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馬斯克改寫人類航天史!SpaceX實現全球首次商業載人發射

“GO NASA,GO SpaceX!”馬斯克帶領下的 SpaceX 再度迎來高光時刻,正式開啟全球商業載人航天的全新時代,人類航天史正在被改寫!

圖 | 火箭點火升空!

台灣時間 5 月 31 日凌晨 3:23 ,SpaceX 最新的載人龍飛船在美國肯尼迪航天中心 39A 發射台成功發射,在全球觀眾的注視下,載著兩名宇航員還有一隻恐龍玩偶前往國際空間站。

在今天任務進行前,此次發射已經因為氣象原因推遲了一次。在歷史性的載人發射任務面前,SpaceX 和 NASA 都無比謹慎。而在今天的發射前數個小時,NASA 官方依然表示僅有 50%的概率能夠按時發射。

點火升空約 2分半後,一級火箭分離。9 分半鍾後,一級火箭成功降落在海上平台,成功實現回收。到了第 12 分鐘,載人龍飛船按計劃與火箭二級分離,至此,歷史性的商業載人任務在發射階段一切順利。

圖 | 一級火箭成功回收

載人龍飛船在與二級火箭分離之後,就是一段依靠自身動力不斷調整軌道高度,在繞著地球飛的同時,不斷“追趕”國際空間站的過程。

相對於很多衛星來說,國際空間站軌道高度不高,平均約為 400 公里,按照 SpaceX 的飛行計劃,龍飛船將在飛行約 19 個小時後與空間站相會。這是一個幾乎全自動的過程。也只有當飛船與空間站成功對接,以及在 1-3 個月後完好地返回地球,此次任務才能算是最終完成。

向來自信滿滿、懟天懟地的馬斯克在發射前的採訪裡說“如果成功了, 那是 NASA 和 SpaceX 的功勞,如果失敗了,那就是我的問題。”“火箭發射可能有無數種失敗的方式,但成功的方式只有一種。”

載人航天可以說是航天領域難度最高的任務。如今,SpaceX 正式成為首個掌握載人飛船和發射能力的私營公司。要知道,在此之前,有能力進行載人發射的僅有蘇聯/俄羅斯、美國和中國,這其中無一例外都是以國家力量在推動。

圖 | 鮑勃·本肯(左)和道格·赫爾利(右)(來源:SpaceX)

執行此次飛行任務的是兩名資深宇航員鮑勃·本肯 (Bob Behnken)、道格·赫爾利 (Doug Hurley),兩人在過去都是開過太空梭的人。在這個可以裝在 7 人的飛船裡,顯得空間非常寬敞。

圖 | 宇航員 3 號——小恐龍安全帶已綁好,飛行準備就緒!

跟著飛船上空間站的還不止兩個宇航員,在一旁的座位上,一個小小的恐龍玩偶也有幸參與到了飛行任務中,安靜地佔有了一個宇航員的座位,乖乖地綁好了安全帶,把此次載人飛行妥妥地安排成“載龍飛行”。

在任務圓滿成功的情況下,SpaceX 載人龍飛船將在下一次飛行任務中將 4 個宇航員送上空間站。

視頻 | 載人發射完整演示視頻

載人航天:馬斯克又引領了一個領域

太空梭時代落幕之後,美國已經近 10 年沒有載人發射能力。今天 SpaceX 的發射將美國重新帶回載人發射國家的行列。

美國的宇航員終於可以不用坐著俄羅斯的飛船上下班了。

在今天發射前,NASA 放出了此前阿波羅任務、太空梭的發射視頻,而 SpaceX 載人飛船出現在視頻結尾,意味著接過美國載人航天的大旗。

視頻 | 在阿波羅計劃、太空梭之後,SpaceX 開啟美國載人航天的新時代

2011 年 7 月 21 日,亞特蘭蒂斯號太空梭安全著陸,結束了 30 年美國太空梭服役的歷史。此後,俄羅斯的聯盟號載人飛船成為了空間站的唯一“訪客”。但這一研製於 1960 年代的飛船,內部空間簡陋而狹小,載人數量和舒適度都很有限。

圖 | 亞特蘭蒂斯號降落,上演太空梭絕唱(來源:NASA)

目前,中美俄三國都在開發新一代的載人飛船,其中大空間、可重複是基本的追求。其中,中國的新一代載人飛船、SpaceX 的載人龍飛船、波音的 Starliner 最多載人數量都提升到了 7 位。空間大了,內部設備也更加現代化了,連觸摸屏都用上了。

此次發射也是全球範圍內,新一代載人飛船首次正式投入使用,對宇航員和太空遊客來說,可以更舒服地來往空間站了。

除了超大的內部空間,龍飛船還有一項顛覆性設計,就是拋棄了主流的逃逸塔,而是讓飛船本身兼具自主逃學生的功能。這樣設計有什麽道理呢?這背後,寄托著馬斯克的重要夢想:可重複,可重複,可重複。

圖 | 聯盟號內部空間

圖 | SpaceX 載人龍飛船內部空間

圖 | 通過觸屏完成多數操作,這才是屬於 21 世紀的設計

圖 | 太空梭內部圖,宇航員表示熟悉了太空梭的操作之後,甚至有些不適應龍飛船內簡潔、現代的設計和控制方式

在過去載人發射任務中,各國的火箭均配備了逃逸塔,這個尖尖的逃逸塔就像一個小型火箭一樣,接在火箭的最頂端。

在發射階段出現意外時,逃逸塔上部的發動機能迅速啟動,帶著宇航員逃離事故現場,並最終通過傘降的方式回到地面。如果飛船上升到一定高度後出現險情,飛船就可以利用自身的變軌發動機來撤離,因此,逃逸塔通常在發射約 2 分鐘左右被拋離,以減輕整體重量。

實際上,在人類航天史上,逃逸塔被使用的次數屈指可數,只有一次真正發揮了作用。但在安全至上的訴求下,它又是載人航天任務的標配,於是,不得不在每次發射中都丟掉一個逃逸塔。

與此同時,過去使用的載人飛船,包括上面的返回艙、軌道艙都是一次性的。於是,已經實現火箭重複使用的 SpaceX,又打起了載人飛船的主意,如果實現其可重複使用,這將大幅降低載人發射的成本。

視頻 | 飛行終止測試

要實現重複使用,載人龍飛船第一步就是捨棄逃逸塔,在飛船四周配備了 8 台 SuperDraco 發動機,實現了“自帶逃逸系統”,在逃逸時可以隨時啟動。

其中每台 SuperDraco 發動機都可產生 1 萬 5 千磅的推力。8 台 SuperDraco 同時點火產生的推力,可在 1.2 秒內將飛船從 0 加速至 100 英裡/小時,最高速度可達到 345 英裡/小時。

圖 | 飛行終止測試效果圖

與此同時,載人龍飛船配備了可更換隔熱罩。其他飛船在返程進入大氣層時,必須借助隔熱罩摩擦減速和燒蝕降溫,導致飛船無法重新使用;而載人龍飛船則重新設計了飛船隔熱罩,實現了模塊化更換,為飛船重複使用打下基礎。

此外,為了降低成本,載人龍飛船還通過材料技術上的突破,讓飛船自己在大氣中飛行時具備足夠的保護能力,擺脫了對整流罩的依賴。

不過,這種追求低成本的大膽設計,同樣會帶來可靠性問題。

原因是逃逸發動機和推進劑貯箱就安裝在宇航員的加壓艙周圍,由於逃逸發動機貼近宇航員座位,發動機或是推進劑萬一出現異常,就可能直接把整個飛船給炸了。

圖 | 載人龍飛船

趨於保守的 NASA 對此方案並未完全信任,要求 SpaceX 以及同樣採用了類似方案的波音進行更加嚴格的測試。

直到現在,雖然飛船已經展現出多次飛行的能力,但 NASA 仍然要求在執行載人任務時,飛船必須是嶄新的一手貨,但用過之後的二手飛船可以留著以後給空間站送貨。

那個抽大麻的家夥打敗了波音

今日的成功,將馬斯克和 SpaceX 在航天領域的影響力推至高點;與此同時,這也講述了一段“乾兒子”打敗“親兒子”的勵志傳奇。

作為一家私營航天公司,SpaceX 在 2003 年成立之後,就面對著巨頭環伺的險惡環境。在美國的航天任務中,包括波音、洛克希德·馬丁等幾個巨頭公司都是其中的主力選手,NASA 總能在各種項目中砸下巨資,用補貼或者數十億大訂單把這些公司養好,保持頂尖技術實力。這讓他們被稱為 NASA 的“親兒子”。

圖|波音和 SpaceX 載人飛船效果圖(來源:NASA)

這些“親生”公司不只是航天任務的供應商,也代表了美國航天技術的上限水準,因此就算是燒錢,NASA 也要一直養著。

當然,NASA 對 SpaceX 也不差,訂單不斷,甚至在 SpaceX 最危機的時刻,還出手挽救了馬斯克。但總體來講,SpaceX 獲得的支持力度和幾個“親兒子”沒法比。

時間窗口在 2010 年打開。

在 NASA 的規劃中,除了需要重新發展本國的載人航天能力,未來包括空間站在內的近地空間需要逐漸向商業讓位。空間站和往返空間站的運載火箭由商業公司承接,NASA 則專注在月球、火星等更遠的深空探索。

為此,NASA 在 2010 年啟動了“商業乘員開發”(CCDev)計劃,資助數家公司開發載人飛船,SpaceX 入圍。一開始,SpaceX 怎麽看都像是個陪跑者,而波音則是毫無疑問的種子選手。

在這項計劃的前幾年中,業界看法空前一致,波音不會輸。而 SpaceX 則被不少人看作只是馬斯克的幼稚幻想,SpaceX 的火箭也被批評為“橡皮筋+密封蠟的成品”,能不能飛起來都是個問題。NASA 指望它能扛起載人航天的大旗?這太幼稚了。

然而,“天真”的馬斯克和稚嫩的 SpaceX 就是在這樣的質疑和嘲笑下,開始了載人飛船的研製工作。

圖|NASA 向波音撥款超過 49 億美元

慣例依然在起作用,波音每一次獲得 NASA 的補助和合約金額都遠大於 SpaceX。從計劃開始到如今正式載人發射,NASA 在這一計劃中撒下近 84 億美元,超過 49 億美元進了波音的口袋;相比之下,SpaceX 獲得的資助金額要少得多,約 31 億美元。

馬斯克也受了刺激,在推特上大呼:這太不公平了。波音做著和 SpaceX 一樣的事情,卻拿了更多的錢。

如今到了交考卷時刻,兩家的差距還是相當大,不過,SpaceX 已經變成領跑者。

雖然兩家都有不同程度的延期,SpaceX 在 2019 年 3 月就進行了載人飛船的無人首飛,奠定了此次正式載人任務的基礎。

根據《華盛頓郵報》的一則報導,一位波音高管對 SpaceX 贏下這場太空競賽顯然不能接受,“這個抽大麻的家夥怎麽能打敗我們?”(2018 年 9 月,馬斯克曾在一檔電台節目上直播抽大麻。)

相比之下,“親兒子”波音載人飛船的表現就讓 NASA 有點尷尬了,2019 年底,波音經過數次推遲終於把新的載人飛船 Starliner 放到了發射架上,開始首次無人測試飛行。

但這醞釀快十年的飛船,第一發居然就打“飛”了。運載火箭將飛船送上預定高度後船箭正常分離。但 Starliner 飛船在後續利用自身發動機點火的過程中出現意外,沒能進入預定軌道。

圖|波音和 SpaceX 載人飛船對比

進度慢就算了,波音還很貴。

從一份美方報告可知:SpaceX 載人龍飛船的報價為每個座位 5500 萬美元。那波音呢?船票每人 9000 萬美元,比 SpaceX 貴了 60% 以上。甚至,這比俄羅斯近年來每人 8000 多萬美元的報價還貴。

圖 | 聯盟號上座位的單價(來源:NASA Office of Inspector General)

原本商業航天應該是通過商業運營的方式,最終達到降低成本、價格的效果,而波音看起來做的很差。

當初,NASA 為了增加競爭的趣味性和象徵意義,宣布第一個將宇航員送上國際空間站的公司,將會得到一份珍貴大禮——一面美國國旗。這可是最後一次太空梭任務中留下來的,極具紀念價值。

顯然,這面旗幟已是馬斯克的囊中之物。

NASA 經驗和矽谷思維的碰撞

載人航天可以說是航天領域的“聖杯”。此前從來沒有一個商業航天公司具備載人飛行能力,直到馬斯克的出現。但要 NASA 放心地將宇航員交給私營公司,絕非易事。

在大約 15 年前,NASA 開始嘗試讓商業航天公司開發能夠往返國際空間站、執行運輸任務的飛船。

時任 NASA 局長邁克 · 格裡芬提出用 5 億美元作為種子資金,資助企業開發私人製造的航天器。那時還是太空梭時代,平均每次發射的成本都超過 5 億美元。所以拿出這筆錢資助包括 SpaceX 在內的私營企業,這是 NASA 下的一個小賭注,也是一個起點。

當時,NASA 這種國字號機構很難真正相信商業航天公司。尤其 SpaceX 從 2006 年起,連續 3 年火箭發射全部以失敗告終。而馬斯克的形象,也不過是一個自大且易怒的企業家,這讓不少人心存疑慮。

NASA 是一個龐大的官僚機構,習慣於按照自己的方式行事,他們憑借資金和航天經驗,可以告訴承包商應該如何做事。相比之下,SpaceX 擁有更接近於矽谷的思維模式,較少受到歷史包袱和過時經驗的束縛。

這其中有一個很鮮明的例子。多年前,NASA 的傳奇飛控指揮官吉恩克·蘭茲(Gene Kranz)把他的回憶錄定名為《失敗不是一個選項》(“Failure Is Not an Option”),以紀念從水星計劃到阿波羅計劃期間他在任務控制中心的日子。更重要的是,在“Failure Is Not an Option”這種思維方式指引下,他和團隊還成功地把阿波羅 13 號帶回了家。這種思維在航天界近乎信仰。

然而,作為混跡矽谷多年的連續創業者,馬斯克卻對這種思維方式嗤之以鼻,早在 2005 年與 NASA 簽訂第一份合約之前,他就明確表達了自己對這種精神的蔑視:“這是一種愚蠢的想法,認為 NASA 不會選擇失敗。在我看來,失敗就是一種選擇,如果沒有失敗,就說明你的創新不夠。”

隨著 SpaceX 和特斯拉近年來發展迅猛,馬斯克的這句話也廣為流傳。

好在 SpaceX 的成績單也足夠優秀,馬斯克才沒有成為笑柄。最關鍵的莫過於獵鷹 9 火箭的橫空出世,直接改變了航天遊戲的玩法。除了到目前依舊是全球唯一實現了重複使用的火箭,獵鷹 9 也是全球範圍內可靠性最好的火箭之一。加上今天的載人發射,獵鷹 9 這款火箭已經執行了 85 次飛行任務,只有兩次失敗,其中一次是在地面上發生爆炸。在最近 3 年多時間裡,獵鷹 9 已經 60 次發射全部成功。

不過,面對性命攸關的載人航天來說,“Failure Is Not an Option”的精神依然值得重新回味,畢竟 NASA 的主要目標是讓它的宇航員安全地進出國際空間站。

實際上,隨著 NASA 和 SpaceX 在商業載人方面的合作,雙方的文化碰撞並融合在一起。

在雙方磨合的過程中,NASA 能夠為 SpaceX 做的事情之一,就是把它的一些操作經驗,以及對安全的重視帶到開發商業載人飛船的過程中。而 SpaceX 對此也頗為接受。

圖 | 獵鷹 9 火箭印上經典 NASA 標誌

“他們的督促讓我們可以腳踏實地,”SpaceX 製造和飛行可靠性副總裁漢斯·科尼格斯曼(Hans Koenigsmann)說到,“我們有時會發生有關設計製造方面的衝突,然而,最終的結果還是將安全作為了首要考慮的事情。”

執行此次飛行任務的兩名宇航員道格·赫爾利和鮑勃·貝肯,此前甚至會每周都代表 NASA 前往 SpaceX 的總部探討進度。在赫爾利看來,雙方當然有文化的差異和成長的煩惱,但令人驚訝的是,從某種意義上來說,這兩個組織可能並沒有做出改變,而是相互適應,各個子系統的總體都做的非常成功。

在這一來一往之間,我們也似乎從 SpaceX 的身上看到了曾經 NASA 的影子。“在某些方面,SpaceX 可能會更類似於 NASA 在 20 世紀 60 年代的做法,當時我們正準備登月,”赫爾利說,“當時的 NASA 要年輕得多,員工大多在 20 多歲。而現在 SpaceX 的員工平均年齡是 29 歲,他們就像 20 世紀 60 年代的 NASA 一樣,面對太空正摩拳擦掌、躍躍欲試。”

終於,年輕的 SpaceX 再一次翻開了人類航天歷史的新篇章。

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