SpaceX揭開商業載人航天帷幕,馬斯克終極目標是登陸火星

2020-11-20 08:32:08 2372 views
摘要

撰文 | 喬輝(騰訊太空)北京時間11月16日8點27分左右,SpaceX首次正式載人商業飛行(Crew-1)在肯尼迪航天中心發射升空,搭載四名宇航員飛赴國際空間站。

SpaceX揭開商業載人航天帷幕,馬斯克終極目標是登陸火星


撰文 | 喬輝(騰訊太空)

北京時間11月16日8點27分左右,SpaceX首次正式載人商業飛行(Crew-1)在肯尼迪航天中心發射升空,搭載四名宇航員飛赴國際空間站

SpaceX揭開商業載人航天帷幕,馬斯克終極目標是登陸火星

圖註:火箭升空畫面


本次太空任務預計持續180天,這意味著飛船將在2021年6月才返回地球,然後經過檢修後,將繼續用於未來的載人任務。


SpaceX揭開商業載人航天帷幕,馬斯克終極目標是登陸火星

圖註:SpaceX獵鷹9火箭和載人龍飛船矗立在發射台上。圖片來自NASA


此次飛行任務原計劃於北京時間11月15日實施發射,但由於天氣原因,推遲到今日(16日)發射。


由於疫情影響仍在持續,肯尼迪航天中心只允許少數人現場觀看。


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圖註:11月9日,正在運往發射台的獵鷹9火箭和載人龍飛船。圖片來自NASA


說到這次首次商業載人航天飛行,要提一下早在今年5月31日SpaceX進行的首次載人飛行,那是一次試驗性質的測試。嚴格講,本次才是私人企業商業載人航天飛行的起點。


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圖註:首次商業載人飛行徽章。圖片來自NASA


四名宇航員來自何方?


SpaceX揭開商業載人航天帷幕,馬斯克終極目標是登陸火星

圖註:從左到右分別是香農·沃克、維克托 格洛弗、邁克爾 霍普金斯和野口聰一。圖片來自NASA


本次搭載了四名宇航員,比5月份的載人發射多了兩人,他們分別是維克托·格洛弗(Victor Glover)、邁克爾 霍普金斯(Michael Hopkins)、香農·沃克(Shannon Walker)和野口聰一(Soichi Noguchi)


維克托·格洛弗:生於1976年4月30日,是SpaceX載人龍飛船的指令長。1999年,格洛弗畢業於加州理工州立大學,並獲普通工程學學士學位。格洛弗有飛行試驗工程學、系統工程學和軍事作戰藝術與科學三個理學碩士學位。2018年8月,格洛弗成為商業載人計劃的宇航員之一。


邁克爾 霍普金斯:生於1968年12月28日,現任NASA宇航員。1991年,霍普金斯進入伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校並獲航空航天工程理學學士學位。1992年,他又在斯坦福大學獲航空航天工程理學碩士學位。霍普金斯擁有太空行走經驗。2018年8月,霍普金斯和格洛弗被指派乘坐SpaceX載人龍飛船前往國際空間站執行首次載人商業發射任務。


香農·沃克:生於1965年6月4日,是一名美國物理學家,2004年入選為NASA宇航員。2010年6月,沃克搭乘聯盟號飛船首次進入太空。1987年,沃克在德克薩斯州萊斯大學畢業,並獲物理學學士學位。1987年,沃克在約翰遜航天中心開啟職業生涯,任太空梭機器人飛行控制員。1990年到1993年,沃克向約翰遜航天中心請假去讀研究生,其研究領域是太陽風與金星大氣的相互作用。


野口聰一:生於1965年4月15日,是日本航空工程師和日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)宇航員,還是第五位進入太空的日本宇航員。野口聰一高中畢業後考入東京大學,分別於1989年和1991年獲航空工程學士學位和碩士學位。畢業後,從事過商業發動機空氣動力學設計工作。1996年6月,野口聰一被JAXA選為宇航員候選人後前往NASA約翰遜航天中心進行宇航員培訓。野口聰一擁有豐富的太空行走經驗。


SpaceX Crew-1成功發射後,野口聰一將是首位同時乘坐過太空梭、聯盟號和龍飛船的非美籍宇航員。


SpaceX載人龍飛船有哪些特點


2020年9月29日,指令長邁克爾·霍普金斯曾經在美國宇航局新聞發布會上透露,本次的載人龍飛船已被命名為「堅韌」號。


此前,在首次載人發射的時候,我們已對載人龍飛船的特點進行了詳細介紹,在這裡再簡單複述一下。


載人龍飛船屬於SpaceX研製的第二代龍飛船(Dragon 2),具備可重複使用的能力。第二代龍飛船可分為載人龍飛船和貨運龍飛船兩種,其前身是第一代貨運龍飛船(Dragon 1)。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,需要藉助空間站上的機械臂的幫助。當然,載人龍飛船也保留了人工對接的選項。


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,這與太空梭搭載的宇航員數量相同,也與我國5月5日測試的「新一代載人飛船」設計上能夠搭載的宇航員數量相同。


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載人龍飛船的最頂端是一個能夠打開的頭錐蓋子,在發射和返回的過程中,保護飛船和對接機構。當飛船與空間站對接的時候,頭錐蓋子會打開,露出對接機構,當飛船脫離空間站的時候,蓋子關閉,準備返回地面。


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艙(這裡要說明的是,SpaceX使用Trunk一詞,而不是Service module,但從作用上看類似於服務艙,目前尚無統一的翻譯)。服務艙是非加壓的,可以搭載對氣壓不敏感的貨物。


另外,服務艙外側粘貼有太陽能電池,就像穿了個太陽能板的裙子一樣,這擺脫了傳統的太陽能展開翼的造型。服務艙外側還有翼狀結構,能夠為飛船在逃逸過程中提供氣動穩定性。


載人龍飛船的絕招:全程逃逸能力


載人龍飛船集成有8個推力強大的「超級天龍座」火箭,火箭兩為分組,安裝在飛船的側壁,作為逃生使用,每個發動機的推力可達71千牛,換算成大家有直觀感覺的表示方式就是相當於7.1噸的推力。此外,還裝有16個推力相對較小的「天龍座」發動機噴口,用於姿態控制和軌道機動。


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圖註:載人龍飛船「飛行中止測試」試驗(藝術圖)。


熟悉載人航天的讀者,可能會留意到,無論是阿波羅登月火箭,還是我國的長征2F載人運載火箭,在火箭頂部都有個逃逸塔。


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圖註:阿波羅飛船的逃逸塔。


逃逸塔的作用就是在火箭發射起始階段,如果發生意外,可以啟動逃逸塔火箭,把飛船帶離到安全的高度,然後著陸。如果發射一切順利,等火箭飛到一定的高度,逃逸塔會分離,然後丟棄。而載人版龍飛船相當於把逃逸塔集成在船身上,這樣做有什麼好處呢?


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圖註:2020年1月19日,SpaceX成功進行了「飛行中止測試」試驗。


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射初始階段的逃生。這也是未來載人飛船逃逸的新方式。


成功率100%的獵鷹9火箭


SpaceX以可回收火箭名揚天下,但這次使用的是全新的獵鷹9(Block 5)火箭。


獵鷹9(Block 5)是兩級運載火箭,高度70米,以液氧和煤油為推進劑,芯一級火箭裝配有9台梅林發動機,總推力7600千牛,相當於760噸。


在回收一級的情況下,近地軌道的運載能力為15.6噸,不回收一級的情況下,近地軌道運載能力為22.8噸,算是一款中型運載火箭。


通過上面的分析,我們可以看出,SpaceX和NASA之所以敢於載人發射,是因為擁有100%發射成功記錄的獵鷹9(Block5)火箭,擁有具有全程逃逸能力的載人龍飛船以及四位優秀的宇航員等。


太空中的最大建築物:國際空間站


載人航天飛行的目的地是國際空間站,國際空間站是目前人類在太空中建造的最大建築物。


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國際空間站總質量達420噸,長109米,寬73米,是目前太空中的最大建築物。運行在距離地面大約400公里的近地軌道上,速度為每秒7.6公里。


國際空間站是一個擁有現代化科研設備、可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室,為在微重力環境下開展科學實驗研究提供了大量實驗載荷和資源,支持人在地球軌道長期駐留。


國際空間站項目由16個國家共同建造、運行和使用,是有史以來規模最大、耗時最長且涉及國家最多的空間國際合作項目。自1998年正式建站以來,經過十多年的建設,於2010年完成建造任務轉入全面使用階段。


目前,國際空間站主要由美國宇航局、俄羅斯國家航天集團、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構和加拿大空間局共同運營。


為什麼美國急切恢復載人航天能力?


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名宇航員也毫髮無損地返回了地球。


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圖註:站在月面上的宇航員奧爾德林,頭盔中反射的影像是阿姆斯特朗。


1981年,美國又成功發射了第一架太空梭「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架太空梭,強大的運輸能力為建設國際空間站立下了汗馬功勞!


但遺憾的是,「挑戰者」號太空梭和「哥倫比亞」號太空梭分別在發射和返回時發生了事故,導致總共14名宇航員罹難。5架太空梭失去了2架,非常慘痛。其中的故事想必大家都已經了解,特別是1986年「挑戰者」號太空梭爆炸的事件早已經編入了教科書,這裡就不多贅述了。


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圖註:阿特蘭蒂斯號太空梭的返回標誌著太空梭時代的謝幕。


2011年7月21日,隨著阿特蘭蒂斯號太空梭在肯尼迪航天中心的降落,整個太空梭全部停飛,從此,強大的美國失去了載人航天的能力。


今後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「聯盟」飛船。當然,這可不是免費的午餐。


據說,剛開始的費用是每位宇航員2000多萬美元,最近NASA購買的2020年秋天發射的一個座位,價格已經暴漲到了9000多萬美元。據統計,自從太空梭停飛以來,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在內的國內私營企業能夠挑起大梁,讓美國再次獲得在本土發射載人飛船的能力。


龍飛船首次商業載人飛行的意義是什麼?


本次是NASA與SpaceX簽訂的「商業載人項目」(Commercial Crew Program)的組成部分。意義至少可以從三個層面來理解:


第一個層面,對於SpaceX公司來講,重要性毋庸置疑,本次首次商業飛行意味著拿到了商業載人航天的入場券,未來前景無可限量;


第二個層面,對於美國和NASA來講,意味著自從2011年太空梭退役以來,再次恢復載人航天能力;


第三個層面,對於整個世界商業航天來講,意味著揭開了商業載人航天的帷幕,商業航天走進新時代。


SpaceX揭開商業載人航天帷幕,馬斯克終極目標是登陸火星

SpaceX公司和特斯拉公司創始人埃隆·馬斯克(Elon Musk)。


探索和開發外太空是人類的共同願望。今年,阿聯酋的「希望」號火星探測器,我國的「天問一號」火星探測器和美國的「毅力號」火星車相繼發射,目前正在飛往火星的漫漫旅途中。


對於SpaceX創始人馬斯克來講,載人登陸火星也是他的終極夢想,本次首次正式載人發射的成功也將促使他的夢想早日實現。


註:文章轉載時略有改動。

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