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刚刚,马斯克改写人类航天史!SpaceX实现全球首次商业载人发射
  • 刚刚,马斯克改写人类航天史!SpaceX实现全球首次商业载人发射

    Innov100
    2020-06-01 16:21:21
  • “GO NASA,GO SpaceX!”马斯克带领下的 SpaceX 再度迎来高光时刻,正式开启全球商业载人航天的全新时代,人类航天史正在被改写!

    

    图 | 火箭点火升空!

    北京时间 5 月 31 日凌晨 3:23 ,SpaceX 最新的载人龙飞船在美国肯尼迪航天中心 39A 发射台成功发射,在全球观众的注视下,载着两名宇航员还有一只恐龙玩偶前往国际空间站。

    在今天任务进行前,此次发射已经因为天气原因推迟了一次。在历史性的载人发射任务面前,SpaceX 和 NASA 都无比谨慎。而在今天的发射前数个小时,NASA 官方依然表示仅有 50%的概率能够按时发射。

    

    点火升空约 2分半后,一级火箭分离。9 分半钟后,一级火箭成功降落在海上平台,成功实现回收。到了第 12 分钟,载人龙飞船按计划与火箭二级分离,至此,历史性的商业载人任务在发射阶段一切顺利。

    

    图 | 一级火箭成功回收

    载人龙飞船在与二级火箭分离之后,就是一段依靠自身动力不断调整轨道高度,在绕着地球飞的同时,不断“追赶”国际空间站的过程。

    相对于很多卫星来说,国际空间站轨道高度不高,平均约为 400 公里,按照 SpaceX 的飞行计划,龙飞船将在飞行约 19 个小时后与空间站相会。这是一个几乎全自动的过程。也只有当飞船与空间站成功对接,以及在 1-3 个月后完好地返回地球,此次任务才能算是最终完成。

    向来自信满满、怼天怼地的马斯克在发射前的采访里说“如果成功了, 那是 NASA 和 SpaceX 的功劳,如果失败了,那就是我的问题。”“火箭发射可能有无数种失败的方式,但成功的方式只有一种。”

    载人航天可以说是航天领域难度最高的任务。如今,SpaceX 正式成为首个掌握载人飞船和发射能力的私营公司。要知道,在此之前,有能力进行载人发射的仅有苏联/俄罗斯、美国和中国,这其中无一例外都是以国家力量在推动。

    将人类送出地球,在商业航天史上取得这一成就的公司,唯 SpaceX 一家;能改写这一历史的人,唯马斯克一人。

    

    图 | 鲍勃·本肯(左)和道格·赫尔利(右)(来源:SpaceX)

    执行此次飞行任务的是两名资深宇航员鲍勃·本肯 (Bob Behnken)、道格·赫尔利 (Doug Hurley),两人在过去都是开过航天飞机的人。在这个可以装在 7 人的飞船里,显得空间非常宽敞。

    

    图 | 宇航员 3 号——小恐龙安全带已绑好,飞行准备就绪!

    跟着飞船上空间站的还不止两个宇航员,在一旁的座位上,一个小小的恐龙玩偶也有幸参与到了飞行任务中,安静地占有了一个宇航员的座位,乖乖地绑好了安全带,把此次载人飞行妥妥地安排成“载龙飞行”。

    在任务圆满成功的情况下,SpaceX 载人龙飞船将在下一次飞行任务中将 4 个宇航员送上空间站。

    载人航天:马斯克又引领了一个领域

    航天飞机时代落幕之后,美国已经近 10 年没有载人发射能力。今天 SpaceX 的发射将美国重新带回载人发射国家的行列。

    美国的宇航员终于可以不用坐着俄罗斯的飞船上下班了。

    在今天发射前,NASA 放出了此前阿波罗任务、航天飞机的发射视频,而 SpaceX 载人飞船出现在视频结尾,意味着接过美国载人航天的大旗。

    2011 年 7 月 21 日,亚特兰蒂斯号航天飞机安全着陆,结束了 30 年美国航天飞机服役的历史。此后,俄罗斯的联盟号载人飞船成为了空间站的唯一“访客”。但这一研制于 1960 年代的飞船,内部空间简陋而狭小,载人数量和舒适度都很有限。

    

    图 | 亚特兰蒂斯号降落,上演航天飞机绝唱(来源:NASA)

    目前,中美俄三国都在开发新一代的载人飞船,其中大空间、可重复是基本的追求。其中,中国的新一代载人飞船、SpaceX 的载人龙飞船、波音的 Starliner 最多载人数量都提升到了 7 位。空间大了,内部设备也更加现代化了,连触摸屏都用上了。

    此次发射也是全球范围内,新一代载人飞船首次正式投入使用,对宇航员和太空游客来说,可以更舒服地来往空间站了。

    除了超大的内部空间,龙飞船还有一项颠覆性设计,就是抛弃了主流的逃逸塔,而是让飞船本身兼具自主逃生的功能。这样设计有什么道理呢?这背后,寄托着马斯克的重要梦想:可重复,可重复,可重复。

    

    图 | 联盟号内部空间

    

    图 | SpaceX 载人龙飞船内部空间

    

    图 | 通过触屏完成多数操作,这才是属于 21 世纪的设计

    

    图 | 航天飞机内部图,宇航员表示熟悉了航天飞机的操作之后,甚至有些不适应龙飞船内简洁、现代的设计和控制方式

    在过去载人发射任务中,各国的火箭均配备了逃逸塔,这个尖尖的逃逸塔就像一个小型火箭一样,接在火箭的最顶端。

    在发射阶段出现意外时,逃逸塔上部的发动机能迅速启动,带着宇航员逃离事故现场,并最终通过伞降的方式回到地面。如果飞船上升到一定高度后出现险情,飞船就可以利用自身的变轨发动机来撤离,因此,逃逸塔通常在发射约 2 分钟左右被抛离,以减轻整体重量。

    实际上,在人类航天史上,逃逸塔被使用的次数屈指可数,只有一次真正发挥了作用。但在安全至上的诉求下,它又是载人航天任务的标配,于是,不得不在每次发射中都丢掉一个逃逸塔。

    与此同时,过去使用的载人飞船,包括上面的返回舱、轨道舱都是一次性的。于是,已经实现火箭重复使用的 SpaceX,又打起了载人飞船的主意,如果实现其可重复使用,这将大幅降低载人发射的成本。

    要实现重复使用,载人龙飞船第一步就是舍弃逃逸塔,在飞船四周配备了 8 台 SuperDraco 发动机,实现了“自带逃逸系统”,在逃逸时可以随时启动。

    其中每台 SuperDraco 发动机都可产生 1 万 5 千磅的推力。8 台 SuperDraco 同时点火产生的推力,可在 1.2 秒内将飞船从 0 加速至 100 英里/小时,最高速度可达到 345 英里/小时。

    

    图 | 飞行终止测试效果图

    与此同时,载人龙飞船配备了可更换隔热罩。其他飞船在返程进入大气层时,必须借助隔热罩摩擦减速和烧蚀降温,导致飞船无法重新使用;而载人龙飞船则重新设计了飞船隔热罩,实现了模块化更换,为飞船重复使用打下基础。

    此外,为了降低成本,载人龙飞船还通过材料技术上的突破,让飞船自己在大气中飞行时具备足够的保护能力,摆脱了对整流罩的依赖。

    不过,这种追求低成本的大胆设计,同样会带来可靠性问题。

    原因是逃逸发动机和推进剂贮箱就安装在宇航员的加压舱周围,由于逃逸发动机贴近宇航员座位,发动机或是推进剂万一出现异常,就可能直接把整个飞船给炸了。

    

    图 | 载人龙飞船

    趋于保守的 NASA 对此方案并未完全信任,要求 SpaceX 以及同样采用了类似方案的波音进行更加严格的测试。

    直到现在,虽然飞船已经展现出多次飞行的能力,但 NASA 仍然要求在执行载人任务时,飞船必须是崭新的一手货,但用过之后的二手飞船可以留着以后给空间站送货。

    那个抽大麻的家伙打败了波音

    今日的成功,将马斯克和 SpaceX 在航天领域的影响力推至高点;与此同时,这也讲述了一段“干儿子”打败“亲儿子”的励志传奇。

    作为一家私营航天公司,SpaceX 在 2003 年成立之后,就面对着巨头环伺的险恶环境。在美国的航天任务中,包括波音、洛克希德·马丁等几个巨头公司都是其中的主力选手,NASA 总能在各种项目中砸下巨资,用补贴或者数十亿大订单把这些公司养好,保持顶尖技术实力。这让他们被称为 NASA 的“亲儿子”。

    

    图|波音和 SpaceX 载人飞船效果图(来源:NASA)

    这些“亲生”公司不只是航天任务的供应商,也代表了美国航天技术的上限水平,因此就算是烧钱,NASA 也要一直养着。

    当然,NASA 对 SpaceX 也不差,订单不断,甚至在 SpaceX 最危机的时刻,还出手挽救了马斯克。但总体来讲,SpaceX 获得的支持力度和几个“亲儿子”没法比。

    时间窗口在 2010 年打开。

    在 NASA 的规划中,除了需要重新发展本国的载人航天能力,未来包括空间站在内的近地空间需要逐渐向商业让位。空间站和往返空间站的运载火箭由商业公司承接,NASA 则专注在月球、火星等更远的深空探索。

    为此,NASA 在 2010 年启动了“商业乘员开发”(CCDev)计划,资助数家公司开发载人飞船,SpaceX 入围。一开始,SpaceX 怎么看都像是个陪跑者,而波音则是毫无疑问的种子选手。

    在这项计划的前几年中,业界看法空前一致,波音不会输。而 SpaceX 则被不少人看作只是马斯克的幼稚幻想,SpaceX 的火箭也被批评为“橡皮筋+密封蜡的成品”,能不能飞起来都是个问题。NASA 指望它能扛起载人航天的大旗?这太幼稚了。

    然而,“天真”的马斯克和稚嫩的 SpaceX 就是在这样的质疑和嘲笑下,开始了载人飞船的研制工作。

    

    图|NASA 向波音拨款超过 49 亿美元

    惯例依然在起作用,波音每一次获得 NASA 的补助和合同金额都远大于 SpaceX。从计划开始到如今正式载人发射,NASA 在这一计划中撒下近 84 亿美元,超过 49 亿美元进了波音的口袋;相比之下,SpaceX 获得的资助金额要少得多,约 31 亿美元。

    马斯克也受了刺激,在推特上大呼:这太不公平了。波音做着和 SpaceX 一样的事情,却拿了更多的钱。

    如今到了交考卷时刻,两家的差距还是相当大,不过,SpaceX 已经变成领跑者。

    虽然两家都有不同程度的延期,SpaceX 在 2019 年 3 月就进行了载人飞船的无人首飞,奠定了此次正式载人任务的基础。

    根据《华盛顿邮报》的一则报道,一位波音高管对 SpaceX 赢下这场太空竞赛显然不能接受,“这个抽大麻的家伙怎么能打败我们?”(2018 年 9 月,马斯克曾在一档电台节目上直播抽大麻。)

    

    相比之下,“亲儿子”波音载人飞船的表现就让 NASA 有点尴尬了,2019 年底,波音经过数次推迟终于把新的载人飞船 Starliner 放到了发射架上,开始首次无人测试飞行。

    但这酝酿快十年的飞船,第一发居然就打“飞”了。运载火箭将飞船送上预定高度后船箭正常分离。但 Starliner 飞船在后续利用自身发动机点火的过程中出现意外,没能进入预定轨道。

    

    图|波音和 SpaceX 载人飞船对比

    进度慢就算了,波音还很贵。

    从一份美方报告可知:SpaceX 载人龙飞船的报价为每个座位 5500 万美元。那波音呢?船票每人 9000 万美元,比 SpaceX 贵了 60% 以上。甚至,这比俄罗斯近年来每人 8000 多万美元的报价还贵。

    

    图 | 联盟号上座位的单价(来源:NASA Office of Inspector General)

    原本商业航天应该是通过商业运营的方式,最终达到降低成本、价格的效果,而波音看起来做的很差。

    当初,NASA 为了增加竞争的趣味性和象征意义,宣布第一个将宇航员送上国际空间站的公司,将会得到一份珍贵大礼——一面美国国旗。这可是最后一次航天飞机任务中留下来的,极具纪念价值。

    显然,这面旗帜已是马斯克的囊中之物。

    NASA 经验和硅谷思维的碰撞

    载人航天可以说是航天领域的“圣杯”。此前从来没有一个商业航天公司具备载人飞行能力,直到马斯克的出现。但要 NASA 放心地将宇航员交给私营公司,绝非易事。

    在大约 15 年前,NASA 开始尝试让商业航天公司开发能够往返国际空间站、执行运输任务的飞船。

    时任 NASA 局长迈克 · 格里芬提出用 5 亿美元作为种子资金,资助企业开发私人制造的航天器。那时还是航天飞机时代,平均每次发射的成本都超过 5 亿美元。所以拿出这笔钱资助包括 SpaceX 在内的私营企业,这是 NASA 下的一个小赌注,也是一个起点。

    

    当时,NASA 这种国字号机构很难真正相信商业航天公司。尤其 SpaceX 从 2006 年起,连续 3 年火箭发射全部以失败告终。而马斯克的形象,也不过是一个自大且易怒的企业家,这让不少人心存疑虑。

    NASA 是一个庞大的官僚机构,习惯于按照自己的方式行事,他们凭借资金和航天经验,可以告诉承包商应该如何做事。相比之下,SpaceX 拥有更接近于硅谷的思维模式,较少受到历史包袱和过时经验的束缚。

    这其中有一个很鲜明的例子。多年前,NASA 的传奇飞控指挥官吉恩克·兰兹(Gene Kranz)把他的回忆录定名为《失败不是一个选项》(“Failure Is Not an Option”),以纪念从水星计划到阿波罗计划期间他在任务控制中心的日子。更重要的是,在“Failure Is Not an Option”这种思维方式指引下,他和团队还成功地把阿波罗 13 号带回了家。这种思维在航天界近乎信仰。

    然而,作为混迹硅谷多年的连续创业者,马斯克却对这种思维方式嗤之以鼻,早在 2005 年与 NASA 签订第一份合同之前,他就明确表达了自己对这种精神的蔑视:“这是一种愚蠢的想法,认为 NASA 不会选择失败。在我看来,失败就是一种选择,如果没有失败,就说明你的创新不够。”

    随着 SpaceX 和特斯拉近年来发展迅猛,马斯克的这句话也广为流传。

    

    好在 SpaceX 的成绩单也足够优秀,马斯克才没有成为笑柄。最关键的莫过于猎鹰 9 火箭的横空出世,直接改变了航天游戏的玩法。除了到目前依旧是全球唯一实现了重复使用的火箭,猎鹰 9 也是全球范围内可靠性最好的火箭之一。加上今天的载人发射,猎鹰 9 这款火箭已经执行了 85 次飞行任务,只有两次失败,其中一次是在地面上发生爆炸。在最近 3 年多时间里,猎鹰 9 已经 60 次发射全部成功。

    不过,面对性命攸关的载人航天来说,“Failure Is Not an Option”的精神依然值得重新回味,毕竟 NASA 的主要目标是让它的宇航员安全地进出国际空间站。

    实际上,随着 NASA 和 SpaceX 在商业载人方面的合作,双方的文化碰撞并融合在一起。

    在双方磨合的过程中,NASA 能够为 SpaceX 做的事情之一,就是把它的一些操作经验,以及对安全的重视带到开发商业载人飞船的过程中。而 SpaceX 对此也颇为接受。

    

    图 | 猎鹰 9 火箭印上经典 NASA 标志

    “他们的督促让我们可以脚踏实地,”SpaceX 制造和飞行可靠性副总裁汉斯·科尼格斯曼(Hans Koenigsmann)说到,“我们有时会发生有关设计制造方面的冲突,然而,最终的结果还是将安全作为了首要考虑的事情。”

    执行此次飞行任务的两名宇航员道格·赫尔利和鲍勃·贝肯,此前甚至会每周都代表 NASA 前往 SpaceX 的总部探讨进度。在赫尔利看来,双方当然有文化的差异和成长的烦恼,但令人惊讶的是,从某种意义上来说,这两个组织可能并没有做出改变,而是相互适应,各个子系统的总体都做的非常成功。

    在这一来一往之间,我们也似乎从 SpaceX 的身上看到了曾经 NASA 的影子。“在某些方面,SpaceX 可能会更类似于 NASA 在 20 世纪 60 年代的做法,当时我们正准备登月,”赫尔利说,“当时的 NASA 要年轻得多,员工大多在 20 多岁。而现在 SpaceX 的员工平均年龄是 29 岁,他们就像 20 世纪 60 年代的 NASA 一样,面对太空正摩拳擦掌、跃跃欲试。”

    终于,年轻的 SpaceX 再一次翻开了人类航天历史的新篇章。

    来源:DeepTech深科技

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