SpaceX公司創(chuàng)造歷史！龍飛船首次載人發(fā)射成功！三個層面來解讀

騰訊太空文/喬輝北京時間5月31日凌晨3點(diǎn)22分，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）首次利用載人龍飛船把兩位宇航員送入地球軌道，目前正在追逐國際空間站，預(yù)計19個小時后，嘗試與國際空間站對接。圖注：獵鷹9火箭升空畫面圖注：發(fā)射升空時，載人龍飛船中的宇航員一級火箭成功回收，降落在大西洋中的漂浮平臺上原計劃，北京時間5月28日凌晨4點(diǎn)33分發(fā)射，但由于天氣原因推遲至北京時間5月31日發(fā)射。圖注：5月28日，發(fā)射場上空烏云密布，不得不取消發(fā)射本次發(fā)射依然采用穩(wěn)定的“獵鷹9”（Block5）運(yùn)載火箭，發(fā)射地點(diǎn)位于美國佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，發(fā)射臺是最為著名的LC-39A，該發(fā)射臺曾經(jīng)見證了阿波羅登月飛船和航天飛機(jī)的歷次重大發(fā)射，后來被SpaceX租下來，用于發(fā)射火箭。下面我們先來看看本次發(fā)射意味著什么，然后再詳細(xì)聊聊具體細(xì)節(jié)。一、本次發(fā)射的意義是什么？本次發(fā)射是NASA與SpaceX簽訂的“商業(yè)載人項(xiàng)目”（CommercialCrewProgram）的組成部分。意義至少可以從三個層面來理解：第一個層面，對于SpaceX公司來講，重要性毋庸置疑，本次發(fā)射是該公司的首次載人發(fā)射，成功就意味著拿到了商業(yè)載人航天的入場券，未來前景無可限量；第二個層面，對于美國和NASA來講，意味著自從2011年航天飛機(jī)退役以來，再次恢復(fù)載人航天能力（后面我們詳述）；第三個層面，對于整個世界商業(yè)航天來講，意味著揭開了商業(yè)載人航天的帷幕，商業(yè)航天走進(jìn)新時代。SpaceX公司和特斯拉公司創(chuàng)始人埃隆·馬斯克（ElonMusk）二、兩位宇航員來自何方？參加本次試飛的兩位宇航員是：道格拉斯G赫爾利（DouglasG.Hurley）和羅伯特L貝恩肯（RobertL.Behnken），分別出生于1966年和1970年。圖注：宇航員貝恩肯和赫爾利（右）他們都是曾經(jīng)三次進(jìn)入過太空，而且還都是執(zhí)行過航天飛機(jī)任務(wù)的老手。其中，赫爾利在太空中有超過683個小時的經(jīng)驗(yàn)，還執(zhí)行過2011年7月最后一次航天飛機(jī)任務(wù)（代號：STS-135）。貝恩肯作為航天飛機(jī)任務(wù)專家，曾先后執(zhí)行2008年的（STS-123）和2010年的（STS-130）任務(wù)，累計在太空飛行時間超過708小時，其中包括37小時的太空行走時間。對于載人航天來講，整體上看兩大件：承載宇航員的飛船和運(yùn)送飛船的火箭。俗話說，“花開兩朵，各表一枝”，我們先主要聊一聊載人龍飛船，然后再略談一下獵鷹9火箭。三、SpaceX載人龍飛船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖注：載人龍飛船內(nèi)部。以往密密麻麻的操作按鈕，已被大屏幕取代（鄰近發(fā)射，貝恩肯和赫爾利坐進(jìn)龍飛船）載人龍飛船屬于SpaceX研制的第二代龍飛船（Dragon2），具備可重復(fù)使用的能力。第二代龍飛船可分為載人龍飛船和貨運(yùn)龍飛船兩種，其前身是第一代貨運(yùn)龍飛船（Dragon1）。新飛船可以自動與空間站完成對接，而不像第一代飛船那樣，需要借助空間站上的機(jī)械臂的幫助。當(dāng)然，載人龍飛船也保留了人工對接的選項(xiàng)。圖注：地面上的載人龍飛船本次使用的載人龍飛船，直徑4米，高8.1米，最多可搭載7位宇航員（載人龍飛船NASA版本的只有4人座位），這與航天飛機(jī)搭載的宇航員數(shù)量相同，也與我國5月5日測試的“新一代載人飛船”設(shè)計上能夠搭載的宇航員數(shù)量相同。載人龍飛船的最頂端是一個能夠打開的頭錐蓋子，在發(fā)射和返回的過程中，保護(hù)飛船和對接機(jī)構(gòu)。當(dāng)飛船與空間站對接的時候，頭錐蓋子會打開，露出對接機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛船脫離空間站的時候，蓋子關(guān)閉，準(zhǔn)備返回地面。飛船主體由兩大部分組成，一個是加壓的返回艙，另一個是在返回艙下面的服務(wù)艙（這里要說明的是，SpaceX使用Trunk一詞，而不是Servicemodule，但從作用上看類似于服務(wù)艙，目前尚無統(tǒng)一的翻譯）。服務(wù)艙是非加壓的，可以搭載對氣壓不敏感的貨物。另外，服務(wù)艙外側(cè)粘貼有太陽能電池，就像穿了個太陽能板的裙子一樣，這擺脫了傳統(tǒng)的太陽能展開翼的造型。服務(wù)艙外側(cè)還有翼狀結(jié)構(gòu)，能夠?yàn)轱w船在逃逸過程中提供氣動穩(wěn)定性。四、載人龍飛船具備全程逃逸能力載人龍飛船集成有8個推力強(qiáng)大的“超級天龍座”火箭，火箭兩兩分組，安裝在飛船的側(cè)壁，作為逃生使用，每個發(fā)動機(jī)的推力可達(dá)71千牛，換算成大家有直觀感覺的表示方式就是相當(dāng)于7.1噸的推力。此外，還裝有16個推力相對較小的“天龍座”發(fā)動機(jī)噴口，用于姿態(tài)控制和軌道機(jī)動。圖注：載人龍飛船“飛行中止測試”試驗(yàn)（示意圖）熟悉載人航天的朋友，可能會留意到，無論是阿波羅登月火箭，還是我國的長征2F載人運(yùn)載火箭，在火箭頂部都有個逃逸塔。圖注：阿波羅飛船的“逃逸塔”逃逸塔的作用就是在火箭發(fā)射起始階段，如果發(fā)生意外，可以啟動逃逸塔火箭，把飛船帶離到安全的高度，然后著陸。如果發(fā)射一切順利，等火箭飛到一定的高度，逃逸塔會分離，然后丟棄。而載人版龍飛船相當(dāng)于把逃逸塔集成在船身上，這樣做有什么好處呢？如果要對比逃逸塔和這種新型的逃逸方式的區(qū)別，那可能需要一篇文章來系統(tǒng)介紹，這里我們只把最關(guān)鍵的地方說一下：這種方式能夠使飛船具備“全程逃逸”的能力！也就是說，在飛船飛行的任何階段出問題，都具備逃生能力，而逃逸塔只能保證火箭發(fā)射初始階段的逃生。這也是未來載人飛船逃逸的新方式。圖注：2020年1月19日，SpaceX成功進(jìn)行了“飛行中止測試”試驗(yàn)2020年1月19日，SpaceX成功進(jìn)行了“飛行中止測試”試驗(yàn)。當(dāng)獵鷹9火箭升空84秒左右，飛行高度19公里，速度大約2.3馬赫時，火箭頂部的飛船啟動自身的8臺逃逸發(fā)動機(jī)，把飛船推離火箭。隨后，火箭在強(qiáng)大的氣動壓力下發(fā)生解體爆炸，墜入大西洋中。到目前為止，SpaceX共制造了四艘龍飛船，第一艘用于懸浮測試，目前已退役；第二艘用于2019年首次載人版飛船的無人測試發(fā)射（Demo-1），但在后來的地面測試中發(fā)生爆炸毀掉；第三艘用于2020年1月份的“飛行中止測試”當(dāng)中，目前已退役；第四艘就是本次發(fā)射的主角兒。五、成功率100%的獵鷹9（Block5）火箭我們知道，SpaceX以可回收火箭名揚(yáng)天下，但這次使用的是全新的獵鷹9（Block5）火箭，畢竟是首次載人發(fā)射，使用二手火箭風(fēng)險還是相對較高。一級的代號為B1058.1，小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)字代表使用次數(shù)，1表示第一次使用。本次發(fā)射，一級火箭將回收，降落在海洋中的浮動平臺上。值得一提的是，截止到本次發(fā)射之前，獵鷹9（Block5）已經(jīng)發(fā)射了28次，全部獲得成功。獵鷹9（Block5）是兩級運(yùn)載火箭，高度70米，以液氧和煤油為推進(jìn)劑，芯一級火箭裝配有9臺梅林發(fā)動機(jī)，總推力7600千牛，相當(dāng)于760噸。在回收一級的情況下，近地軌道的運(yùn)載能力為15.6噸，不回收一級的情況下，近地軌道運(yùn)載能力為22.8噸，算是一款中型運(yùn)載火箭。通過上面的分析，我們可以看出，SpaceX和NASA之所以敢于本次載人發(fā)射，是因?yàn)閾碛?00%發(fā)射成功記錄的獵鷹9（Block5）火箭，擁有具有全程逃逸能力的載人龍飛船以及兩位經(jīng)驗(yàn)豐富的宇航員等。六、載人龍飛船在太空停留多久？如何返回？圖注：這是2019年首次載人版飛船的無人測試，成功返回時的情景載人龍飛船與國際空間站對接后，宇航員通過對接通道進(jìn)入空間站，在那里執(zhí)行預(yù)定的科學(xué)任務(wù)。具體返回日期，目前官方并沒有明確的說法，只是說不會晚于9月23日。載人龍飛船返回時，首先丟掉服務(wù)艙，然后借助盾形的防熱罩減速，到達(dá)一定高度后，再展開降落傘完成最終剎車，最后濺落在大西洋海域。七、為什么美國急切恢復(fù)載人航天能力？眾所周知，美國在1969年就完成了人類首次登月，代表人類踏上了另一顆星球。阿波羅期間，總共完成7次載人登月發(fā)射，其中6次成功把12名宇航員送到月球。唯一的阿波羅13號雖然沒有成功，但3名宇航員毫發(fā)無損返回地球。圖注：1986年挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)升空后爆炸圖注：2003年哥倫比亞號航天飛機(jī)空中解體（藝術(shù)圖）1981年，美國又成功發(fā)射了第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞”號，一次就能把7名宇航員送上近地軌道。美國總共建造了5架航天飛機(jī)，強(qiáng)大的運(yùn)輸能力為建設(shè)國際空間站立下了汗馬功勞！但遺憾的是，挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)和哥倫比亞號航天飛機(jī)分別在發(fā)射和返回時發(fā)生了事故，導(dǎo)致總共14名宇航員罹難。5架航天飛機(jī)失去了2架，真是非常慘。其中的故事想必大家都已非常了解，特別是1986年挑戰(zhàn)者號航天飛機(jī)爆炸的事件早已經(jīng)編入了教科書，這里就不多贅述了。圖注：阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)的返回標(biāo)志著航天飛機(jī)時代的謝幕2011年7月21日，隨著阿特蘭蒂斯號航天飛機(jī)在肯尼迪航天中心的降落，整個航天飛機(jī)全部停飛，從此，強(qiáng)大的美國失去了載人航天的能力。今后飛國際空間站咋辦呢？這時，昔日的宿敵俄羅斯伸出了橄欖枝，俄羅斯有成熟可靠的載人“聯(lián)盟”飛船。當(dāng)然，這可不是免費(fèi)的午餐。圖注：俄羅斯的聯(lián)盟號飛船發(fā)射據(jù)說，剛開始的費(fèi)用是每位宇航員2000多萬美元，最近NASA購買的2020年秋天發(fā)射的一個座位，價格已經(jīng)暴漲到了9000多萬美元。據(jù)統(tǒng)計，自從航天飛機(jī)停飛以來，NASA已向俄羅斯累計支付超過35億美元。因此，NASA非常希望包括SpaceX在內(nèi)的國內(nèi)私營企業(yè)能夠挑起大梁，讓美國再次獲得在本土發(fā)射載人飛船的能力。八、NASA商業(yè)載人項(xiàng)目還有哪個公司參加？圖注：SpaceX的龍飛船和波音的星際航班飛船與國際空間站（藝術(shù)圖）2014年9月，NASA選定SpaceX和波音公司參加商業(yè)載人項(xiàng)目，分別獲得26億美元和42億美元的資助。波音公司制造了“星際航班”（Starliner）飛船運(yùn)送宇航員，但總體上進(jìn)度稍落后于SpaceX。下面我們來簡單比較一下星際航班飛船與龍飛船有何異同：1、容量相同：這兩個飛船具有相似的設(shè)計功能——每個飛船最多可以容納七個人。2、發(fā)射火箭不同：星際航班是用聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（波音和洛克希德馬丁公司的合資企業(yè)）的宇宙神五火箭發(fā)射升空。SpaceX公司正在使用自己的火箭獵鷹9號發(fā)射載人版龍飛船。3、返回場地不同：星際航班選擇通過氣囊輔助傘陸地降落；龍飛船是在海上降落。4、價格不同：SpaceX的發(fā)射更便宜。NASA監(jiān)察長11月發(fā)布的一份報告指出，SpaceX公司載人飛船的每個座位發(fā)射成本約為5500萬美元，波音公司為9000萬美元。從價格上看，購買波音公司座位的費(fèi)用和購買俄羅斯聯(lián)盟飛船差不多，但畢竟波音是美國自己的公司，這點(diǎn)比較重要。2019年12月20日，波音進(jìn)行了一次星際航班飛船無人發(fā)射，目標(biāo)是與國際空間站對接。在飛行中，船箭分離正常。但令人遺憾的是，由于飛船在入軌機(jī)動過程中燃料消耗比預(yù)期要