2020-05-31

龙飞船首次载人升空 美国9年后如何重启载人航天?龙飞船NASA美国

龙飞船首次载人升空 美国9年后如何重启载人航天?龙飞船NASA美国


  新京报讯(记者 倪伟)时隔9年,美国航天员再次从本土起飞。

  北京时间5月31日3点22分(美国东部时间5月30日15点22分),佛罗里达肯尼迪航天中心,经过3天前的推迟,NASA(美国航空航天局)航天员罗伯特·贝肯和道格拉斯·赫利乘坐"载人龙"(Crew Dragon)飞船升空,前往国际空间站。

  这是一次全新的旅程,首次承担载人任务的火箭与飞船,让美国重获载人航天能力。自从2011年航天飞机退役,美国失去载人工具,之后9年,航天员均借助俄罗斯联盟号飞船去往国际空间站。

猎鹰九号火箭在佛罗里达肯尼迪航天中心成功发射猎鹰九号火箭在佛罗里达肯尼迪航天中心成功发射"载人龙"飞船。图/NASA

  9年过去,世界航天格局已经与往日不同。此次任务也预示着多重变化,最重要的是,私营航天企业终于跨入载人航天领域。首个完成这一创举的企业,不出意外,仍是步伐最快的SpaceX。

  此次发射,也是美国接下来一系列雄心勃勃载人航天项目的先声,包括提速至2024年的载人登月。

  两个时代的更迭:从航天飞机到龙飞船

  道格拉斯·赫利,这位前美国海军陆战队战斗机飞行员,既是上一个时代的送别者,也是新时代的启幕人。

  2011年7月8日,赫利与另外3名同事共同乘坐亚特兰蒂斯号航天飞机,前往国际空间站实施补给任务。这是航天飞机历史上的最后一次飞行,30年里航天飞机飞行135次,既获得过无数荣光,也留下了挑战者号与哥伦比亚号失事的悲怆。

  自此以后,航天飞机全部退役,告别太空。

2011年7月8日,亚特兰蒂斯号航天飞机执行航天飞机最后一次飞行任务。图/NASA2011年7月8日,亚特兰蒂斯号航天飞机执行航天飞机最后一次飞行任务。图/NASA

  如今,"老司机"赫利再次出山,参与美国重启载人航天后的第一次飞行任务,一个人将两个时代衔接了起来。在亚特兰蒂斯号里,赫利的角色是指挥官,此次任务中他的角色是掌控与发射、着陆、回收有关的操作。

  任务中另一位航天员罗伯特·贝肯,也是经验丰富的前航天飞机乘员,曾于2008年和2010年两次执行太空任务。他在太空中停留了708个小时以上,并6次实施太空行走,共计超过37个小时。贝肯此次负责交会对接、解除对接以及飞船与空间站处于对接状态期间的各项工作。

  一切顺利的话,"载人龙"载着两人飞行19个小时以后,将与空间站对接,两人随后进入空间站。此次任务中的"载人龙"可以与空间站合体运行110天左右,而NASA要求"载人龙"能在轨运行至少210天。

"载人龙"与国际空间站对接效果图。图/NASA

  两名航天员何时返回还不能确定。从最初7天短暂试飞任务,升级为30至119天正式任务,目前看来从一个月到四个月都有可能,NASA至今没有给出最后时限。

  "NASA也有点左右为难。"全国空间探测技术首席科学传播专家庞之浩说,一方面飞船受其半包围体装式太阳能电池板使用寿命限制,这种曲面电池板因受热不均可能造成性能衰减,从而影响飞船停靠空间站的时间;另一方面,由于空间站目前只有一名美国航天员,而要完成的任务很多,所以NASA希望刚去的两名航天员可以工作久一点,帮助完成一些复杂的出舱作业任务。

  任务结束后,飞船将搭载航天员自动脱离空间站,再入地球大气层,在佛罗里达大西洋海岸附近溅落海中,被SpaceX的救援船打捞。

  这一切流程,都在去年3月的第一次验证任务中预演过了。当时,"载人龙"完成无人往返国际空间站,成为首个自动与国际空间站对接的美国载人飞船。

2019年3月8日,  2019年3月8日,"载人龙"完成无人试验飞行后溅落佛罗里达州东海岸约200英里处海面,被救援船打捞。图/NASA

  "载人龙":新一代载人飞船的诞生

  此次任务是"载人龙"飞船第二次验证任务,也是最后一项主要试验任务。试验成功后,"载人龙"将拿到NASA的"牌照",未来执行运送航天员往返国际空间站的任务。

  利用迄今最安全、最先进的系统之一,SpaceX正率先帮助美国恢复载人航天能力。

  从外观来看,与以往全球各类飞船相比,"载人龙"充满科幻感,似乎是另一个世界的产物。

"载人龙"外观,为乘员舱和非密封舱两舱式设计,充满科幻感。图/SpaceX官网

  庞之浩认为,"载人龙"的设计理念非常具有未来感,改变了以往载人飞船"重功能,轻设计,无美感"的通病。例如,"载人龙"比货运龙飞船更苗条圆润,设计有4扇舷窗,大幅扩展了航天员视野,航天员出入飞船的进出臂也更加现代和科幻。

  飞船内部设计也十分简洁,庞之浩感觉"与特斯拉汽车内部设计很相似"。整个乘员舱看起来就像一辆豪华轿车,一共有7个真皮斗式座椅,上层4个下层3个,采用碳纤维和阿尔坎塔拉织物材料。

  连航天员的航天服,也不再是以往臃肿的模样。航天服以白色为主调,配搭黑灰色,苗条贴身,更像是一套赛车服。据悉,SpaceX创始人埃隆·马斯克专门从好莱坞请来服装设计大师Jose Fernandez设计了航天服的外观,后者曾为蝙蝠侠等超级英雄设计服装。

执行此次任务的两名航天员身着新型航天服。图/NASA执行此次任务的两名航天员身着新型航天服。图/NASA

  更具革命性的变化在于飞船使用了大量新技术和新材料。庞之浩介绍,"载人龙"是一艘完全自动驾驶的宇宙飞船,可以实现全程自动化飞控、全自动对接空间站、全自动应急处理各项预案等,也可以切换到人工操控,受到总部飞行控制中心监控。

  相比以往的载人航天器,"载人龙"的信息化水平大幅提高。其操控台由3块可移动的大型液晶触摸控制屏组成,是驾驶控制的关键,操作过程与使用iPad接近。航天服上的手套兼容触摸屏,航天员戴着手套就可以操作。

  庞之浩认为,"载人龙"的最大特点当属首创的新型发射逃逸系统。以往载人飞船都使用逃逸塔作为救援手段,而猎鹰9号发射"载人龙"过程中如果出现故障,飞船将利用自身8台"超级天龙座"发动机系统进行发射逃逸。

今年1月19日,  今年1月19日,"载人龙"飞船完成了发射中逃逸试验,飞船装配的"超级天龙座"发动机点火,将飞船推离火箭。图/SpaceX官网

  这种集成式发射逃逸方案的好处在于,飞船具备全程逃逸能力。也就是说,如果采用传统逃逸塔方案,飞船只有在点火后短暂时间内才能弹射逃生,再升高就无法自救了。而"载人龙"发射期间如果遇险,发动机将立即启动,将飞船推离火箭,抵达安全地带降落,即在上升阶段任何时刻都能逃逸。

  今年1月19日,"载人龙"飞船完成了发射中逃逸试验,为"载人龙"首次真人秀做完了最后也是最关键的铺垫。

  载人航天复苏,NASA瞄准2024年登月

  航天飞机退役后,美国如何再次将航天员送入太空,一直是个尴尬的问题。

  9年里,美国只能依靠俄罗斯的联盟号飞船,送航天员往返空间站。不过,俄罗斯的"船票"价格一路飞涨,单人舱位费已破纪录地高达近9000万美元,15年间几乎飙升400%。

  NASA一份报告显示,截至2019年7月,美国航天局为美国与伙伴国航天员往返国际空间站,累计购买了联盟号飞船70个座位,总金额达39亿美元。

  美国其实从未放弃重新研发自己的天地往返载人工具。在航天飞机退役前的2010年,NASA就投资了5000万美元,激励蓝色起源、波音等数家私营航天企业加入商业载人航天计划,开发载人运输系统。2011年,SpaceX也加入进来,NASA向4家公司授予近2.7亿美元经费支持。

  2014年,NASA最终选定波音与SpaceX,总共授予68亿美元的订单,用以研发载人航天运输系统。两家公司分别研制出了"星级航船(CST-100 Starliner)和"载人龙"飞船。

2014年,埃隆·马斯克在SpaceX总部首次公布第二代龙飞船即2014年,埃隆·马斯克在SpaceX总部首次公布第二代龙飞船即"载人龙"飞船的外观。图/NASA

  本土企业研发的飞船,将大大降低NASA的成本。NASA在商业载人航天计划启动之初,就给私营航天企业提出了三个要求:安全、可靠和经济。根据去年NASA发布的一份商业载人计划报告,按计划,"载人龙"飞船单个舱位费只有5500万美元,远低于俄罗斯联盟飞船目前9000万美元的价格。

  节省下来的资金,NASA有着更重要的用途。

  从航天飞机时代的"国有"体制转向飞船时代的"商业"模式,NASA有着自己的考量。NASA希望让私营企业接过近地轨道载人航天运输的任务, 自己可以腾出手来,集中精力为深空探测任务研发更具高难度的飞船和火箭。

  早在2004年,美国就提出了太空探索远景计划,计划研发一种新型的飞船,足以将航天员送往地球轨道之外的地方。这艘飞船后来被命名为"猎户座",与之搭配的火箭是新一代重型火箭SLS(太空发射系统),这两者是NASA未来载人深空探测的主力手段。

  NASA宣称,商业载人航天计划将是一个转折点,为未来载人飞向月球、火星乃至更远星球的探索奠定基础。NASA已经宣布,将在2024年让航天员重返月球,其中包括一位女性,载人登月运用的组合就是"SLS+猎户座"。

  不过,"猎户座"和SLS研制进展缓慢、费用高昂,首次非载人合练已经推迟到2021年,NASA 投入的总费用逼近400亿美元。

  SpaceX迈开载人航天第一步,火星计划已经启动

  SpaceX能够成为NASA在商业载人航天领域的两家合作企业之一,优势非常明显。自2012年以来,SpaceX的货运龙飞船一直往返于国际空间站与地面,为空间站运输货物,迄今已经21次前往空间站。

2014年9月23日,空间站内的航天员举起相机拍摄一艘接近空间站的货运龙飞船。图/NASA2014年9月23日,空间站内的航天员举起相机拍摄一艘接近空间站的货运龙飞船。图/NASA

  "载人龙"的研发也是建立在货运龙飞船的基础上。"载人龙"与货运龙飞船都采用两舱式设计,只是上半部分不同,分别为乘员舱和货运舱。为实现龙飞船快速从货运舱转换成乘员舱,除了乘员逃逸系统、生命保障系统和船载控制系统等与载人有关的特设系统外,"载人龙"乘员舱和货运龙飞船的货舱在结构上几乎是相同的。

  相比之下,波音的载人航天进展略显迟滞。星际航船在2019年12月进行了首次无人测试飞行,当时出了故障,没能与空间站成功对接。目前波音公司正计划自费进行第二次无人驾驶试飞,希望奋起直追,在2021年之前向空间站发射载人的星际航船。

  庞之浩说,美国在近地轨道的商业载人航天计划,采用官方发包、发射商承包的商业模式,将为NASA节省大约200亿-300亿美元。所以"载人龙"此次任务如果成功,不仅是美国重启载人航天的关键一战,也将开启商业载人航天新时代。

  值得一提的是,马斯克的野心并不比NASA小。"载人龙"仅是SpaceX载人航天计划的一小步,SpaceX更宏大的星际飞船计划(Starship)已经启动研发,其中的火箭据称近地轨道运载能力将超过100吨,而飞船将具备载人登陆火星的能力。

  对于号称以移民火星为终极梦想的埃隆·马斯克,星船计划无疑才是更重要的任务。


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