龙-2成功对接,载人航天迎新纪元
发布时间:2019-03-04
出品:科普中国
制作:太空精酿
监制:中国科学院计算机网络信息中心

     北京时间2019321539分,美国太空探索科技公司(SpaceX)成功用自家的猎鹰9号(Falcon 9)火箭发射龙-2Dragon-2)载人飞船。一天后的1852分,成功与国际空间站的和谐号节点舱对接。 

火箭发射瞬间(左)和飞船对接国际空间站最后阶段(右) 

    

     自从2011719日亚特兰蒂斯号航天飞机(STS-135)从国际空间站离开返回地球后,持续三十年的航天飞机项目最终结束,美国载人飞船再未抵达过国际空间站。这次SpaceX载人飞船测试任务的成功,不仅意味着这个商业公司的巨大飞跃,也标志着人类载人航天一个崭新的时代开始。 

    

     那么,这次发射的龙-2飞船,有什么非凡之处? 

    

  1. 更加安全 

    

     安全性毫无疑问是任何一个载人航天飞船最重要的基本需求。NASA一直是美国载人航天的主要领导者,目前愿意放开载人航天项目给民营航天,一个重要要求就是达到更高的安全性。2011年的商业载人航天项目(CCP)对安全性的要求是:飞船发射上升段和返回下降段宇航员损失比不得超过1:500,即每500次任务最多只能损失1位宇航员。考虑到最长210天的任务周期和各种太空意外,总指标是1270 

    

     举例对比而言,航天飞机项目要求1:90,俄罗斯联盟号飞船要求是1:110。而实际上,航天飞机在135次任务中失败2次并牺牲了14位宇航员,联盟号飞船是1:87 

-2飞船进行的整体紧急逃逸测试 

    

     为了达到这个指标,NASA对飞船测试的要求可谓极其严苛。龙-2飞船早在2015年就进行了成功的逃逸测试,按照创始人伊隆·马斯克的说法,后续又经过了数千个小时不同的测试。即便是运载用的新型猎鹰9-Block 5火箭,NASA也要求达到连续7次发射不得出任何问题,且要进行发射前的静态点火试验。 

    

     在这一次无人测试成功后,SpaceX还需要进行一次在轨逃逸测试,才有可能在20197月首次执行真正的载人任务。 

    

  2.可回收重复使用 

     -2飞船一大特色在于能做到最大限度的重复使用。此前,航天飞机是人类唯一可重复且投入使用的载人航天器具,但价格更是惊人。龙-2飞船在实现可回收和降低成本方面,做出了一系列重大改变。 

     a.自带逃逸系统。传统载人飞船发射必须携带昂贵的逃逸塔,在发射后两分钟左右就会抛掉。而龙-2飞船自带8台逃逸用SuperDraco超强发动机,可重复使用。 

     b.无需整流罩。整流罩是火箭冲出稠密大气时保护航天器的重要部分,和航天器共同位于火箭顶部,它要求质量低、强度大、信号通透性强,因而造价不菲。SpaceX因而也一直尝试回收自家猎鹰9号火箭的整流罩,毕竟这是500万美元的产品,然而从未成功。龙-2飞船的设计充分考虑了这一点,可以节约不少费用。 


SpaceX猎鹰9号和龙-2飞船组合(上)对比俄罗斯联盟号火箭与飞船组合(下) 

     c.可更换隔热罩。任何一个载人飞船返回大气过程中,必须依靠隔热罩摩擦减速和烧蚀降温,这是几乎无法逾越的障碍。龙-2飞船的隔热罩/烧蚀层,也能轻易实现模块化更新。 

     d.火箭亦可回收。龙-2飞船将会搭配猎鹰9-Block 5型火箭发射,后者的理论可回收次数近百次,不经过大修保养可做到连续10次左右回收。考虑到即便一枚新火箭的造价(6000万美元左右)也要比同行低很多,龙-2飞船使用自家公司的火箭发射费用也将大大降低。 

     e.着陆方案。目前由于NASA要求和安全性问题,龙-2飞船将采用经典的降落伞和大洋溅落并打捞的着陆方案。按照它原先的设想,飞船可以采用降落伞配合SuperDraco反冲发动机陆地降落,甚至全程反冲降落。未来在克服技术问题后,依然有可能恢复到原先方案。 

  3. 强大的载人能力 

     -2飞船最多可以搭载7名宇航员,相比而言,美国早期的水星计划、双子座、阿波罗飞船只能载1-3位,苏联/俄罗斯的东方号、联盟号飞船只能载1-3位,中国神舟飞船只能载3位,NASA新一代在研的猎户座飞船只能载2-6位。 


-2飞船(左)与实际发射的联盟飞船(右)对比,龙-2飞船有分离的货物区,7名宇航员即便全副武装准备发射,内部空间也要宽敞许多 

     因而,它的运力能够与航天飞机打成平手,同为世界第一。但二者单次发射费用相差悬殊:航天飞机135次任务花掉了2000亿美元,平均约15亿美元一次,而龙-2飞船目前报价仅在单次1.6亿美元左右。单纯从载人航天的角度,性价比可谓极高。 

  4.新科技的运用 

     SpaceX代表了美国多年积累的航天技术商业化集中体现,也融合了一系列新技术。例如,8台逃逸发动机是采用了激光3D打印铁铬镍材料制造而来,可重复使用。 

-2飞船并没有传统意义上的巨大太阳能帆板 

     它的能量供应依然主要来自太阳能电池板,不过不同于传统飞船巨大犹如翅膀一般的太阳能帆板,龙-2飞船采用了在货舱外壳上贴折叠式太阳能电池片的方式,整体更加集约高效。 

     -2飞船能够实现自动对接国际空间站,并不需要空间站上机械臂的帮助,也大大简单于曾经航天飞机极其复杂的对接过程。一方面提高了安全性,另一方面也降低了总体工作量。 


与国际空间站自动对接艺术效果图 

     为应对突然的失压甚至真空状态,龙-2飞船的设计依然能够让整体正常运行。此外,SpaceX还设计了更加先进的宇航员舱内服,能够保障宇航员在这种紧急情况下的生存,提高安全性。历史上,1971年的联盟11号任务就是在返回地球期间失压,三名宇航员牺牲。 

  5.更加舒适的内部空间 

     -2飞船能装7人,自然不小。它的内部加压空间有9.3立方米,集中在一个舱段里,非加压舱段也有12.1立方米,即便不载人它也是个优秀的货运飞船。两段式设计,是现在几乎所有新一代飞船的思路,中国新一代载人飞船也将这样设计。 

中国新一代载人飞船(上)也将使用两舱段模式,和神舟飞船区别明显(下) 

     传统的神舟飞船和联盟号飞船载人部分又分成轨道舱和返回舱,导致每一个都很狭小逼仄。因而,龙-2飞船内部基本是一个科幻感十足的布局,空间并不拥挤。 

     考虑到NASA对商业航天运载器不得超过3倍过载的设计需求,这对人体的压力还没有游乐场的娱乐项目大,普通人的身体素质可以接受。 


联盟飞船(左)与龙-2飞船(右)的操作界面也完全不同 

     它也创新使用了电子触屏操作,与传统的机械控制面板相比可谓是颠覆式创新。与此同时,它也保留了机械控制的备份,增加系统冗余。对于高度智能化的飞船整体而言,宇航员在发射和返回过程中基本不需要复杂操作,整体环境非常友好。换句话说,降低了宇航员门槛。 

  6.极低的价格 

     表面看来,龙-2飞船1.6亿美元的价格让人咂舌,但比起其他飞船已经性价比极高。即便不与极其昂贵的航天飞机相比,它比现今国际载人航天市场的联盟号飞船也便宜许多。 


航天飞机退役后,一张联盟号“飞船票”的价格猛涨 

     一艘联盟号飞船仅能运送3人,飞船和火箭全部是一次性。此外,2011年航天飞机退役后国际载人航天市场被俄罗斯完全垄断,NASA不得不面对这一“封锁”局面。导致的后果是NASA为宇航员购买“飞船票”的价格暴涨,现在(2019)已经在8200万美元一张。 

     相比而言,龙-2飞船大约在2000万美元一张。此外,7人的运力已经足够把国际空间站一整个远征队(常年6人)全部替换。 

     如果考虑到它拥有货物运输能力,且返回时依然可以携带3吨左右货物,性价比更高。 

  7.NASA而言意义重大  

     进入新世纪后,NASA的发展方向发生了重大转变,逐渐降低工程类项目比重,转向侧重科学研究领域。一个典型的表现就是NASA逐渐退出载人航天市场,让给商业航天,轨道科学ATK(现并入诺格)、SpaceX、蓝色起源、毕格罗、内华达山脉等都在这一波大潮中得以发展。从NASA的角度,充分引入商业航天的竞争和利用它们背后的社会资本,毫无疑问是一件性价比极高的事情,SpaceX无疑是其中的佼佼者。 

     商业航天发射阶段,联合发射同盟、SpaceX、蓝色起源、轨道科学ATK等同台竞技,最终SpaceX拿出性价比最高的方案:崭新猎鹰9火箭报价6000万美元,复用版可打折。猎鹰重型火箭,运力更是现役世界第一。 


20182月,SpaceX猎鹰重型火箭首次测试时两个助推器成功返回着陆,犹如科幻一般的场景 

     商业航天货运阶段,SpaceX、轨道科学ATK竞争,现在前者的龙飞船已经执行了16次国际空间站补给任务,后者的天鹅座飞船为10次。 

     商业航天载人飞船阶段,SpaceX、波音、内华达山脉、蓝色起源等充分竞争,但显然SpaceX目前略胜一筹。NASA仅为龙-2飞船项目投入了大约26亿美元。相较而言,NASA自己研发的猎户座载人飞船已经花掉了超过200亿美元,NASA也给作为SpaceX对手的波音投入了42亿美元,SpaceX的龙-2飞船性价比明显。 

     航天飞机退役后,NASA每年在国际空间站项目上的投入都在15亿美元级别,其中为宇航员买联盟号“飞船票”就花掉了30多亿美元。随着商业航天的进一步发展,这种曾经烧钱维持载人航天发展的局面将得到很大改善,对NASA而言投资换来回报,可节约大笔资金,为下一步着重从事的深空探测储蓄力量。 

     随着商业力量逐渐降低载人航天的成本,它也距离走进普通人生活越来越近。1961年加加林秘密升空,当时的东方号飞船仅能供他一人勉强生存,返回时甚至需要在7千米的高空与飞船分离后跳伞。而2019年,酷炫十足的高科技龙-2飞船已经由商业航天公司推出。 

     人类载人航天60年,终于要逐步迈入一个崭新的时代。 

    

  (本文图源均来自NASA/SpaceX/国家航天局等) 

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