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

騰訊太空文/喬輝北京時(shí)間5月31日凌晨3點(diǎn)22分，美國(guó)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(guó)際空間站，預(yù)計(jì)19個(gè)小時(shí)后，嘗試與國(guó)際空間站對(duì)接。圖注：獵鷹9火箭升空畫面圖注：發(fā)射升空時(shí)，載人龍飛船中的宇航員一級(jí)火箭成功回收，降落在大西洋中的漂浮平臺(tái)上原計(jì)劃，北京時(shí)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(shí)間5月31日發(fā)射。圖注：5月28日，發(fā)射場(chǎng)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(guó)佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心，發(fā)射臺(tái)是最為著名的LC-39A，該發(fā)射臺(tái)曾經(jīng)見(jiàn)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(lái)被SpaceX租下來(lái)，用于發(fā)射火箭。下面我們先來(lái)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(gè)層面來(lái)理解：第一個(gè)層面，對(duì)于SpaceX公司來(lái)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(chǎng)券，未來(lái)前景無(wú)可限量；第二個(gè)層面，對(duì)于美國(guó)和NASA來(lái)講，意味著自從2011年航天飛機(jī)退役以來(lái)，再次恢復(fù)載人航天能力（后面我們?cè)斒觯坏谌齻€(gè)層面，對(duì)于整個(gè)世界商業(yè)航天來(lái)講，意味著揭開(kāi)了商業(yè)載人航天的帷幕，商業(yè)航天走進(jìn)新時(shí)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(lái)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(guò)太空，而且還都是執(zhí)行過(guò)航天飛機(jī)任務(wù)的老手。其中，赫爾利在太空中有超過(guò)683個(gè)小時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，還執(zhí)行過(guò)2011年7月最后一次航天飛機(jī)任務(wù)（代號(hào)：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(jì)在太空飛行時(shí)間超過(guò)708小時(shí)，其中包括37小時(shí)的太空行走時(shí)間。對(duì)于載人航天來(lái)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(shuō)，“花開(kāi)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(dòng)與空間站完成對(duì)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(duì)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(guó)5月5日測(cè)試的“新一代載人飛船”設(shè)計(jì)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(gè)能夠打開(kāi)的頭錐蓋子，在發(fā)射和返回的過(guò)程中，保護(hù)飛船和對(duì)接機(jī)構(gòu)。當(dāng)飛船與空間站對(duì)接的時(shí)候，頭錐蓋子會(huì)打開(kāi)，露出對(duì)接機(jī)構(gòu)，當(dāng)飛船脫離空間站的時(shí)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(gè)是加壓的返回艙，另一個(gè)是在返回艙下面的服務(wù)艙（這里要說(shuō)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(wú)統(tǒng)一的翻譯）。服務(wù)艙是非加壓的，可以搭載對(duì)氣壓不敏感的貨物。另外，服務(wù)艙外側(cè)粘貼有太陽(yáng)能電池，就像穿了個(gè)太陽(yáng)能板的裙子一樣，這擺脫了傳統(tǒng)的太陽(yáng)能展開(kāi)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(guò)程中提供氣動(dòng)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(gè)推力強(qiáng)大的“超級(jí)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(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力可達(dá)71千牛，換算成大家有直觀感覺(jué)的表示方式就是相當(dāng)于7.1噸的推力。此外，還裝有16個(gè)推力相對(duì)較小的“天龍座”發(fā)動(dòng)機(jī)噴口，用于姿態(tài)控制和軌道機(jī)動(dòng)。圖注：載人龍飛船“飛行中止測(cè)試”試驗(yàn)（示意圖）熟悉載人航天的朋友，可能會(huì)留意到，無(wú)論是阿波羅登月火箭，還是我國(guó)的長(zhǎng)征2F載人運(yùn)載火箭，在火箭頂部都有個(gè)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(dòng)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(huì)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(duì)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(lái)系統(tǒng)介紹，這里我們只把最關(guān)鍵的地方說(shuō)一下：這種方式能夠使飛船具備“全程逃逸”的能力！也就是說(shuō)，在飛船飛行的任何階段出問(wèn)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(lái)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(cè)試”試驗(yàn)2020年1月19日，SpaceX成功進(jìn)行了“飛行中止測(cè)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(shí)，火箭頂部的飛船啟動(dòng)自身的8臺(tái)逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)，把飛船推離火箭。隨后，火箭在強(qiáng)大的氣動(dòng)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(cè)試，目前已退役；第二艘用于2019年首次載人版飛船的無(wú)人測(cè)試發(fā)射（Demo-1），但在后來(lái)的地面測(cè)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(cè)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(xiǎn)還是相對(duì)較高。一級(jí)的代號(hào)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(jí)火箭將回收，降落在海洋中的浮動(dòng)平臺(tái)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(jí)運(yùn)載火箭，高度70米，以液氧和煤油為推進(jìn)劑，芯一級(jí)火箭裝配有9臺(tái)梅林發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力7600千牛，相當(dāng)于760噸。在回收一級(jí)的情況下，近地軌道的運(yùn)載能力為15.6噸，不回收一級(jí)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(guò)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(wú)人測(cè)試，成功返回時(shí)的情景載人龍飛船與國(guó)際空間站對(duì)接后，宇航員通過(guò)對(duì)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(méi)有明確的說(shuō)法，只是說(shuō)不會(huì)晚于9月23日。載人龍飛船返回時(shí)，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(kāi)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(guó)急切恢復(fù)載人航天能力？眾所周知，美國(guó)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(hào)雖然沒(méi)有成功，但3名宇航員毫發(fā)無(wú)損返回地球。圖注：1986年挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)升空后爆炸圖注：2003年哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)空中解體（藝術(shù)圖）1981年，美國(guó)又成功發(fā)射了第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞”號(hào)，一次就能把7名宇航員送上近地軌道。美國(guó)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(guó)際空間站立下了汗馬功勞！但遺憾的是，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)和哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)分別在發(fā)射和返回時(shí)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(hào)航天飛機(jī)爆炸的事件早已經(jīng)編入了教科書(shū)，這里就不多贅述了。圖注：阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)的返回標(biāo)志著航天飛機(jī)時(shí)代的謝幕2011年7月21日，隨著阿特蘭蒂斯號(hào)航天飛機(jī)在肯尼迪航天中心的降落，整個(gè)航天飛機(jī)全部停飛，從此，強(qiáng)大的美國(guó)失去了載人航天的能力。今后飛國(guó)際空間站咋辦呢？這時(shí)，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(hào)飛船發(fā)射據(jù)說(shuō)，剛開(kāi)始的費(fèi)用是每位宇航員2000多萬(wàn)美元，最近NASA購(gòu)買的2020年秋天發(fā)射的一個(gè)座位，價(jià)格已經(jīng)暴漲到了9000多萬(wàn)美元。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自從航天飛機(jī)停飛以來(lái)，NASA已向俄羅斯累計(jì)支付超過(guò)35億美元。因此，NASA非常希望包括SpaceX在內(nèi)的國(guó)內(nèi)私營(yíng)企業(yè)能夠挑起大梁，讓美國(guó)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(gè)公司參加？圖注：SpaceX的龍飛船和波音的星際航班飛船與國(guó)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(lái)簡(jiǎn)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(gè)飛船具有相似的設(shè)計(jì)功能——每個(gè)飛船最多可以容納七個(gè)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(hào)發(fā)射載人版龍飛船。3、返回場(chǎng)地不同：星際航班選擇通過(guò)氣囊輔助傘陸地降落；龍飛船是在海上降落。4、價(jià)格不同：SpaceX的發(fā)射更便宜。NASA監(jiān)察長(zhǎng)11月發(fā)布的一份報(bào)告指出，SpaceX公司載人飛船的每個(gè)座位發(fā)射成本約為5500萬(wàn)美元，波音公司為9000萬(wàn)美元。從價(jià)格上看，購(gòu)買波音公司座位的費(fèi)用和購(gòu)買俄羅斯聯(lián)盟飛船差不多，但畢竟波音是美國(guó)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(wú)人發(fā)射，目標(biāo)是與國(guó)際空間站對(duì)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(dòng)過(guò)程中燃料消耗比預(yù)期要