SpaceX載人航天任務取得圓滿成功,馬斯克給我們帶來了哪些啟示?

2020-12-05 我為科技狂Tech

現年才48歲的伊隆·馬斯克,已經是一個頗具傳奇色彩的人物。大學畢業後,馬斯克就迫不及待開始了創業。雖然迫不及待,但他並不盲目。在他上大學時,他就認準了三個行業——網際網路、可再生能源和太空探索。到2002年5月,馬斯克又創立了一家新公司——太空探索技術公司SpaceX。在他看來,太空行業是可以為整個人類謀福祉的終極領域。而他創辦SpaceX的使命其實很簡單,讓人類登上火星;他的終極目標便是,讓人類移民火星成為可能。當然,毫無疑問的是,此後SpaceX公司在商業航天領域之所以接連取得了不起的成功,並不能完全歸功於馬斯克一個人。

當地時間 5 月 30 號下午 3 點 22 分,北京時間 5 月 31 日凌晨 3 點 22 分,由SpaceX負責執行的載人航天發射任務在甘迺迪航天中心圓滿完成,獵鷹 9號火箭成功將載人龍飛船以及參與此次飛行的兩名太空人鮑勃·貝肯(Bob Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley)平安送上了太空。而SpaceX首次載人發射取得成功,則意味著,在俄羅斯、美國和中國之後,全球載人航天終於迎來了第四位玩家,而且是一位極其特別的玩家,因為SpaceX只是一家私營公司。此次發射任務取得成功,不僅標誌著美國載人航天能力得以恢復,也標誌著人類載人航天一個嶄新時代開始:一個商業航天公司成為第四位玩家,它獨立並全面掌握了載人航天最重要的運載火箭、貨運飛船和載人飛船等環節。

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只此一家別無分號,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」。

一,風格獨特且化繁為簡

載人龍飛船在設計上分為加壓艙(返回艙)和非加壓艙,為儘可能復用飛船設備,載人龍大部分設備集中在加壓艙內,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,飛船受限於美國航天局NASA對落水衝擊的限制,目前默認設置有4個座位,後排可增設3個座位,亦即最多承載7名太空人,遠多於聯盟飛船的3人,與太空梭和波音的星際線(Starliner)飛船一致。

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,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。

與傳統飛船在設計上截然不同,載人龍飛船的人機互動界面採用了大尺寸觸控屏幕,屏幕上所顯示的內容可以自由切換,因此3塊屏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,一直都是超大觸控屏幕設計。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屏幕上,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。然而,看似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,比如艙內航天服的設計。

眾所周知,航天服主要分為兩種,一種是艙內航天服,一種是艙外航天服。艙內航天服是在載人飛船和太空梭內穿著使用,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。

與傳統航天服不同,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,艙內航天服還選用了定製化的3D列印頭盔,可以定製化設計,內置麥克風,航天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。所有航天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。為了適應觸控界面,航天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,從而保證太空人生命安全。

除了上述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,且貫徹了公司一直堅持的復用理念,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。

載人龍飛船幹質量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,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。除此之外,其他參數如下:

承載人數:默認4人、最大7人,

自持能力:自行飛行7天、對接狀態下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,真空比衝300秒

逃逸系統:推式逃逸,8臺超級天龍座(Super Draco)逃逸發動機,單臺推力71000牛,海平面比衝235秒,兩臺為一組,安裝在鋁製包容殼內

推進劑組合:四氧化二氮/甲基肼雙組元推進劑,冗餘設計,最大加注量2.2噸,1.36噸四氧化二氮,0.85噸甲基肼

環控生保系統:溼度控制、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

艙內航天服:SpaceX自研的專用艙內航天服

但是對於NASA來說,這些都不是他們所關注的,NASA只是想盡一切辦法讓飛船儘快投入運營,向國際空間站運送太空人。因為美國失去載人航天能力已有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。

二,製造兩個空窗期的太空梭

2011年太空梭退役時,美國並沒有其他載人太空飛行器,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梭亟需替換,不能再用的無奈之舉,而非NASA所願。

眾所周知,1986年1月,挑戰者號太空梭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,哥倫比亞號太空梭在再入大氣層過程中解體,又是7名太空人遇難。

兩次事故沉重的不僅使美國失去了兩架太空梭和14名太空人,更重擊了民眾對太空梭安全性的信心,加之太空梭本身發射報價昂貴,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太空梭退役。由於美國將中國排斥在國際空間站之外,自此俄羅斯便在事實上壟斷了國際空間站的人員運輸。然而俄羅斯自太空梭退役起,便不停抬高聯盟號飛船座位的銷售價格。

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。

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,沒錯,波音報價是9000萬美元一個座位。

三,最意外的中標者

其實早在太空梭退役之前,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、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年的太空梭,擺脫俄羅斯聯盟飛船近乎「訛詐」的高昂船票,整個項目名為商業載人航天計劃(Commercial Crew Program)。

與阿波羅計劃和航天飛船時期不同,商業載人航天計劃中飛船的歸屬權屬於研發企業本身,藉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航天任務,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「裡程碑」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),除此之外儘量減少對企業研發思路和飛船設計的幹擾,也不限定所使用的載人火箭,只提出可靠性要求。

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(後改名為星際線),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。

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」,而載人航天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,無異於痴人說夢。彼時國內網絡也一時間充斥的同樣的論調,唱衰SpaceX和私營航天的聲音不絕於耳。

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。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。2019年3月2日,SpaceX從甘迺迪航天中心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。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。事實上,載人龍飛船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。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,進度拖沓,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。

(本文綜合自航天愛好者、科普中國、三體引力波、DEEPTECH深科技等媒體)

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