回收船回收
定位
GPS/銥星定位信標
對接系統
採用 NASA對接系統( NASA Docking System),可自主無人對接或手動對接,對接口蓋可開合
艙內太空服
SpaceX自研的專用艙內太空服
但是對於SpaceX的「伯樂」NASA來講,這些都不是他們所關註的,NASA只是想盡一切辦法讓飛船盡快投入運營,向國際空間站運送太空人。因為美國失去載人太空能力已有8年,而俄羅斯的聯盟飛船坑了美國整整9年,有關這段恩怨情仇,還要從8年前的那次著陸說起。
制造兩個空窗期的太空飛機
太空飛機退役後陸續進入博物館,功成身退,夾道歡迎
2011年太空飛機退役時,美國並沒有其他載人太空器,按理來說應該繼續服役到新飛船接班為止,但是這實在是因為太空飛機亟需替換,不能再用的無奈之舉,而非NASA所願。
眾所周知,1986年1月,挑戰者號太空飛機在升空時因固體助推器O型密封環失效,凌空爆炸,7名太空人罹難;2003年2月,哥倫比亞號太空飛機在再入大氣層過程中解體,又是7名太空人遇難。
挑戰者號升空爆炸(上),哥倫比亞號返回地球時解體(下)
兩次事故沉重的不僅使美國失去了兩架太空飛機和14名太空人,更重擊了民眾對太空飛機安全性的信心,加之太空飛機本身發射報價昂貴,缺乏逃逸設施,而機體日益老化又導致翻修費用居高不下,NASA最終只能忍痛割愛將其退役。由於美國將中國排斥在國際空間站之外,自此俄羅斯便事實壟斷了國際空間站的人員運輸。然而俄羅斯自太空飛機退役起,便不停抬高聯盟號飛船座位的銷售價格。
聯盟飛船座位價格表,美國真是冤大頭。。。
從最初的3000萬美元一路飆漲至現在8000萬美元一位的天價,這種近乎與坐地起價的行為讓NASA忍無可忍,但美國確實沒有飛船可用。事實上,知恥而後勇的NASA很早就規劃了三款新型載人飛船,但是卻因為進度、經費、設計等種種原因,遲遲不能服役,直到今天的載人龍才正式載人。
從左至右分別為 星際線(Starliner)、 載人龍(Crew Dragon) 、 獵戶座(Orion),為了出俄羅斯壟斷的這口惡氣,美國人一口氣搞了三款新飛船
由這一幅老圖可見,聯盟號飛船報價8100萬美元,新飛船僅為5800萬,事實上根據GAO的報告,載人龍每座報價為5500萬美元,而波音為9000萬美元一個座位,你沒看錯,9000萬美元,一個座位。
兩代載人太空器的接班:
「嘿,兄弟,交給你了!」,
“放心吧!”
最意外的中標者
其實早在太空飛機退役之前,NASA就開始物色新一代飛船的承包商,經過CCDev1、CCDev2、CCiCap三個階段的觀察和篩選。波音(Boeing)、藍色起源(Blue Origin)、內華達山脈( SNC)和SpaceX四家航企中標呼聲最高。這些公司的飛船將替代已經退役8年的太空飛機,擺脫俄羅斯聯盟飛船近乎「敲詐」的高昂船票,整個項目名為商業載人太空計劃(Commercial Crew Program,見下圖)。
與阿波羅計劃和太空飛船時期不同,商業載人太空計劃中飛船的歸屬權屬於研發企業本身(原文: The companies own and operate their own spacecraft and infrastructure) ,借此激勵企業創新和自掏腰包(航企可以在滿足NASA任務需求的條件下執行其他商業太空任務,比如太空旅遊),NASA只是購買飛船的「載人服務」。但為了控制安全、進度和經費,NASA設置了大量「里程碑」對中標企業進行控制,還設置了大量驗收試驗(比如逃逸試驗、熱真空試驗、電磁兼容試驗等),除此之外盡量減少對企業研發思路和飛船設計的干擾,也不限定所使用的載人火箭,隻提出可靠性要求。
最終經過長達4年的觀察和評估,呼聲甚高的藍色起源和內華達山脈公司意外淘汰,巨頭波音和曾被業界齊齊看衰的SpaceX雀屏中選,各自研發一款新型載人飛船,其中波音飛船名為CST-100(後更名為星際線),資助額高達42億美元;SpaceX則為第二代龍飛船(Dragon V2,後細分為Crew Dragon,載人龍),資助額僅有26億美元。後經過幾次經費追加,波音累計資助額50億美元,SpaceX累計資助32億美元。
兩款飛船的CG效果圖(左:波音,右:SpaceX)
NASA的介紹
這份合同讓業界大跌眼鏡,兩家中標者中的波音不但是百年航企,阿波羅登月時代就曾參與,而且無論資金實力,技術水平還是研發經驗都無可比擬,中標毫不意外。但是彼時SpaceX作為一家初創的私營航企,之前的獵鷹1火箭5次發射3次失敗,想像一下5次飛行就要墜機3次的航班誰敢坐?讓這樣的公司設計載人飛船無異於「草菅人命」,而載人太空作為一項龐大的系統工程,至今為止全世界只有中、美、俄具備該能力,一家私企就想染指,無異於癡人說夢。彼時國內網路也一時間充斥的同樣的論調,唱衰SpaceX和私營太空的聲音不絕於耳。
但結果卻恰巧相反
公司創始人兼首席設計師伊隆·馬斯克在載人龍飛船內
SpaecX雖然錢少、人少、經驗少,但是進度高歌猛進,遠超波音。SpaceX率先於2015年5月成功進行發射臺逃逸試驗。
溜了溜了。。。
2015年11月,SpaceX進行了載入龍飛船的懸停飛行試驗,以演示超級天龍座發動機的變推力能力和飛船的懸停特性。 截至載人首飛,累計完成了超過700次的超級天龍座試車 。
載人龍飛船的懸停試驗,清晰可見逃逸發動機工作
2019年3月2日,SpaceX從肯尼迪太空中心LC-39A發射臺首次將載人龍飛船送入太空,執行首次無人演示任務。在發射的27小時後,載人龍飛船成功自主對接國際空間站並順利返回地球。
與國際空間站對接前
2020年1月19日,「載人龍」飛船順完成「發射中逃逸試驗」,作為該船正式載人前的最後一項全船重大測試,成功證明了飛船發布時宣稱的「全程逃逸」能力。
半路開溜能力展示
其實載人龍的研發之路並非一帆風順,2019年4月,執行完首次無人試飛的飛船在一次逃逸發動機的靜態點火試驗中,因管路殘留推進劑在高壓氣體作用下發生了水錘效應,常溫推進劑與鈦制閥芯發生罕見反應,發生劇烈爆炸,飛船全毀。
炸。。。
除此之外,載人龍的降落傘也曾遇到問題,最終應NASA要求換用改進的Mark-3型降落傘,並進行了27次空投試驗驗證後方告通過,降落傘累計測試次數超過80次。
另一方的波音公司在項目中拿的錢最多,經驗最豐富,但是設計保守,進度拖拉,報價高昂。而且最關鍵的是—— 首次無人試飛還翻了車!飛船因為一連串錯誤,未能與國際空間站對接,只能灰溜溜的返回地球,更無語的是降落時群傘中還有一個未能正確打開,好在是冗餘設計,飛船返回艙完好。經過NASA獨立調查小組調查後,波音只能認栽,自掏腰包4.2億美元準備再飛一次!這個結局真的出乎所有人的意料,然而回頭來看似乎又不意外,這還要從頭說起。
從岌岌無名到載人首飛,回顧18年歷程
五射三敗,業界笑柄;伯樂相助,起死回生
2002年初創時的SpaceX的員工合影,寒酸程度令人髮指
SpaceX這家公司自2002年創辦至今17年以來,真可謂是一路坎坷,數次生死一線。馬斯克最初創辦公司時曾經求援俄羅斯,但不被重視,屢屢碰壁(這段故事詳見往期文章:[深度]從閉門羹到猛禽—SpaceX坎坷的發動機之路(上) )。而後憤而自行研發液體運載火箭,但研發的獵鷹1型火箭曾經三次試射,三次爆炸,幾乎淪為業界笑柄。創始人馬斯克同時又開辦了一家電動汽車公司「特斯拉」,兩家公司同時陷入困境,曾經的億萬富翁差點兒一貧如洗到要住父親家的地下室。最終在朋友和投資人的幫助之下,在馬斯克個人的執念堅持之下,兩家公司同時起死回生。
三射三炸的獵鷹1型火箭,一段揮之不去的夢魘,同時也是一段創業的傳奇
SpaceX在2008年末正式獲得了NASA的國際空間站商業補給服務合同(Commercial Resupply Services,簡稱CRS合同),採用公司全新研發的獵鷹9火箭和第一代貨運型龍飛船向國際空間站運送共計12次貨物,憑借NASA一紙訂單的輸血效應,SpaceX起死回生。
2012年10月8日,由梅林1C型和1C真空型發動機驅動的獵鷹9 1.0版火箭成功發射,正式執行第一次CRS貨運任務,任務代號CRS-1
發射後第三天,也就是10月10日,同樣由SpaceX公司研發的貨運版龍飛船成功對接國際空間站,成為人類歷史上第一個有獨立能力向國際空間站運送貨物的私營太空企業
越被鄙視越瘋狂,來自未來的二代龍飛船
2015年5月,在美國加州霍索恩的廠房內,馬斯克舉辦了一場發布會,在陣陣煙霧的襯托下,幕布揭開後,第二代龍飛船展現在觀眾眼前。 SpaceX不但拿下了訂單,更決定迎難而上,意圖打造一種低成本、載人載貨通用、可重復使用 的新式龍飛船,這個思路的瘋狂程度不但超越了同期中標的波音,更是人類迄今所有載人飛船所罕見的,可以說馬斯克在當時吹了一個可能連他自己都不相信的大牛! 然而,4年過去了,這些吹過的牛:
今天都實現了!
(除反推著陸在NASA鼓動下被砍掉除外)
2015年發布會現場,前景左側是Draco姿控發動機,右側為Super Draco反推及逃逸發動機
除了前面提過的那些特點,我們詳細聊聊那些載人龍飛船的瘋狂設計:
拜拜,逃逸塔!
拜拜,逃逸塔!
首先,傳統載人飛船為了在火箭出現類似爆炸的緊急情況下讓太空人遠離火箭,安全返回,需要設計有一系列逃逸措施,其中最顯眼的就是火箭頂部的逃逸塔,上面安裝有若干逃逸發動機和調姿發動機,一旦點火將瞬間產生巨大推力,將飛船帶離火箭。
阿波羅飛船的發射臺逃逸試驗,相當壯觀,但是這東西最好真實發射中永遠用不上
點火逃逸都是千鈞一發的時刻,需要逃逸發動機點火極端可靠,同時推力產生迅速。這都是以往液體發動機的弱項,所以通常都是固體發動機用於逃逸塔。但是SpaceX不信這個邪——他們不但不用固體逃逸發動機,還砍掉了逃逸塔~!
顯然,逃逸塔不見了
那獵鷹9火箭爆炸了怎麼辦?飛船自備動力逃逸,載人龍飛船在飛船側壁安裝了8臺Super Draco逃逸發動機,兩個為一組,互為備份,使用四氧化二氮/聯胺,擠壓循環,推力約7噸,可重復使用,且由鐵鉻鎳材料由激光3D列印技術而來,由於逃逸發動機貼近太空人座位,為防止發動機爆炸波及,SpaceX設計了發動機外殼來包容爆炸飛射物。
一組逃逸發動機,外面是包容殼
加上管路看看
由於傳統逃逸塔需要在升空過程中拋棄,所以都是一次性設計,即使沒有用到逃逸發動機,每次發射都要扔掉一座,相當浪費。而自備逃逸發動機不僅響應速度不遜固體發動機,而且可以隨飛船返回地球,經過檢修即可繼續使用。但是載人龍的逃逸發動機用途絕不僅僅是逃跑,還有一項大用途。
既能用來逃跑,還能用來著陸
既能用來逃跑,還能用來著陸
聯盟號飛船傘降著陸瞬間
一款發動機既然可以讓飛船逃跑,適當調整推力也可以用在返回地球過程中著陸,所謂一機兩用,絕不浪費,升空時是逃逸發動機,返回時就是著陸發動機,再也不會有無用的死重出現。
看完你就知道這種著陸方式有多瘋狂了
這個方案看起來很瘋狂,其實經過精心設計。飛船在適當高度會嘗試點燃所有反推(逃逸)發動機,如果系統監測所有發動機工作正常,則繼續進行反推著陸;一旦發動機出現異常,則啟動傳統降落傘作為著陸方式,載人龍設計有4個降落傘,傘傘之間互為備份,即使1個到2個傘失效仍可降落。如果不幸傘全部失效,還可以點燃反推發動機進行應急降落,因為8臺著陸發動機實際是冗餘設計,僅需4臺推力即可滿足著陸需求。而且這個設計是先在無人的貨運任務上嘗試,在成熟之後才在載人發射上嘗試使用。但是可惜的是,即使是這樣的設計,已經被太空飛機嚇壞的NASA依然不滿意,從安全性角度出發,和SpaceX協商後砍掉了這項設計,現在的載人龍飛船使用傳統傘降落海回收。
有人一定會問,這飛船明明是載人的,怎麼還會有無人貨運任務?這就要說到飛船的另一個特色——人貨通用。
人貨通用設計——裝上座椅運人,拆掉座椅運貨
人貨通用設計——裝上座椅運人,拆掉座椅運貨
以中俄為例,中國的載人飛船為神舟,貨運飛船為天舟,兩者並不通用;俄羅斯載人飛船為聯盟,貨運飛船為進步,亦不通用,專船專用是國際通用做法。但是對於SpaceX一家私營太空企業來說,同時研發兩種飛船是無法承受的。
所以摳門馬斯克帶領的SpaceX找到了一個摳門新辦法——新飛船載人,舊飛船運貨,所以二代龍飛船是人、貨通用設計,裝上座椅運人,拆掉座椅運貨,兩種任務所用飛船完全互換。SpaceX擬採用全新制造的飛船和火箭為NASA運送太空人,在飛船和火箭完成回收後進行翻修的簡單改裝,然後用二手火箭+二手飛船為NASA執行無人貨運任務,相對於競爭對手軌道ATK(現在的諾格)和內華達山脈公司,這將大幅降低CRS-2階段貨運任務的成本。
改變,不僅僅是有這些
改變,不僅僅是有這些
除此之外,換用了體裝式太陽能電池板,刪去了貨運龍飛船的可展開太陽能電池板和轉動機構,提高可靠性(雖然貨運龍的電池板從來沒出過問題)。頂部保護對接口的端蓋也變成了可開合式,而以往的貨運龍則是一次性拋棄設計。
非加壓艙的體裝太陽能電池板清晰可見,為了可靠性刪去了所有可動部件
為了榨乾火箭的運力,發射載人龍飛船的獵鷹9採用過冷推進劑,所以需要盡可能快速的進行加註。這就需要載人發射時太空人先進入飛船,然後再進行推進劑加註;而太空飛機等發射則是在火箭推進劑加註完畢後,狀態穩定時,太空人才登上飛船。由於2016年9月1日的Amos-6爆炸事故,NASA對載人龍的加註方式非常擔憂,生怕加註時發生爆炸。
當年的事故
在事故中,火箭和衛星都被摧毀,發射臺嚴重受損,事故原因是火箭二級貯箱中的「復合材料纏繞壓力容器」(COPV)的結構失效導致。有關事故原因詳見往期文章 如何按SpaceX的風格引爆一枚火箭——恢復發射前你應該知道的真相 。但後續在Space X的改進和堅持下,NASA同意了這種登船方式。
親,太空旅遊了解一下,入軌的那種哦!
SpaceX目前已通過代理承接了兩單太空旅遊項目,其中第一單通過一家名為「太空冒險」(Space Adventures)的代理公司完成,將有4名付費乘客,不對接國際空間站,由飛船獨立完成,耗時約5天。更重要的是,這次旅行將不設專業太空人,由飛船自主發射、自主在軌、自主返回。而載人龍飛船從設計伊始就有所考慮,無論是大幅簡化的人機界面,高度自動化的飛控系統,內置簡易廁所,可定制的艙內太空服和簡化的維生管路,都瞄準著商業太空遊。在商業發射需求下滑,SpaceX面臨「有箭無單」的今天,太空旅遊可能將成為公司新的盈利機會。
雖然公司未透露價格,參照Bigelow公司訂購的座位價格,約5000萬美元每位。而波音的星際線(Starliner)飛船 理論上也是「太空冒險」公司的代理範圍,但是我估計波音沒空,上次翻車後應付NASA的審查小組還來不及呢,另外乘客估計也不感興趣,如果以5000萬美元計,四名乘客只能支付2億美元,而這些錢。。。可能還不夠買一發發射星際線用的火箭。
SpaceX向來的座右銘就是「幹死友商、幹死代理、幹死供應方」,在太空旅遊領域,SpaceX屬於全產業鏈企業,理論上SpaceX根本不需要代理協調,因為一家公司能把飛船、火箭、發射場一應全包,所以這代理公司的載人龍生意很可能做不了幾次,這業務就會被SpaceX自己收編。
當年構想中Biglow充氣式空間站+載人龍飛船的「黃金太空遊」組合,結果載人龍真的來了,但Biglow真的涼了
因為飛船自持力有限,理想的太空遊是遊客入住國際空間站做停留。其實呢NASA在去年就已經正式公布了國際空間站的商業化服務價目表,裡面就包括了遊客前往國際空間站衣食住行的價格,便於太空旅遊企業通過國際空間站提供長期旅遊服務。Bigelow公司的充氣式艙段其實最初也是瞄準給遊客居住而設計,但可惜NASA沒選人家。
說到模式,其實最理想的服務模式是搭車模式,也就是傳說中的「四贏模式」(不是私營模式)。因為國際空間站正常輪換是3人,而載人龍最多載7人(因落水沖擊被NASA限制為4人,但還有擴充可能),如果其餘4各座位全部賣給遊客,遊客搭車進入國際空間站,然後居住在Bigelow公司的充氣式艙段中。這就會形成一種「四贏結局」,首先NASA可以借此要求SpaceX打折每次輪換任務費用,節省了國際空間站的運營費用;Bigelow公司可以出售艙段居住獲得利潤;遊客可以通過搭車模式讓旅遊費用大幅下降,或許降到2000萬美元甚至更低級別都不難。而SpaceX作為主要承包商,不但有效利用自家飛船和火箭,所有成本之外的利潤全部進兜。四方都借此獲利或者省錢,故稱之為「四贏模式」
只有打通了太空遊的模式,進一步降低太空旅遊的成本,才能吸引更多的遊客,形成產業鏈的正反饋,生意越做越大,才有動力去研發更好的遊客飛船和業務。畢竟價格砍一半,消費者可是多一個數量級的! 未來若「復用火箭+復用飛船」的組合能經過評估並投入載人發射,必將對降低人類進入太空的成本做出一定的貢獻。而說起重復使用,那真是這家公司不懈的追求。
重復使用,從不放棄的夢想
說起復用,「太空飛機」作為復用領域的反面教材,無論是在太空飛機之前還是之後, 人類太空史上眾多的貨運和載人飛船,尤其是老而彌堅的進步和聯盟系列飛船, 都從沒有嘗試過重復使用。然而,作為SpaceX和馬斯克一直以來的夢想,復用從不停歇,無論飛船還是火箭。在2017年12月的 CRS-13貨運龍發射任務中,SpaceX成功 利用「二手火箭」發射「二手飛船」。很幸運的,NASA首當其沖,又一次榮當小白鼠!
你沒看錯,這是當時的復用火箭,但SpaceX已經懶到連擦都懶得擦了
CRS-13任務的綠框部分均為二手,紅色的二級是唯一的新東西
龍飛船由一個加壓艙和一個敞開的非加壓艙(Trunk)組成。非加壓艙上安裝有太陽能電池板等設備,非加壓艙為敞開式設計,便於放置一些需要釋放和安裝的載荷。加壓艙內則裝有加壓貨物,並在錐部安裝有通用對接機構,用於與國際空間站進行捕獲對接。飛船的加壓艙是可回收設計的,非加壓艙則在再入大氣層之前被分離拋棄,並在大氣中燃燒殆盡。之所以SpaceX「冒天下之大不韙」的再次吃螃蟹,將被海水浸泡過的飛船重新翻修使用,其實是有以下三個原因。
說起省錢,相對於從頭全新制造一艘貨運龍飛船而言,重復使用龍飛船,可以大幅度減少生產線的制造壓力。想像一下相對於重新制造一輛汽車,翻修一輛泡過水的汽車能省下多少事情。復用飛船節省了大量人工和物料,雖然復用更換了部分被海水浸泡過的零件。
眾所周知的是,由於飛船發射和返回過程中,需要經受惡劣的震動、空間的輻射、再入的高溫灼燒、還有海水的浸泡等,很可能在復用中導致設備和零件因疲勞等原因失效。 因此太空界之前對飛船的復用一直都相當謹慎,即使有公司有類似計劃,最終也都擱淺或者尚在開發中。之前SpaceX的工程師當時比對了所復用的龍飛船首次飛行中經歷的結構載荷記錄和組件在最初設計時留下的設計裕量,認為各個零部件仍具有足夠的壽命和可靠性。
這就是龍飛船復用的主體部分 (來源:SpaceX)
Draco是一種採用有毒燃料組合的推力400N的姿態控制發動機,貨運龍上裝有18個 Draco發動機,載人龍也有,圖中正在噴射的就是,這個位置在落海後基本都要泡海水
NASA顯然對2015年CRS-7任務中的凌空一炸仍然心有餘悸
除了節省經費之外,SpaceX作為 史上首個向國際空間站輸送貨物的私人太空公司,自2012年以來已經16次向空間站發射貨運飛船。NASA與SpaceX曾簽訂過CRS1與CRS2兩個階段的貨運飛船發射合同(CRS,Commercial Resupply Services),包括在2024年前向空間站 發射至少26艘貨運飛船,這是美國現役貨運飛船發射合同中次數最多的一家,也是發射頻率最高的一家。雖然與俄羅斯的進步系列飛船在總發射數上難以匹敵,但是近幾年來看,龍飛船「快遞」已經成為了 國際空間站快遞小哥中的「半壁江山」,與功勛卓著的進步飛船平分秋色。
火箭、飛船的回收和重復利用,都是馬斯克一直堅持的理念,但是2015年和2016年兩次延續的爆炸事故,讓公司的發展陷入困頓。尤其是2016年9月1日公司獵鷹9火箭突如其來的驚天一炸(往期文章: [分析]屋漏偏逢連夜雨—SpaceX的第三次低谷 ),徹底把這個夢擊得粉碎,公司一夜之間再次跌下神壇,各路負面消息一時間充斥媒體。
這已經是SpaceX史上第三次重大挫折了,創業道路之坎坷可見一斑
歷經3個月的事故調查,公司於2017年初恢復了火箭發射(往期文章:)。並在2017年交上了18次發射全部成功的傲人答卷!詳見。然後就是2018年,重型獵鷹火箭成功首射!
馬斯克最早在2013年TED的一次訪談中公開展示了火箭回收復用和芯級並聯的設想, 當時迎來的不僅是掌聲,也有嘲笑和不屑。畢竟有著太空飛機和N1火箭的反面典型在前面,重復使用的太空器無異於天方夜譚。然而 「重復使用」四個字,正是SpaceX創立17年來最大的夢想,筆者也認為是從根本上降低天地往返費用的終極解決辦法,雖然不能說SpaceX的道路一定會最終成功,但是SpaceX卻一直在這條道路上不斷前行, 歷經數不清的挑戰、嘲笑和失敗,卻 仍然初心不改。
他們曾經這樣失敗過(2016年9月1日,Amos-6爆炸事故)
也曾經這樣失敗過(2015年7月,CRS-7解體事故)
還有這樣(回收失敗)
還有(ABS-2A和Eutelsat 117 West B一箭雙星任務,回收失敗)
還還有(2015年初,Jason-3任務後回收失敗)
還有北京時間2019年11月21日5:20分,星艦(Starship)全尺寸原型機MK1在貯箱加註試驗中發生破裂,不銹鋼貯箱頂封頭被崩飛。
或許這才是這家公司之所以能夠如此引人註目和備受推崇的原因,或許載人龍飛船和可回收火箭只是和太空飛機一樣,是另一個成功而又失敗的偉大嘗試。翻開網路上有關這家公司的新聞,從來都是極富爭議的——鮮花和雞蛋同飛,讚揚與批評同框。這家公司曾經被無數人嘲笑過,也被無數的網友謾罵過,但這家公司終於堅持到了成功的一天。畢竟,只有不懼風險,勇敢嘗試的人才有資格征服太空,而等著看笑話的人永遠只能等著看笑話。
「龍」已上路,祝他一路好運
(全文完)
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