潛望|十年磨一劍 美國載人航天事業開啟新篇章

2021-01-09 騰訊網

SpaceX載人龍飛船的成功發射,標誌著該公司成為歷史上首個成功將人類送上太空的私營公司,該事件也是美國載人航天走出陰霾,獲得新生的一次裡程碑。

騰訊新聞《潛望》紀振宇 5月30日發自矽谷

幾天前因天氣原因推遲後,Space X獵鷹9號火箭30日再度試射並成功將兩名太空人送入太空。如果接下來一切順利,他們將接駁國際空間站,並開始接下來持續數月的太空任務。

在這一成功發射的背後,是美國載人航天從過去暗淡的10年中逐漸走出,並試圖重啟的艱難歷程。2003年,美國哥倫比亞號航天飛船失事,造成7名太空人喪生,該事件令美國載人航天事業陷入最低谷。2011年,美國載人航天項目全面停止,接下來近10年間,美國不得不依賴俄羅斯的火箭,將自己的太空人送上國際空間站。

但就在面對重大航天事故和外界嚴厲抨擊指責的同時,美國政府開始痛定思痛,醞釀新一輪航天計劃。在2011年,也就是之前的載人航天項目正式取消的同一年,美國「商業宇航計劃」應運而生,該計劃的核心是:隸屬於美國聯邦政府的美國宇航局與私營部門展開合作,探索新的從事載人航天的方案。

在這一全新計劃下,美國宇航局的角色發生根本性轉變,從一切由自己來變成提供資金的贊助方,通過內部競爭機制,選擇最優越的合作夥伴,波音和SpaceX便是在這一過程中脫穎而出的私營公司。

SpaceX載人龍飛船的成功發射,標誌著該公司成為歷史上首個成功將人類送上太空的私營公司,該事件也是美國載人航天走出陰霾,獲得新生的一次裡程碑。與此同時,SpaceX作為過去10年中最為成功、對行業產生重大顛覆影響的私營太空公司,其向地球以外空間的更深處不斷探索的步伐仍將繼續。

哥倫比亞號事故與美國政府的痛定思痛

在SpaceX載人航天項目進行之前,美國的第四次載人航天項目—太空穿梭計劃(Space Shuttle Program)起始於1981年,終止於2011年,在這30年間,該項目在太空探索、國際空間站建設、衛星建設等方面獲得了許多成就,但由於兩次嚴重事故,導致14名太空人喪生,使得美國政府重新調整載人航天項目,並在2011年正式終止。

時至今日,2003年的那一場哥倫比亞號航天飛船事故依然讓許多人記憶猶新,在那次事故中,由於火箭發射過程中,部分隔熱泡沫脫落,擊中機身複合材料板,造成了一個直徑15釐米至25釐米的洞,導致高溫氣體在哥倫比亞號再次回歸大氣層時進入機翼,最終,飛船上的7名太空人在回歸地球的過程中全部不幸遇難。

這起重大事故發生後,美國載人航天計劃立即宣布暫停,原先計劃中的國際空間站的建設規劃也被無限期推遲,此後,美國再無從美國本土發射的載人火箭,只是通過俄羅斯的載人航天項目,將部分太空人送入國際空間站從事相關的空間站建設和太空探索、科研調查等工作。2011年,美國第四輪載人航天項目正式宣告終結,該項目的總預算高達1960億美元。

內部賽馬機制

在項目終結的同時,美國宇航局的航天項目也飽受批評,其中受到最多詬病的是由於項目在設計、管理、安全等方面的一系列問題,導致項目最終的投入已經遠遠超出此前的預算。

按照2011年的有關數據顯示,美國宇航局太空梭每次執行飛行任務的總費用高達4.5億美元,按照到達近地軌道的成本來計算,約每運載一千克需每1.8萬美元。與此相比,俄羅斯當時依然基於1965年設計規劃的運載火箭,每次執飛成本僅為1.1億美元,每運送1千克至近地軌道僅需5000美元。

事實上,如果將火箭的設計、維護成本也考慮在內,美國宇航局平均每次太空飛行任務的花費更是高達驚人的15億美元,或每運送1千克至近地軌道需6萬美元。

為了應對這一尷尬局面,同時擺脫載人航天對俄羅斯項目的依賴,一項新的計劃,開始在美國宇航局內部醞釀,而這一計劃的核心,便是與私營部門的合作。

2011年,就在美國第4代載人航天計劃宣布退出的同一年,一項被稱為「商業宇航計劃」(Commercial Crew Program)正式出爐,該計劃主要目的是向國際空間站輸送航天員執行太空任務。

根據美國宇航局2010年授權法案,商業宇航計劃下的發展計劃在未來3年獲得13億美元的撥款,該計劃主要是為了挑選宇航局合適的合作夥伴而引入的「內部賽馬機制」。

在該項目中,亞馬遜創始人貝索斯所創辦的藍色起源獲得2200萬美元、馬斯克的SpaceX獲得7500萬美元,Sierra Nevada獲得8000萬美元以及波音獲得9230萬美元,分別用於研發和製造各自的火箭和用於載人的太空艙系統。

該項目在進入到第3輪後,儘管藍色起源在前兩輪均有所勝出,但該公司宣布不再參加第3輪的角逐,而完全依賴於其創始人貝索斯的個人注資進行隨後的研發製造工作。

最終,SpaceX的龍飛船與波音公司的Starliner脫穎而出,分別獲得26億美元和42億美元的撥款,在這一決定做出後,競爭中落敗的一方,Sierra Nevada公司向美國政府撥款計劃辦公室提出抗議,稱在挑選過程中存在嚴重的問題,但最終美國聯邦法院否決了該公司對此提出的異議。

在獲得政府的巨額撥款後,波音和SpaceX正式成為美國宇航局「商業宇航計劃」的合作夥伴,他們講共同承擔未來將太空人運送至國際空間站的重任。最初計劃在2017年進行首次載人飛行,但由於一系列的設計、測試和運行方面所遇到的問題,最終發射時間被推遲至2020年和2021年進行。

21世紀的火箭設計

由於距離上一次美國載人太空梭發射升空已經近10年之久,當身著SpaceX所設計的太空衣亮相的兩名太空人出現在面前時,引來了人們的驚呼:原來21世紀的航空航天是這樣的。

馬斯克在接受採訪時表示,自己對於SpaceX的太空衣的設計親自投入了3-4年的時間,希望太空衣看起來既好看又有實用性。

「希望新的太空衣的設計,能夠讓孩子們對成為太空人感興趣。」馬斯克說。

與過去人們印象中笨重臃腫的太空衣所不同,SpaceX所設計的新型太空衣,仿佛從未來世界走出,設計語言極簡併充滿科技感。

根據美國宇航局所發布的聲明顯示,SpaceX的太空衣在腿部部位連接生命支持系統,包括氧氣和電力接口,頭盔是由3D列印技術所打造。

該太空衣的手套設計也特別考慮了能夠用於飛船艙內觸控螢幕的使用,這套太空衣僅僅用於太空人在飛船艙內升空和回收過程中穿著,進行太空行走時,需要穿著另一套由NASA所設計製造的專門用於在太空真空環境中使用,並能夠抵禦輻射的太空服。

此次執行太空飛行任務的兩名太空人,都是有著豐富航天經歷的資深太空人,對於他們來說,全新的太空衣以及全新的機艙內全觸摸控制系統,也是全新的體驗。

據這兩位太空人透露,大約在5-6年前,他們前往SpaceX總部評估各種不同的機艙內控制系統,最終選擇了全觸控螢幕的方案。

對於這兩位太空人來說,他們過去熟悉的是傳統的按鈕、旋鈕等操作界面,但觸控螢幕對他們來說適應起來並不困難。

在此次太空飛行中,兩位太空人所乘坐的太空艙最終將與國際空間站進行接駁,整個過程完全是自動化進行,但太空人可以根據情況及時介入轉而進行手動操作。

SpaceX的脫穎而出

在此次載人航天行動中,由馬斯克所創辦的SpaceX再度引來世人的廣泛關注,事實上,這家公司自2002年成立以來,在太空發射領域一直在突破過往的認知,顛覆行業格局,並創造了已經難以計數的成就。

在以「大幅降低太空旅行的成本以實現火星殖民」作為遠大目標的SpaceX公司,在2008年成功發射獵鷹1號火箭,成為首個成功實現液態推進火箭發射的私營公司,2010年,成功實現龍飛船的發射、入軌和回收,2012年,成為首個向國際空間站運送飛船的私營公司,2015年獵鷹9號火箭實現首次推進垂直降落,2017年,該型號火箭又實現首次成功回收。

(SpaceX成立以來成功發射次數)

在與NASA進行載人航天合作之前,SpaceX實際上與美國宇航局就已經開展了許多成功的合作。美國宇航局使用SpaceX的火箭,已經20次將補給品送往國際空間站。2011年,美國宇航局與SpaceX正式籤訂載人航天計劃合同,由SpaceX負責用於載人的龍飛船研發製造。2019年3月,被稱為龍飛船Demo-1的載人飛船試射成功,為今年5月底正式的載人發射打下了堅實的基礎。

SpaceX在火箭發射領域的異軍突起,對該領域帶來了空前的顛覆。在2013年以前,火箭發射市場還主要由歐洲航天局主導的Arianespace和俄羅斯主導的國際發射服務(International Launch Services)所壟斷。

但Space以低價衝擊了這一市場,當時發射至近地軌道的價格約為5650萬美元。雖然這已經是當時市場中的最低價格,但SpaceX仍不滿足於此,公開表示,如果其火箭回收技術和系統得以日益成熟和完善,發射價格能夠進一步以10倍的倍率下降,最終區間在500至700萬美元。

到了2014年,SpaceX已經在當年全球20個發射服務訂單中贏下了9個,到了2017年,SpaceX已經在全球商用發射合約中佔到了45%的市場份額,到2018年7月,份額進一步擴大至65%。

今年第一季度,SpaceX發射運送至近地軌道的貨物總重量為6.1萬公斤,同時,中國、歐洲和俄羅斯運送總重分別為2.1萬、1.6萬和1.3萬公斤。

除了商用市場外,SpaceX近年來也進入軍用發射領域,在2014年之前,美國最大的軍用發射提供方United Launch Alliance壟斷了整個市場,單次發射成本高達驚人的4億美元,與之相比,SpaceX的發射價格僅為6200萬美元。

作為一家私營公司,SpaceX通過對外融資維持研發所需的巨額投入,最近一輪融資發生在今年2月,融資額2.5億美元,目前SpaceX的估值約為360億美元。

在當天的發射任務完成後,SpaceX成為歷史上首個成功將人類送上太空的私營公司,與其更為宏偉的「火星殖民」目標相比,與美國宇航局合作完成的向國際空間站輸送太空人的任務,僅僅是實現這一目標過程中的一個裡程碑事件,不難想像,SpaceX向太空深處探索的步伐遠未終止。

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