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專家揭秘:時隔九年再上天的美國載人飛船

在經歷了9年空窗期後,美國計劃於台灣時間5月28日4時33分,用太空探索技術公司研製的全新“獵鷹9號”火箭,把載有羅伯特·貝肯和道格拉斯·赫利2名航天員的全新“載人龍”(Crew Dragon)飛船送上天。

這次發射號稱是自美太空梭2011年7月執行最後一次任務以來,美國航天員首次從美國本土升空飛行,也是太空探索技術公司成立18年以來首次載人任務,將使其成為歷史上第一家使用私人製造火箭和飛船將人類送入軌道的公司。我們約請全國空間探測技術首席科學傳播專家龐之浩和您聊聊有關美國“載人龍”飛船的一些事兒。

問:“載人龍”飛船有什麽基本特點?

答:“載人龍”飛船又叫第2代“龍”飛船,它具有可重複使用、乘員運輸能力強、內部空間大和操作友好等特點,能夠執行低成本、業務化的低地球軌道載人航天飛行任務。

它和“龍”貨運飛船一樣,也用獵鷹9號火箭發射,都採用兩艙式設計,只不過“載人龍”是由乘員艙和非密封艙兩部分組成的,內部增加了生命保障系統、座椅和控制面板等;而“龍”貨運飛船是由貨運艙和非密封艙兩部分組成的。不採用“聯盟”載人飛船那種三艙段設計的優點是內部加壓空間都集中在一個艙段內,可明顯增加航天員的舒適度,搭乘的航天員也多。另外。乘員艙前還有一個保護交會對接裝置的前錐體。

為了確保“龍”飛船能快速從貨運艙轉換成乘員艙,除了乘員逃逸系統、生命保障系統和允許乘員利用飛行計算機控制船載控制系統等與載人有關的特設系統外,“載人龍”飛船的乘員艙和“龍”貨運飛船的貨艙在結構上幾乎是相同的。

乘員艙用於運送乘員和加壓貨物;非密封艙攜帶非加壓貨物。“載人龍”採用最高級的碳纖維材質和阿爾坎塔拉麵料,淨重9.525噸,發射質量15噸,高8.1米,直徑4米,加壓容積10立方米,非加壓容積37立方米,上行載荷能力6000千克,下行載荷能力3000千克,處理廢棄物800千克。該飛船可獨立飛行工作7天,對接狀態下能工作210天。

與“龍”貨運飛船相比,“載人龍”飛船有不少突破。例如,“載人龍”使用了新的超級天龍座發動機系統、觸摸控制屏和更耐用的熱防護層等眾多下一代航天器技術,可容納7名航天員(目前俄羅斯“聯盟”飛船只能搭載3人)。

它是一艘完全自動駕駛的宇宙飛船,可以實現全程自動化飛控,全自動對接空間站,全自動應急處理各項預案等,當然也可以切換到人工操控,同時同步受到總部飛行控制中心監控。它的信息化水準大幅提高。其操控台由3塊可移動的大型液晶觸摸控制屏組成,它們是駕駛控制的關鍵,操作過程與使用iPad接近。這款飛船的操控和飛行信息顯示在3個面向指揮官和駕駛員的大尺寸觸摸屏上。觸摸屏兼容航天服的手套。

觸摸控制屏下方有若干物理按鍵,位於中央控制台上的人工按鍵是專為緊急情況下執行關鍵任務使用,即如果觸控屏出現故障,所有功能都可通過硬體控制來實現,“滅火”按鍵需要航天員按壓物理按鈕來操作。這種高度電子集成和平板顯示降低了飛船操作難度,對航天員十分友好。

問:據說“載人龍”飛船取消了可展開太陽電池翼的設計,這是怎麽回事兒?

答:“龍”貨運飛船採用可展開的太陽電池翼,而“載人龍”飛船的一大亮點是取消了可展開太陽電池翼的設計,而是採用非加壓艙半包圍體裝式太陽能電池板,這是一大創新。這樣可以避免出現電池翼展不開的故障,而且比展開式太陽能電池翼使用率高,效能更好,無論哪個角度,只要有太陽光照,飛船就會吸收光異塵餘生。當然,採用這一技術對成本和集成工藝要求甚高,除了太陽能電池板必須變成曲面集成外,還需要慎重考慮、反覆測試熱膨脹問題。

該飛船另一大亮點是設計理念具有未來太空感,改變了以往載人飛船“重功能,輕設計,無美感”的通病,讓搭乘“載人龍”飛船變成一種太空享受。例如,雖然“載人龍”在外形上是一個傳統的鈍錐形彈道膠囊與一個鼻錐形帽設計,但它比“龍”貨運飛船更苗條圓潤。飛船設計有4扇舷窗,大幅擴展了航天員的視野。航天員出入飛船的進出臂也設計得很現代、很科幻。

其內部設計簡潔,與特斯拉電動汽車內部設計很相似。整個乘員艙看起來就像是一輛豪華的轎車,一共有7個褐色真皮鬥式座椅,上層4個,下層3個,它們採用碳纖維和阿爾坎塔拉織物材料。為了多帶東西,也可以變成4座。其運貨空間位於飛船尾部,最多能容納14立方米的貨物。如果不搭載7名航天員,還可以加載等量的貨物。

該飛船既可與“國際空間站”自動對接,也能在航天員的手動控制下完成對接,而無需“國際空間站”的機械臂協助。這意味著“載人龍”採用了更新的測控設備,能達到更高的控制精度。

由於飛船底部主熱防護系統採用了第三代PICA-X改進型酚醛浸漬碳燒蝕材料,所以飛船再入大氣層時可承受多次高溫燒蝕而不呈現嚴重退化,使航天員在重返大氣層時能得到更好的保護,也有利於乘員艙多次使用,提高了飛船的重複使用能力,因此有著很好的經濟性。它在執行月球或火星飛行任務也無需任何改動。

問:據說“載人龍”的發射逃逸系統有創新,具體是怎麽回事兒?

答:“載人龍”最大的特點是採用了首創的新型發射逃逸系統。如果在“獵鷹9號”發射“載人龍”的過程中火箭出現了故障,該載人飛船救生將不使用逃逸塔,而是利用自身裝配的超級天龍座發動機系統進行發射逃逸(該發動機原計劃也可用於軟著陸,現取消),這種集成式發射逃逸方案的好處是逃逸系統全程都在飛船上,讓其具備全程逃逸能力,讓“載人龍”飛船自己就具備逃逸能力;另外,由於避免了逃逸塔分離過程,簡化了整流罩,所以能提高乘員安全性;還有,該逃逸系統能重複使用。

具體說來就是在“載人龍”飛船4個側面分別裝備推進器吊艙,每個吊艙配有2台超級天龍座發動機。它仍採用冗余設計的理念,2台一組,互為備份,每隔90°安裝一組。在這4組8台發動機中,任何1台出現故障時都不會對飛船產生顯著影響。

每台超級天龍座發動機的推力可達1.6萬磅(是“龍”貨運飛船所用發動機的200倍),8台整合後的軸向推力達12萬磅。

不同於以往的發射逃逸系統,飛船在發射後的前幾秒才能彈射,如“載人龍”在發射期間遇到危險,這8台發動機便會立即啟動,將飛船推離獵鷹9號火箭,並抵達安全地帶降落,即在上升階段的任何時刻都能逃逸。

乘員艙中部有一個標有“EJECT”的大搖桿,在需要緊急逃離的情況下,航天員旋轉並拉動搖桿,就會啟動飛船引擎逃離危險。

2020年1月19日,編號為C205.1的“載人龍”飛船,完成了“發射中逃逸試驗”,為“載人龍”首次真人秀做好最後、最關鍵的鋪墊。

問:據說馬斯克也要乘坐“載人龍”,普通人花多少錢能坐上“載人龍”?

答:“載人龍”飛船曾打算採用被稱為“21世紀太空飛船的著陸方式”,即用超級天龍座逃逸發動機提供緩衝推力,進行懸停控制,加上四條可伸縮的衝擊減震著陸支腿。這樣可使飛船像直升機一樣準確地在陸地著陸場進行定點軟著陸,而且在緊急情況下仍能使用降落傘在海洋中降落。這不僅使飛船著陸更方便,還有助於重複使用,從而降低發射成本。不過,此方案已暫停研發,目前仍採用傳統的水上著陸方式,因為這樣更穩妥。它安裝了2個引導傘和4個主減速傘,採用降落傘減速-水面濺落的方式精確回收。

為了確保安全,“載人龍”先後進行了多次高空傘降試驗,只有一次因故障而失敗。

2019年3月,一艘無人駕駛的“載人龍”飛船自動與“國際空間站”對接,成功進行了首次無人測試飛行,圓滿完成了驗證-1任務。但當時“載人龍”內沒有載人,也沒有安裝顯示和控制模塊,所以內部顯得不夠完整。

承擔同樣商業載人航天運輸任務的波音公司就露怯了。其“星際航船”在2019年12月進行首次無人測試飛行時出現了“紕漏”,沒能與“國際空間站”對接。目前,波音公司正在計劃進行自費第二次無人駕駛試飛,但尚未確定具體時間,他們希望在2021年之前向“國際空間站”發射載人的“星際航船”。

本次試飛任務代號為驗證-2,其中航天員赫利負責發射、著陸和回收工作,貝肯負責交會、對接和解除對接以及飛船與空間站處於對接狀態期間的各項工作。

這次任務時間到底有多長目前還不能確定,因為老在變。從最初7天短暫試飛任務升級為正式任務(30-119天),一個月到3個月都有可能。美國航空航天局至今仍沒有給出最後時限,左右為難。因為一方面飛船要受“載人龍”半包圍體裝式太陽能電池板的使用壽命限制,這種曲面電池板的突出缺點是會因受熱不均有可能造成電池性能衰減,從而影響整個飛船停靠空間站的時間;另一方面,由於“國際空間站”目前只有一名美國航天員,但要完成的任務很多,所以美國航空航天局希望新上去的2名航天員(都是航天“老司機”)在“國際空間站”裡多工作一段時間,幫助完成一些複雜的出艙作業任務。

按計劃,從今年5月開始發射的“載人龍”飛船的艙位費只有5500萬美元(也有稱2200萬美元),波音公司的“星際航船”飛船的艙位費近7000萬美元,俄羅斯“聯盟”飛船的艙位費已破紀錄地高達9000萬美元(15年間幾乎飆升了400%)。太空探索技術公司老闆馬斯克稱,三四年內自己或許乘坐“載人龍”飛船去“國際空間站”。

美國商業載人航天計劃採用官方發包、發射商承包的商業模式,它將為美國航空航天局節省大約200億-300億美元。所以這次任務如果成功,不僅意味著美國重啟載人航天關鍵一發,也是開啟商業載人航天一個新時代。

來源:北京日報客戶端|記者 王鴻良

編輯:徐慧瑤

流程編輯:吳越

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