SpaceX龙2飞船成功载人首飞,世界载人航天迎来第四位玩家!

by 太空精酿

北京时间2020年5月31日03时22分,美国太空探索科技公司(SpaceX)用自家猎鹰9号火箭成功发射龙2载人飞船,成功运送两名宇航员(Douglas Hurley和Robert Behnken)进入太空,前往国际空间站,他们将在1天后抵达。火箭一级也实现了成功回收。

整装待发的火箭(左)和两名宇航员(右),新的宇航服充满科幻感(图源:SpaceX


自1961年4月12日苏联宇航员加加林进入太空、开启人类载人航天时代之后,全世界仅有三个国家,苏联/俄罗斯、美国和中国,掌握了载人航天能力。其中,随着2011年7月19日美国航天飞机执行完最后一次任务退役后,美国失去了从本土出发的载人航天能力,只能依靠俄罗斯联盟号飞船前往国际空间站。

SpaceX此次任务,从NASA传奇发射架LC-39A出发,这里见证了阿波罗登月和航天飞机计划的成功。这次发射不仅标志着美国载人航天能力的恢复,也标志着人类载人航天一个崭新的时代开始:一个商业航天公司成为第四位玩家,它独立并全面掌握了载人航天最重要的运载火箭、货运飞船和载人飞船等环节。

一、传奇运载火箭:猎鹰9

此次任务使用的运载火箭是SpaceX近期服役的猎鹰9号-Block 5型,它是SpaceX在2008年突破运载火箭技术后的第四代主力火箭。

SpaceX的猎鹰系列火箭家族基本图谱(改编自Lucabon

猎鹰9号-B5火箭不仅运载能力处在世界前列,还能实现火箭一级和整流罩回收的独门绝活。由于经过了大幅技术改进,广泛使用新材料和新设计,它的理论可回收复用次数近百次,不经过大修保养可做到连续10次左右回收。它的可靠性也相当高,目前发射成功率均为100%。在经过NASA的反复审核后,它获批成为美国新一代可载人级别运载火箭。

考虑到即便一枚新猎鹰9号火箭的造价(6000万美元左右)都要比同行低很多,甚至低于俄罗斯联盟号载人飞船单人票价(已达到9000万美元),龙2载人飞船使用自家公司的火箭发射费用将大大降低。事实上,SpaceX另一主要项目,星链低轨卫星互联网星座,也已经通过自家火箭极低的发射费用击垮了竞争对手。

二、划时代的载人飞船:龙2

SpaceX初代的龙1货运飞船仅用于货运,但它用了很多超前设计理念和先进工程技术,可靠性很高。在22次发射任务中,除了一次因为猎鹰9号v1.1火箭爆炸事故被摧毁之外,其余均取得成功。它也是除航天飞机外唯一可回收复用的独立货运飞船,在2020年3月份SpaceX对国际空间站的第20次货运任务时,已经是这一艘龙1货运飞船的第9次复用。

目前,龙1货运飞船已经宣告退役,龙2载人飞船将兼具载人和货运功能。龙1货运飞船项目是SpaceX此前利润最高的项目之一,为后续的龙2载人飞船技术发展打下了坚实的基础。

整体来看,龙2载人飞船在技术方面,有如下重大突破:

a .设计安全性

这是任何一个载人航天飞船最重要的基本需求。NASA对商业载人航天项目(CCP)对安全性的要求是:飞船发射上升段和返回下降段宇航员损失比不得超过1:500,即每500次任务最多只能损失1位宇航员。考虑到最长210天的任务周期和各种太空意外,总指标是1:270。相比较而言,航天飞机项目要求1:90(实际2/135),俄罗斯联盟号飞船要求是1:110(实际1/87)。

动图:此前SpaceX已经通过“炸掉一枚”火箭的方式测试了龙2载人飞船在最大动压点附近的极限逃逸能力(图源:SpaceX

b.强逃逸能力

传统载人飞船发射必须携带昂贵的逃逸塔,负责发射前和发射后两分钟左右的宇航员安全,发射过程中会被抛掉。而龙-2飞船自带8台逃逸用SuperDraco超强发动机,由激光3D打印铁铬镍材料制造而来,能力强大,且可重复使用,能够提供的安全保护周期更长。事实证明,它不仅顺利通过了数千个小时的各类测试,且静态逃逸能力、发射时最大动压点附近逃逸能力都非常出众。

c.可复用能力

龙2载人飞船自带可复用逃逸系统,且自身设计不需要额外的整流罩(猎鹰9号整流罩造价在500万美元级别),返回地球时至关重要的隔热罩采用模块化设计可方便更换,海面溅落式回收对飞船的硬冲击也很小,本身的设计也是围绕可回收进行。如果再考虑火箭,一次龙2飞船载人任务的全系统可回收复用能力极高。

龙2载人飞船细节图,可以看到它并没有传统太阳能帆板(图源:SpaceX

d.强大载人能力

龙2载人飞船的内部加压空间有9.3立方米,集中在一个舱段里,非加压货运舱段也有12.1立方米。不仅最多可以搭载7名宇航员,也可以搭载较多货物,尤其是任务结束时的货物下行运输能力。相比而言,美国早期的水星计划、双子座、阿波罗飞船只能载1-3位,NASA新一代在研的猎户座飞船只能载3-6位。本次龙2载人飞船依然属于测试阶段,因而只载2人。龙2载人飞船内部是一个科幻感十足的布局,空间并不拥挤,体验也很好。

龙2载人飞船(左)与实际发射的联盟飞船(右)对比,龙-2飞船有分离的货物区,7名宇航员即便全副武装准备发射,内部空间也要宽敞许多(图源:NASA

e.新科技的广泛运用

龙2载人飞船运用了一系列新技术,它的能量供应依然主要采用服务舱外壳上贴折叠式太阳能电池片的方式,整体更加集约高效,不存在巨大的太阳能帆板。它的控制系统采用触屏化、智能化,传统控制面板仅作备份,对于宇航员非常友好。龙2载人飞船也能够实现自动对接国际空间站,并不需要机械臂的帮助。在突发失压甚至真空状态,飞船的设计依然能够让整体正常运行。

此外,SpaceX还设计了更先进的宇航员舱内服,能够保障宇航员在这种紧急情况下的生存,提高安全性。它的最大过载设计仅3倍重力,甚至低于一些游乐场的大型游乐设施,对普通人都很友好。

联盟飞船(左)与龙2飞船(右)的操作界面也完全不同(图源:NASA

f.成本较“低”

龙2载人飞船的成功,对NASA也有着举足轻重的意义,预计一次龙2载人任务的报价预计仅在1.6亿美元级别,单座位报价远低于俄罗斯和美国新一代飞船。曾经烧钱维持国际空间站载人航天发展的局面将得到一定改善,可节约一部分资金,支持更多商业航天势力发展,也为下一步着重从事的深空探测储蓄力量。

同时,随着世界三大载人航天大国进入新一代载人飞船同台竞技阶段,目前仅有美国和中国实现了共计三型飞船实际入轨测试,SpaceX的龙2飞船、波音的星际客机(并未完全成功)和中国新载人飞船。但随着龙2飞船实际载人任务的成功,美国在这一领域再次保持领先优势。不过需要说明的是,目前的龙2飞船主要定位于近地空间载人任务,和能够进一步执行深空载人任务的中美俄新一代主力载人飞船还是有一定技术差距的。

目前世界主流现役和待服役载人飞船对比(图源:Memorian-QN

在这次任务前后,SpaceX不仅全程在各种社交媒体实时更新进展,还设计了可以体验飞船与空间站交会对接技术的互动游戏。发射期间,两位宇航员还首次乘坐了和SpaceX同一老板(伊隆·马斯克)的特斯拉小汽车前往发射架,做了一个大大的广告。除了直播火箭发射全程吸引亿万观众之外,观众也可以通过独特的VR虚拟现实体验技术,“走入”发射场,自由切换视角,体验近距离接触火箭的震撼。商业航天展现出的强大科普和公众影响能力也着实让人意外,值得学习。

宇航员将首次乘坐小汽车前往发射塔,而非NASA传统的小巴,这辆车的车牌号叫做ISSBND(International Space Station Bound):前往国际空间站。正如猎鹰重型火箭首次发射载荷是一辆小汽车一样,这也是特斯拉一次大大的广告

对于拥有航天梦的普通人而言这也意义重大。我们能收获到更多日新月异的载人航天技术反馈,更重要的是,随着商业力量逐渐降低载人航天的准入门槛,或许航天也将成为人类未来出行的一个重大选项,甚至直达下一站,火星!

出品:科普中国

制作:太空精酿

监制:中国科学院计算机网络信息中心

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