全球首次商业载人发射成功!SpaceX 再一次书写历史

更新日期:5月 31

不是科技大佬的玩票,未来的星际旅行可能要靠它们了。


文|杜晨    编辑|Vicky Xiao (硅星人)



”一个奇迹被发射了!“伴随着直播里一声激动的呼喊,SpaceX的猎鹰9号运载火箭点火升空!12分钟后,两名 NASA 宇航员乘坐的龙飞船被送上了太空,火箭成功落地回收——任务成功!美东时间5月30日下午3点22分,在千万人的瞩目下,SpaceX 成功发射了一枚搭载有龙飞船的猎鹰9号运载火箭,将龙飞船送上太空,龙飞船将继续飞往距离地球表面350千米的国际空间站,而猎鹰9号运载火箭圆满完成任务。这次飞行将载入人类宇航史册,因为龙飞船和猎鹰9号运载火箭均由 SpaceX 公司自主研制,这是首次由私营航天公司载送宇航员进入国际空间站。本次发射对于美国来说也意义重大。2011年美国正式退役航天飞机,9年后,美国宇航员首次乘坐美国制造的火箭进入了轨道。

前所未有的发射工具


本次发射在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天基地的 LC-39A 发射台进行。本次发射的正式命名为 Crew Demo-2,也即 NASA 和 SpaceX 合作的载人龙飞船第二次演示任务(Crew Dragon's second demonstration mission)。Demo-2 将采用SpaceX 自主研发的猎鹰9号 (Falcon-9) 火箭。这枚火箭得名于《星球大战》的千年隼飞船 (Millenium Falcon) 和可重复使用的火箭一级助推器的9个发动机,在2,000千米以下高度的载荷可以超过22吨。猎鹰9号有多种代次和配置型号,本次 Demo-2 执飞的将会是最新的 Block 5 型号。猎鹰9号在航天史上也占据着重要地位,有着多个“第一”:人类设计的第一枚可多次重复使用的液体燃料火箭;第一枚完全由私营航天企业设计生产的火箭;


第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭。根据发射和回收窗口的情况不同,猎鹰9号可以在陆地上或者相对静止的海上进行回收。SpaceX 已经对火箭进行过多次回收测试,成功次数多于失败,执行 Demo-2 载人飞行任务的龙飞船,同样由 SpaceX 自主研发,不过研发过程中引入了多家其它公司,均为私营公司。龙飞船于2010年首次试飞成功,2012年首次成功运输货物交给国际空间站,至今已经执行22次飞行任务,只有一次失败。龙飞船采用了航天领域较为多见的钝锥形弹道胶囊造型,起飞载荷可达6吨,可以被国际空间站的遥控系统自动抓取并实现对接。龙飞船还有多种配置:货运、实验室、人货同载、可在其它行星/卫星着陆的红龙飞船,以及加大码的货运用途龙飞船 XL。龙飞船同样有着多个“第一”:第一枚完全由私营航天公司开发的近地轨道太空飞船;第一枚可重复使用的货运/载人飞船;第一枚具备下行运输能力(从空间站向地球运回物资)的飞船。龙飞船执飞任务的编码为 SpX.去年3月,NASA 和 SpaceX 已经完成了龙飞船的第一次演示任务 Demo-1,将一枚没有宇航员乘坐(放了一支假人)的龙飞船送上太空、和国际空间站实现无人接轨,并且成功返回地球。

更多任务细节


此次发射原定的窗口是当地时间5月27日周三下午4:33。但由于周三云量较多,天气情况不允许,SpaceX 决定推迟到今天发射。昨天,SpaceX 的另一款产品星际飞船 (Starship) 在试点火过程中发生故障导致爆炸这次事故和本次载人龙飞船发射项目无关。


去程

发射后,猎鹰9号将在接近一分钟时达到受力最复杂、最容易发生事故的最大动压点(Max-Q,最大空气动力应力点)。2分半左右开始,一级助推器熄火、一二级分离、二级助推器点火。到了8分47秒左右,二级助推器也将熄火,再过半分钟左右一级助推器已经将落在地面上;12分钟时,搭载有两名宇航员的龙飞船将从二级助推器上分离,然后开始绕地球飞行并接近国际空间站轨道高度。



动图来自 Demo-1 任务

龙飞船将在接近预定轨道高度时与国际空间站建立通讯连接,并逐步提升高度,最终在距离国际空间站大约200米 (Keep Out Sphere, KOS) 时建立同步联系,使得飞船可以和同步飞行并最终实现对接。对接过程是完全自动化的,当然,两边的宇航员都会密切监控飞船的接近和对接,在必要的时候随时接管控制。


动图来自 Demo-1 任务

等到对接完成,国际空间站的在轨天数已经达到了7,860天,已经绕地球完成了接近12.34万圈绕飞行。两名宇航员在太空中停留多久?这个问题,直到飞船和国际空间站对接之后才会有答案。目前的计划是最短一个月,最长119天,也即四个月左右。为什么现在决定不了到底要停留多久?除了本次执飞的龙飞船之外,NASA 还要考虑下一次四名宇航员上国际空间站的 Crew-1 任务所用的另一枚龙飞船的状态。需要考虑、分析和筹划的有很多,NASA 也需要让这次 Demo-2 任务的效用最大化,所以回程的时间还没定下来。回程整个回程也是由程序控制完成的。自动接触对接之后,龙飞船上的推进器将会启动,让飞船远离国际空间站。


动图来自 Demo-1 任务

飞船将绕地球飞行并降低轨道高度,调整方向,对准着陆点。到了预定的轨道高度和对应地面位置,飞控电脑将会抛弃掉龙飞船的货仓,减轻落地重量并节省推进燃料。然后推进器将会启动长达12分钟,将飞船送回地球大气层,在引力的作用下朝着着陆地点前进。进入大气层后,飞船会遭遇到巨大的空气阻力,会显著降低其降落速度。两个减速降落伞会首先在5.48千米(18,000英尺)高度展开,随后四个主降落伞会在1.98千米(6,500英尺)高度展开,让飞船的下落速度降低到7.62米/秒(25英尺/秒),最终降落在佛罗里达州附近的大西洋洋面上。



动图来自 Demo-1 任务

以下视频演示了火箭发射、飞船对接、解除对接、返程、降落的全过程:

两位经验丰富宇航员执飞


龙飞船将会搭载 Douglas Hurley 和 Robert Behnken,两名来自 NASA 的男性宇航员。Douglas Hurley 出生于1966年10月21日,之前曾两次进入太空,停留时间683小时,是亚特兰提斯号航天飞机/STS-135任务,也即 NASA 航天飞机计划最后一次执飞的驾驶员。Hurley 曾担任 NASA 宇航员训练教官、商业飞行计划助理总监等职位。Hurley 将会是飞船上的指挥官。


Douglas G. Hurley

Behnken 出生于1970年7月28日,拥有机械工程博士学位,之前曾两次进入太空,停留时间达708小时,其中包括太空行走37小时。Behnken 曾担任 NASA 宇航员、工程师和宇航员办公室主任,于2018年入选 Demo-2 任务。


Robert L. Behnken

Hurley 和 Behnken 将成为国际空间站的第229和第230位访客。为什么最终选择了这两名宇航员?因为 Demo-2 准确来讲仍然是一次“试飞任务”,首次采用龙飞船真正载人进入太空的任务。

肯尼迪太空中心主任Robert Cabana 透露,Hurley 和 Behnken 都是 NASA 最顶级的试飞员,他们最擅长的就是执飞全新机型——事实上,他们在加入 NASA 之前在各自的军旅生涯中都有过丰富的新机型试飞经验。本次发射任务的另外两名备选宇航员分别为 Sunita Williams 和 Eric Boe.如无意外,这次发射任务也将会是 SpaceX 设计的宇航服,首次投入实战使用:(2018年2月,SpaceX 曾发射一辆特斯拉生产的 Roadster 电动车上太空,车上乘有一名穿着 SpaceX 宇航服的假人。)

私营航天的时代已经到来?


前面提到,本次 Demo-2 任务是私营航天公司首次使用自主研发的火箭和飞船送真人宇航员进入国际空间站。SpaceX 是截至目前最知名的,在私营航天 (private spaceflight) 领域作出最多突破的公司。不过,它的成绩也要依托于前辈们的杰出贡献。私营航天最早可以追溯到上世纪60年代,SpaceX 创办的整整40年前。1961年12月12日,OSCAR一号成为了第一颗进入近地轨道的业余无线电卫星,在轨20天。虽然加上了“业余”俩字,其实卫星的开发者们并不“业余”——他们大部分都是美国航天军工公司 TRW(现属于诺格公司)的员工。1962年7月10日,贝尔实验室开发,交由 AT&T 使用的电星1号 (Telstar 1) 升空,通过太空从美国向法国转播了电视图像,实现了首次跨大西洋电视直播。不过遗憾的是,由于美国在电星1号发射的前一天在其轨道高度上引爆了一枚核弹,导致后来的卫星使用了半年左右就完全停止工作。


电星1号

电星1号升空不久后,热衷于太空发展的美国前总统约翰·F·肯尼迪签署了1962年通讯卫星法案,为私营公司拥有和运营卫星提供了最初的法律基础和监管框架。1984年,里根前总统签署了商业太空发射法案,认可了私营航天技术的商业价值和增长前景,要求持续鼓励私营航天事业。执飞人类首次成功登月任务的火箭土星5号,就是由私营公司建造的。它的设计者是 NASA,但是主要建造承包商均来自私营部门,包括波音、北美航空、道格拉斯(后来的麦道)和 IBM。


土星5号搭载阿波罗11号登月舱

1990年,轨道科学公司 (Oribital Science) 自主研发的飞马座,一种小型的空中发射火箭,成功试射,成为第一颗在没有政府资助开发出来并进入近地轨道的火箭。进入21世纪,私营航天的发展迎来一个很多人都不愿意承认的里程碑:美国航天科学家和富商 Dennis Tito 自费近2,000万美元,通过各种关系找到俄罗斯,乘坐火箭进入国际空间站,成为第一位太空旅客,旅程长达7天22小时4分钟。NASA 高层一度认为 Tito 花钱找俄罗斯上天的行为“背叛了美国”,甚至不愿意为他提供本应提供给他的训练——尴尬的是,在五架在役航天飞机损毁了两架之后,美国于2011年退役了整个航天飞机计划,之后美国宇航员上天也得求助俄罗斯的联盟号……

直到 SpaceX 的出现。


进行 Demo-2 任务的猎鹰9号火箭等待发射

2012年5月25日,SpaceX 的龙飞船执飞 NASA 的物资任务,成为首个登陆国际空间站的商业飞船。在那之前,只有各国政府下设官方航天机构的飞船曾经造访过距离地表350千米的国际空间站。

但是 SpaceX 并不只聚焦于美国政府订单(虽然它最主要的收入来自于政府合同),只要付得起在行业里并不算昂贵的发射费用,SpaceX 愿意为任何人发射卫星。它的客户包括本国的企业,比如 Facebook(很遗憾炸坏了扎克伯格的卫星)、铱星公司、地理测绘公司 Maxar,也包括外国政府和公司,比如哈萨克斯坦政府、泰国政府、土库曼斯坦政府、欧洲公司 Eutelsat、亚洲卫星控股、KT(韩国电信)、以色列公司 Spacecom 等。事实上,SpaceX 的私营订单和美国政府/军事订单的比例,几乎达到1:1;其发射的其它公司载荷的次数,比自家的星链卫星还要更多。本次 Demo-2 发射任务,将会是自2011年美国正式退役航天飞机的9年以来,美国宇航员首次在本土乘坐火箭进入国际空间站。


两名宇航员在 SpaceX 发射演示任务控制中心

当然,这并不是2011年以后美国人首次乘坐本土生产的太空交通工具上太空。去年2月,五名宇航员乘坐私营航天公司维珍银河 (Virgin Galactic) 的 VSS Unity 飞机进入了51.4千米高度的太空。

虽然这次飞行远未达到所谓的轨道高度,不过倒是比 NASA 认证的太空起始点高了1.4千米。说起私营航天公司,人们往往会提起 SpaceX、维珍银河、蓝色起源等,但从发射经验上来看,实际上很少有其它公司可以和 SpaceX 相提并论。

维珍银河 (Virgin Galactic)由维珍集团创始人理查·布兰森爵士于2004年创办。从公司架构上,维珍银河是面向消费者的品牌公司,技术研发公司则叫做 The Spaceship Company (TSC),和另一家公司 Scaled Composites 合资开发了维珍银河目前所用的飞船。维珍银河的方向和 SpaceX 不太一样。正如公司名称所指,SpaceX(全名 Space Exploration)是一家太空探索公司,它能够自主研发推进器,并且已经成功发射正规尺寸的运载火箭和太空船,未来的目标是登陆月球、火星,拓展载人宇航的边界。维珍银河更像是一家太空旅游公司,按照常用的界定方式,称其为 spaceliner company。截至目前,该公司的机队规模只有两架,而且正如前述,只能进行亚轨道飞行,也即冲出大气层,到达不算太高的高度,画出一个抛物线,再回到地球,无法执飞轨道任务。你也可以说这种只算触到了太空的“皮毛”,不能算“真正”的太空飞行。同时,维珍集团旗下还有一家小型卫星公司,名叫维珍轨道 (Virgin Orbit),业务比较有限,疫情期间还开小差研制了一款呼吸机。以下是维珍银河的太空飞机首次进入太空的纪录视频,拍的非常美:蓝色起源 (Blue Origin)是另一家常被提起的私营航天公司。创办于千禧年,比 SpaceX 还早两年,而且创始人也是科技业大佬,亚马逊的老板杰夫·贝佐斯。不过,蓝色起源发了几枚火箭和登月概念车(这里的“发”,更多指的是发布,而不是发射……),实际业务并没什么太大起色。该公司的发射经验不算多,所有现役火箭型号都没有实战经验。蓝色起源旗下拥有小型可回收火箭载具新谢泼德 (New Shepherd),设计可以载人,八次无人测试,均成功发射、着陆和回收,;重型可回收火箭新格伦 (New Glenn),2016年发布,对标 SpaceX 的猎鹰重型火箭,计划2021年首次试飞。去年五月,蓝色起源发布了斥巨资多年低调开发的大型模块化登月飞船蓝月亮 (Blue Moon),具有载人能力,计划在2024年之前让宇航员可以重返月球。人类首次登月已经过去了半个世纪,为什么要重返月球?贝佐斯指出,不管人类想要去太空中的任何地方,月球都应该成为第一站,成为人类太空活动的基地。他说的没错,毕竟月球的引力更小,没有复杂的大气环境,比地球发射更容易,而且月球上存在大量可制成氢燃料的永冻冰。除了 SpaceX、维珍银河、蓝色起源之外,行业里还有一些不可小觑的私营公司,比如:

  • 毕格罗宇航,成立于1998年,方向是民用空间站,或者可以说是太空酒店(创始人 Robert Bigelow 是美国廉价酒店连锁老板),以及商用空间站,用于接替原计划于今年退役的国际空间站。该公司已经成功发射两枚空间站组件 1)创世一号,2006年发射,设计寿命5年,目前在近地轨道上;2)创世二号,2007年发射,设计寿命12年,目前仍在轨道;

  • 火箭实验室 (Rocket Lab),成立于2006年,总部在加州,在新西兰拥有自己的发射基地。其开发的轻型火箭电子号 (Electron),可以将最高150千克载荷发射到最高500公里的轨道,已经执飞过多次商业发射任务。


当然,以及波音集团旗下的波音综合国防系统,目前和 SpaceX 共同作为 NASA 最大的发射载具承包商。

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