刚刚!马斯克载人火箭再次升空,4名NASA宇航员奔赴空间站,常态化商业载人飞行正式揭幕

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麻省理工科技评论 2020-11-16

2020-11-16

SpaceX 成为首个获认证的商业载人航天系统。
SpaceX 成为首个获认证的商业载人航天系统。

“3、2、1,点火。”巨大的白色烟幕伴随着轰隆声,梅林引擎全面点火。

“Go SpaceX,Go NASA,Go Crew-1 ”。

绚烂的光亮划过夜空。

刚刚!马斯克载人火箭再次升空,4名NASA宇航员奔赴空间站

北京时间 11 月 16 日早上 8 点 30 分,当地时间晚上 19:30,美国肯尼迪航天中心 39A 发射台上,猎鹰 9 号火箭搭载着龙飞船点火升空,4 名宇航员搭乘 SpaceX 的龙飞船奔赴国际空间站。

亚洲网2 分 50 秒,火箭的第一级成功分离,同时第二级点火成功,将飞船送往更深处的太空。

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9 分 05 秒,第二级火箭完成了自己的护送任务,顺利熄火。

9 分 40 秒,第一级火箭落入回收船,成功回收。

一切都显得轻车熟路,马斯克旗下的 SpaceX 团队遵循操作流程,顺利完成了来自美国航空航天局(NASA)的第一单生意,再次延续了今年 5 月 “首次商业载人航天测试” 创下的丰功伟绩。

这是 SpaceX 首次正式展开商业运营的载人航天任务,对于 SpaceX 和 NASA 来说,是一个新的里程碑和转折点,标志着美国的载人航天向着常规化发射迈出第一步。

本次飞行任务名为 Crew-1(1 号机组),4 名宇航员中,有 3 位来自美国,分别是:迈克尔・霍普金斯(Michael Hopkins)、维克托・格洛弗(Victor Glover)和香农・沃克(Shannon Walker),还有 1 名来自日本的航天员野口聪一(Soichi Noguchi),他们将与国际空间站上的另外三名机组成员汇合,会在国际空间站上生活工作 6 个月,直到 2021 年春季离开。

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图|欢送仪式

首个获得 NASA 认证的商业载人航天系统

5 月份的龙飞船载人首航曾在全球范围内引起高度专注,当时两名美国宇航员鲍勃・本肯(Robert Behnken)和道格・赫尔利(Douglas Hurley)闪亮登场,圆满完成了 NASA 的 SpaceX Demo-2 测试飞行任务,验证了龙飞船的可靠性。

现在,NASA 正在与 SpaceX 达成某种程度上的定期飞行模式,机组规模进一步扩大,约每六个月左右,就会有一组四名宇航员往返于国际空间站,Crew-1 便是 2020 年~2021 年间,三班已预定的龙飞船航班中的第一班。

龙飞船就像一辆太空商业出租车,供 NASA 的宇航员或其他客户常态化往返于国际空间站。

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图|Crew-1 任务的徽章(来源:SpaceX)

2020 年 5 月 31 日的 SpaceX Demo-2 任务,是世界范围内,商业航天公司首次将人类送入太空轨道。而此次则是龙飞船首次正式执行任务。从此以后,SpaceX 将变成 NASA 的专用载人航天系统提供方。

SpaceX 方面表示,在开发龙飞船的过程中,累计完成了约 800 万小时的硬件、软件测试,700 项龙飞船的 SuperDraco 推进器测试以及近 100 项龙飞船降落伞的测试和飞行,所有这些工作和两次试飞之后,NASA 又进一步对龙飞船及其猎鹰 9 火箭进行了系统验收。

2020 年 11 月 11 日,NASA 在官网宣布,SpaceX 获得首个载人商业航天系统的完整认证,这也是该局首次提供私人载人飞行器的认证。NASA 局长吉姆・布莱登斯汀(Jim Bridenstine)对外表示:“我想很自豪地说,我们将能够使用美国的火箭和航天器,让定期的人类航天发射重回美国。” “这个认证是 NASA 和 SpaceX 取得的令人难以置信的成就,突出了我们可以与商业伙伴合作,共同取得历史性的进步。”

亚洲网马斯克回应称:“这是一项伟大的荣誉,让我们对重返月球、前往火星,乃至最终帮助人类成为多行星居民的未来充满信心。”

对于 NASA 来说,自 2011 年航天飞机项目结束以后,近 10 年来一直过得很憋屈,也导致美国的宇航员们不得不乘坐俄罗斯火箭前往空间站,单人 “票价” 高达 8000 多万美元,近年来还不断涨价。

但当 SpaceX 的龙飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角起飞后,它有效地结束了美国载人航天史上的这段尴尬空白期,扛起了阿波罗计划、航天飞机之后的未来历史重担,揭幕了人类太空飞行新时代。

“Launch America”,发射直播间打着这样的标语,让载人航天发射能力重回美国的工作,NASA 已经筹备了近十年时间。

美国上一个载人航天辉煌时代属于航天飞机,一个真正意义上可重复使用的航天运输系统。

1981 至 2011 年,美国共制造出五架功能完整的航天飞机轨道飞行器,起初的四架分别是 “哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号” 和 “亚特兰提斯号”,但其中两架因任务事故损毁,分别是 1986 年的 “挑战者号” 升空爆炸和 2003 年的 “哥伦比亚号” 返航解体,14 名航天员不幸丧生,成为航天飞机时代留下的一个伤痛印记。1991 年,美国建造了第 5 架航天飞机 “奋进号”,用于取代 “挑战者号”。

5 架航天飞机在三十余年中共执行了 135 次任务,每次都是从佛罗里达州的肯尼迪航天中心起飞,它们承担过哈勃空间望远镜、多枚人造卫星和空间探测器运载任务,执行轨道科学实验,以及参与国际空间站的建设和维护,所有航天飞机的任务时长总和为 1322 天 19 小时 21 分 23 秒。

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据后来复盘估算,航天飞机计划投入的预算总额高达 2210 亿美元,单架航天飞机造价约 30 亿美元,每次发射的成本各不相同,不但取决于飞行频率,还受航天飞机计划期间研究、维护、发展和调查程序的影响显著,平均下来每次发射耗资约 16.42 亿美元。

2011 年 7 月 21 日,“亚特兰提斯号” 完成最后一次飞行任务,成本高昂且带走过多位航天员生命的航天飞机全部退役。

此后近十年,美国长年依靠俄罗斯联盟号宇宙飞船将航天员送上国际空间站,直至 2020 年 5 月 30 日以 SpaceX 为代表的商业载人航天首飞。

早在航天飞机退役之前,NASA 已有意将美国载人航天的任务有计划地向商业市场转移,这项计划被称为商业乘员计划(CCP),其目标是创建往返国际空间站和低地球轨道的安全,可靠和经济高效的空间运载系统,CCP 也投资了多家美国商业航天公司,开放技术生态,让商业航天力量展开竞逐。

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图|商业航天主要供应商分布

亚洲网2010 年,NASA 在《美国复苏与再投资法案》(ARRA)资金中为 “商业船员发展第 1 轮”(CCDev1)投资了近 5000 万美元,以刺激私营企业展开努力,并帮助这些企业开发和测试安全可靠和具有成本效益的航天运输能力,包括航天器、运载火箭、发射中止系统、环境控制和生命支持系统、运载火箭应急检测系统等等,那时 SpaceX 还名不见经传。

获得第一波资助的项目方包括:蓝色起源(Blue Origin,370 万美元)、波音(Boeing,1800 万美元)、帕拉贡航天发展公司(Paragon Space Development Corporation,140 万美元)、内华达山脉公司(Sierra Nevada Corporation,2000 万美元)、联合发射联盟(United Launch Alliance,670 万美元)。

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“商业船员发展第 2 轮”(CCDev2)于 2011 年 4 月启动,当时 NASA 向四家公司提供了总计近 2.7 亿美元的资金,SpaceX 首次入围被授予 7500 万美元的资助,其余的则分配给蓝色起源(2200 万美元)、波音(9230 万美元)、内华达山脉公司(8000 万美元)。

到了第三轮商业船员综合能力(CCiCap)阶段,诞生了三个完全集成的商业载人航天系统,NASA 根据《空间法》协议要求行业合作伙伴开发机组人员的运输能力,并进行测试以验证,验证和完善集成设计,并给予更多的资金扶持:SpaceX(4.4 亿美元)、波音(4.6 亿美元)、内华达山脉公司(2.125 亿美元)。

最后就到了真正 PK 商业落地能力,NASA 会授予经过认证的商业航天公司合同,让他们运载 NASA 宇航员。在认证产品合同(CPC)期间,NASA 共授予了近 3000 万美元:SpaceX(958.9 万美元)、波音(993.30 万美元)、内华达山脉公司(1000 万美元);

在商业船员运输能力合同(CCtCap)方面,经过多年公开竞争之后,2014 年 9 月 NASA 授予了两份巨额合同。

通过其认证工作,NASA 将确保所选的商业运输系统满足该机构将 NASA 机组人员运送到国际空间站的安全和性能要求。根据 CCtCap 合同,NASA 共授予了 68 亿美元:波音(42 亿美元)与 SpaceX(26 亿美元)。

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扶持起来 SpaceX,是 NASA “商业航天员计划” 的一部分,在仔细研究验收了 SpaceX 的载人飞行数据后,NASA 证实了龙飞船确实已经准备好承载常规的载人航天飞行任务。

相对于其他几个竞标对手,SpaceX 最大的区别和优势在于,他们的团队完成了从猎鹰 9 号火箭、火箭发动机到龙飞船的整套系统化的设计与测试,而波音和内华达山脉公司的载人飞船,则需要使用联合发射联盟的 Atlas V 型火箭。

整体的设计让 SpaceX 对自己的载人发射系统知根知底,更有技术把控力,即便前期测试历经过多次失败遭到不少嘲笑和反对,也一度让马斯克崩溃落泪,但能在不断复盘总结中形成系统化的工程改进,直至项目成功。

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图|SpaceX艰难期,马斯克在采访中眼红飙泪

首次正式任务,为保证万无一失而推迟

11 月 15 日,这个最终的发射日期,在确定前,曾不止一次地被延迟。最初,Crew-1 的发射日期定在 8 月 30 日,而 NASA 以后勤和技术问题为由,将任务推迟到 9 月下旬、10 月 23 日、10 月 31 日,最后推迟到 11 月中旬。

10 月 2 日,猎鹰 9 号第一级发动机气体发生器在最近一次非 NASA 任务发射尝试中的异常行为,这使得发射日期最终被推迟到 11 月 15 日。

当天,SpaceX 公司的猎鹰 9 号火箭原计划为美国太空部队发射一颗 GPS 卫星。在倒计时时间还剩下两秒的时候,发射被自动中止了,因为传感器检测到的读数偏离正常值。此次执行任务的猎鹰 9 号就是执行此次 Crew-1 任务的火箭。

“当我们查看数据时,我们发现其中两个引擎试图提前启动,而自动中止系统阻止了这种情况,”SpaceX 副总裁 Hans Koenigsmann 表示,“通过这样做,它避免了可能出现的硬启动,而这种硬启动可能会损害发动机硬件。”

事后的检查中发现,猎鹰 9 号第一级的 9 个梅林发动机中,有 2 个出了问题。Hans Koenigsmann 在 10 月底的新闻发布会上表示,原因是这 2 个引擎保留了一种 “遮蔽漆” 的残留物。

这种遮蔽漆原本是为了是在防腐阳极氧化处理过程中保护敏感部件。而进行处理的供应商事后并没有清除所有漆层,一些残留的漆层堵塞了两个发动机的 1.6 毫米宽的通风孔,而这两个通风孔所在的阀门,本应在 10 月 2 日为两级猎鹰 9 号供电。

亚洲网发现这个问题后,SpaceX 还排查了即将执行其它任务的猎鹰 9 号,也发现了类似的问题,之后更换了所有有问题的梅林发动机。

除了更换发动机,SpaceX 还根据第一次载人航天任务中 ——Demo-2 任务中掌握到的测试数据,对龙飞船进行了一些调整。

亚洲网最大的变化是航天器的隔热板,这是一个关键的部件,可以防止飞行器在地球大气层中摩擦过热。SpaceX 公司发现,当 Demo-2 船员 8 月份返回时,隔热板上的一些隔热材料侵蚀程度超过了团队的预期。

SpaceX 方面声称这种程度的损坏还不会对机组人员造成人身危险,但公司选择重新设计加强隔热板,SpaceX 公司负责制造和飞行可靠性的副总裁汉斯・柯尼格斯曼(Hans Koenigsmann)在 10 月份的一次媒体沟通会上说:“宇航员们一直都很安全,飞行器工作整体很完美。”“这是我们在检查中发现的一点不足,然后决定,在这个特定区域加强隔热罩。”

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图|龙飞船被打捞起来

龙飞船机组人员的降落伞也表现出与预期的不同,为了在海洋中轻轻地溅落,太空船部署了一系列降落伞来减速,SpaceX 改进了龙飞船测量外界气压的方式,以便确定飞船在大气层内何时释放降落伞。

最后一点是区域管制。8 月份,当龙飞船在彭萨科拉海域坠落时,一大群驾船者好奇地想近距离观察这艘宇宙飞船。但如果离得太近,并且没有采取防护措施的话,飞船使用的推进剂和燃料可能会对普通人产生毒性。

亚洲网为了防止这样的场面重演,SpaceX 和 NASA 表示,他们将与美国海岸警卫队合作,在龙飞船返回的海域附近建立了一个 10 英里范围的隔离区,这样就不会有未经授权的游客靠近水中的飞船。

宇航员将在空间站对接下一艘 SpaceX 龙飞船

1 号机组的发射看起来与 5 月份的发射流程几乎相同,尽管这一次是在晚间进行。Crew-1 任务的四名宇航员,亲切地将此次执行任务的龙飞船称为 “韧性”(Resilience)。

起飞后 12 分钟,龙飞船就能进入预定轨道,但宇航员们需要在轨道上度过一天多的时间,才能追赶抵达国际空间站,预计在美国东部时间 11 月 16 日星期一晚上 11 点左右完成对接,这将比 Demo-2 任务还要长,上次花了大约 19 个小时才到达国际空间站,好在多数工作都会由系统自动化完成,例如轨道提升、与空间站的通信连接、导航与对接等。

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图|Space X 龙飞船往返空间站流程图

亚洲网目前在国际空间站上的生活的航天员,有来自俄罗斯的宇航员谢尔盖・雷吉科夫(Sergey Ryzhikov)和谢尔盖・库德・斯维奇科夫(Sergey Kud-Sverchkov),以及美国宇航局宇航员凯特・鲁宾斯(Kate Rubins),SpaceX 1 号机组人员的到来,将是第一次有 7 个人在国际空间站生活和工作,因为在过去 10 年中,国际空间站上的宇航员通常最多只驻有 6 个人。

然而,单纯就运载能力来讲,一艘龙飞船的设定其实能满足 7 名宇航员往返。

在空间站停留期间,Crew-1 号的宇航员将看到一系列无人驾驶的宇宙飞船,其中包括 SpaceX 公司的下一代货运飞船天鹅座诺斯洛普・格鲁门,以及前往空间站的无人驾驶飞行测试中的波音 CST-100 星机。他们还将在 2021 年进行各种太空行走,欢迎俄罗斯联盟号飞船和下一代 SpaceX 龙飞船的乘员。

在任务结束时,龙飞船将脱离空间站重新进入地球大气层,在佛罗里达海岸附近溅落之后,全体船员将被一艘 SpaceX 公司的回收船从海上救起,然后被带到岸上登上一架飞机,返回休斯顿的约翰逊航天中心。

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作为第一个通过了 NASA 认证的商业航天系统,很多人看到了 SpaceX 激进与领先的高光时刻,感叹其发展之迅猛,但这背后,仍是一个立足美国航天产业深厚的优势,制度扶持,稳扎稳打、不放弃的商业航天创业故事,SpaceX 从 2002 年创办至今已有 18 年,达到如今的高度并无捷径可循。

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