​【原创文章】某大国卧薪尝胆刻苦攻关,历经七年誓破列强封锁,今朝独立自主载人飞天!

作者说

北京时间2019年3月2日下午3:49,美国太空探索技术公司(SpaceX)使用旗下的猎鹰9火箭将同为该公司研发的第二代龙飞船(亦称“载人龙”,CrewDragon)首次送入太空,预计将于24小时后主动对接国际空间站。至此,在2011年航天飞机黯然退役后,经过8年的漫长空档期,曾将人类6次送上月球的美国终于恢复了将人类送入太空的能力。而这家公司创始人伊隆·马斯克吹了5年的牛终于成为了现实!

在当今世界航天界,载人航天发射其实并不算是什么稀罕事,无论是俄罗斯老而弥坚的联盟载人飞船,还是中国的神舟载人飞船,近来都进行了载人航天任务。但是今天的这次飞船发射,虽然并没有载人,却备受瞩目,称之为美国最重要的航天发射也不为过

发射剪辑视频,火热出炉,错过直播的你可以补一下

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火箭飞船组合体转运中

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火箭起竖中

在美国肯尼迪航天中心的LC-39A发射台,一艘造型科幻的载人飞船,承载着一个舱内航天服的模拟假人,在SpaceX公司猎鹰9火箭的隆隆推动之下,直插云霄,奔向距地面400公里的国际空间站,实施第一次无人试验性试飞。飞船目前已经顺利和火箭二级分离,踏上了旅程,预计于24小时候与国际空间站进行主动对接测试,并于5天后离开空间站返回地球。本次无人试飞如果顺利,接下来这艘飞船会进行一次发射中逃逸试验,以进一步验证其安全性,并预计于今年年中由另一艘新飞船进行首次正式载人发射

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火箭点火起飞瞬间

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飞船内部陈设,角落里孤零零的测试假人名为“里普利”(致敬1979年经典科幻影片《异形》中的女主角)

载人飞船的“异类”,新一代飞船的排头兵

载人龙飞船最多可以承载7名航天员,远多于联盟和神舟飞船的3人,与航天飞机和波音的CST-100飞船一致,但由于前者已退役,后者还没服役,因此载人龙是现役运量最大的载人飞船。

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飞船舱内外观非常简洁,形如科幻电影中的宇宙飞船,即使增设后排座椅,满载7名航天员也依旧宽敞,与狭小拥挤的联盟号飞船形成鲜明对比,当然不仅是座椅,最直观的飞船操作界面也是迥然相异,在人们的印象中,载人飞船的面板应该是这样的:

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自1966年无人首飞起服役至今(53年)的俄罗斯联盟号飞船内部(来源:wiki)

密密麻麻的各种按钮、仪表、开关,让人眼花缭乱。而人类迄今为止的绝大多数载人航天器都是如此(我国新一代载人飞船面板未曝光,不在此列),即使是与载人龙同期研制的星际线飞船亦不免俗,如下图:

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然而SpaceX却不走寻常路,载人龙飞船内部的控制面板(Control Panel)是这个样子:

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2014年发布会时设计,后有所改动,但思路没变(来源:SpaceX)

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最终首飞时的设计(模拟机)

首先映入眼帘的就是夺人眼球的超大触控界面,仅保留了少量物理按键,与传统飞船设计截然不同。纵观马斯克旗下的两家企业,无论是SpaceX还是特斯拉(Telsa),一直都是超大触控屏幕开道!这正是公司对“less is more”(少即是多)这种设计哲学的一贯追求。马斯克宣称载人龙飞船将大幅度提高自动化程度,化繁为简,降低航天员的学习成本,航天员在绝大部分任务中都可以把厚如砖头的操纵手册扔在一旁,将操作集中在直观的触控屏幕上,并提高自动化率,仅保留有最低限度的物理按键来应对极端情况。这个看起来很简单的改变其实更不容易,且不说要面对巨量的代码编程和测试工作,要在删去大量物理按键的条件下仍维持足够的安全性和可靠性。这种设计思路一直贯穿整个飞船,比如舱内航天服的设计。

众所周知,航天服主要分为两种,一种是舱内航天服,一种是舱外航天服。舱内航天服是在载人飞船和航天飞机内穿着使用的,除在正常发射中监测航天员生理状态和维持体温呼吸外,还有在飞船舱内出现破损而导致急性失压时保障航天员生命安全的作用。

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左为SpaceX的航天服设计,右为航天飞机时代所使用的ACES(Advanced Crew Escape Suit)舱内航天服,自1994年的STS-65任务开始使用,直至航天飞机退役(来源:wiki)

和臃肿的传统航天服不同,SpaceX的设计不只是外形科幻,还十分轻便,同时也不失足够的安全性。公司聘请了时尚设计师进行外观设计,确保外观足够炫酷,同时手套设有触控层,兼顾触屏操控,头盔和关节过渡段均经过特殊设计,不仅可以灵活转动,在舱内失压的突发状态下可以良好密闭并充气保压,以保证航天员生命安全。

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其实2018年2月,重型猎鹰火箭首飞时作为载荷的那辆特斯拉跑车中用的就是这套航天服(来源:SpaceX)

除了上面说的这些外表可见的特性,载人龙的设计亦有大幅革新,不仅采用人货通用设计,还革新了传统的逃逸塔逃逸方式,更创新性的融入了重复使用的概念,又大胆使用发动机反推着陆的方式(目前已被NASA砍掉),称之为目前设计最激进、最疯狂的载人飞船毫不为过。但是对于SpaceX的“伯乐”NASA来讲,这些都不是他们所关注的,NASA只是想尽一切办法让飞船尽快投入运营,向国际空间站运送宇航员。因为美国失去载人航天能力已有8年,而俄罗斯的联盟飞船坑了美国整整8年,有关这段恩怨情仇,还要从8年前的那次着陆说起。

 

制造两个空窗期的航天飞机

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2011年7月21日,“亚特兰蒂斯”号航天飞机在肯尼迪航天中心安全着陆,正式宣告长达30年的航天飞机时代宣告终结,退役后的几架航天飞机陆续进入博物馆供人瞻仰。作为美国当时拥有的唯一一种载人天地往返工具,自退役之日起,美国就失去了载人航天能力,为了维持国际空间站的继续运营,NASA只能购买俄罗斯联盟号载人飞船的座位。做为曾经将人类6次送上月球的航天强国,这简直是奇耻大辱,但是这实在是因为航天飞机亟需替换,不能再用的无奈之举,而非NASA所愿。众所周知,1986年1月,挑战者号航天飞机在升空时因固体助推器O型密封环失效,凌空爆炸,7名航天员罹难;2003年2月,哥伦比亚号航天飞机在再入大气层过程中解体,又是7名航天员遇难

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挑战者号升空爆炸(上),哥伦比亚号返回地球时解体(下)

两次事故沉重的不仅使美国失去了两架航天飞机和14名航天员,更重击了民众对航天飞机安全性的信心,加之航天飞机本身发射报价昂贵,缺乏逃逸设施,而机体日益老化又导致翻修费用居高不下,NASA最终只能忍痛割爱将其退役。由于美国将中国排斥在国际空间站之外,自此俄罗斯便事实垄断了国际空间站的人员运输然而俄罗斯自航天飞机退役起,便不停抬高联盟号飞船座位的销售价格

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联盟飞船座位价格表,美国真是冤大头。。。

从最初的3000万美元一路飙涨至现在8000万美元一位的天价,这种近乎与坐地起价的行为让NASA忍无可忍,但美国确实没有飞船可用。事实上,知耻而后勇的NASA很早就规划了三款新型载人飞船,但是却因为进度、经费、设计等种种原因,迟迟不能服役,直到今天的载人龙才首先试飞

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从左至右分别为星际线(Starliner)、载人龙(Crew Dragon)猎户座(Orion),为了出俄罗斯垄断的这口恶气,美国人一口气搞了三款新飞船

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由图可见,联盟号飞船报价8100万美元,新飞船仅为5800万,未来还可下降

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接班:“嘿,兄弟,交给你了!”,”放心吧”(国外网友绘制)

最意外的中标者

2010年航天飞机退役之前,NASA就开始物色新一代飞船的承包商,当时波音(Boeing)、蓝色起源(Blue Origin)、内华达山脉( SNC)和SpaceX四家航企进入观察资助名单。这些公司的飞船将替代已经退役8年的航天飞机,摆脱俄罗斯联盟飞船近乎“讹诈”的高昂船票,项目名为商业载人航天计划(Commercial Crew Program,见下图)。

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与阿波罗计划和航天飞船时期不同,商业载人航天计划中飞船的归属权属于研发企业本身,借此激励企业创新和自掏腰包(航企可以在满足NASA任务需求的条件下执行其他商业航天任务,比如太空旅游),NASA只是购买飞船的“载人服务”。但为了控制安全、进度和经费,NASA设置了大量“里程碑”对中标企业进行控制,还设置了大量验收试验(比如逃逸试验、热真空试验、电磁兼容试验等),除此之外尽量减少对企业研发思路和飞船设计的干扰,也不限定所使用的载人火箭,只提出可靠性要求。

最终经过长达4年的观察和评估,呼声极高的蓝色起源和内华达山脉公司意外淘汰,波音和曾被业界齐齐看衰的SpaceX雀屏中选,各自研发一款新型载人飞船,其中波音飞船名为CST-100(后改名为星际线),资助额高达42亿美元;SpaceX则为第二代龙飞船(Dragon V2,后细分为Crew Dragon,载人龙),资助额仅有26亿美元

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两款飞船的CG效果图(左:波音,右:SpaceX)

这份合同让业界大跌眼镜,两家中标者中的波音不但是百年航企,阿波罗登月时代就曾参与,而且无论资金实力,技术水平还是研发经验都无可比拟,中标毫不意外。但是彼时SpaceX作为一家初创的私营航企,之前的猎鹰1火箭5次发射3次失败,想象一下5次飞行就要坠机3次的航班谁敢坐?让这样的公司设计载人飞船无异于“草菅人命”,而载人航天作为一项庞大的系统工程,至今为止全世界只有中、美、俄具备该能力,一家私企就想染指,无异于痴人说梦。彼时国内网络也一时间充斥的同样的论调,唱衰SpaceX和私营航天的声音不绝于耳

但这个世界,总有人不信邪!~

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公司创始人兼首席设计师伊隆·马斯克在载人龙飞船内,SpaecX虽然钱少人少经验少,但是进度高歌猛进,远超波音

五射三败,业界笑柄;伯乐相助,起死回生

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2002年初创时的SpaceX的员工合影,寒酸程度令人发指

SpaceX这家公司自2002年创办至今17年以来,真可谓是一路坎坷,数次生死一线。马斯克最初创办公司时曾经求援俄罗斯,但不被重视,屡屡碰壁(这段故事详见往期文章:[深度]从闭门羹到猛禽—SpaceX坎坷的发动机之路(上))。而后愤而自行研发液体运载火箭,但研发的猎鹰1型火箭曾经三次试射,三次爆炸,几乎沦为业界笑柄。创始人马斯克同时又开办了一家电动汽车公司“特斯拉”,两家公司同时陷入困境,曾经的亿万富翁差点儿一贫如洗到要住父亲家的地下室。最终在朋友和投资人的帮助之下,在马斯克个人的执念坚持之下,两家公司同时起死回生。

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三射三炸的猎鹰1型火箭,一段挥之不去的梦魇,同时也是一段创业的传奇

SpaceX在2008年末正式获得了NASA的国际空间站商业补给服务合同(Commercial Resupply Services,简称CRS合同),采用公司全新研发的猎鹰9火箭和第一代货运型龙飞船向国际空间站运送共计12次货物,凭借NASA一纸订单的输血效应,SpaceX起死回生

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2012年10月8日,由梅林1C型和1C真空型发动机驱动的猎鹰9 1.0版火箭成功发射,正式执行第一次CRS货运任务,任务代号CRS-1

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发射后第三天,也就是10月10日,同样由SpaceX公司研发的货运版龙飞船成功对接国际空间站,成为人类历史上第一个有独立能力向国际空间站运送货物的私营航天企业

越被鄙视越疯狂,来自未来的二代龙飞船

2015年5月,在美国加州霍索恩的厂房内,马斯克举办了一场发布会,在阵阵烟雾的衬托下,幕布揭开后,第二代龙飞船展现在观众眼前。SpaceX不但拿下了订单,更决定迎难而上,意图打造一种低成本、载人载货通用、可重复使用的新式龙飞船,这个思路的疯狂程度不但超越了同期中标的波音,更是人类迄今所有载人飞船所罕见的,可以说马斯克在当时吹了一个可能连他自己都不相信的大牛然而,4年过去了,这些吹过的牛:

今天都实现了!

(除反推着陆在NASA怂恿下被砍掉除外)

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2015年发布会现场,前景左侧是Draco姿控发动机,右侧为Super Draco反推及逃逸发动机

除了前面提过的那些特点,我们详细聊聊那些载人龙飞船的疯狂设计:

 

拜拜,逃逸塔!

首先,传统载人飞船为了在火箭出现类似爆炸的紧急情况下让航天员远离火箭,安全返回,需要设计有一系列逃逸措施,其中最显眼的就是火箭顶部的逃逸塔,上面安装有若干逃逸发动机和调姿发动机,一旦点火将瞬间产生巨大推力,将飞船带离火箭。

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阿波罗飞船的发射台逃逸试验,相当壮观,但是这东西最好真实发射中永远用不上

点火逃逸都是千钧一发的时刻,需要逃逸发动机点火极端可靠,同时推力产生迅速。这都是以往液体发动机的弱项,所以通常都是固体发动机用于逃逸塔。但是SpaceX不信这个邪——他们不但不用固体逃逸发动机,还砍掉了逃逸塔~!

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显然,逃逸塔不见了(来源见水印)

那猎鹰9火箭爆炸了怎么办?飞船自备动力逃逸,载人龙飞船在飞船侧壁安装了8台Super Draco逃逸发动机,两个为一组,互为备份,使用四氧化二氮/联胺,挤压循环,推力约7吨,可重复使用,且由铁铬镍材料由激光3D打印技术而来,由于逃逸发动机贴近航天员座位,为防止发动机爆炸波及,SpaceX设计了发动机外壳来包容爆炸飞射物。

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一组逃逸发动机,外面是包容壳

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载人龙飞船的悬停试验,清晰可见逃逸发动机工作

2015年发射台逃逸试验视频

由于传统逃逸塔需要在升空过程中抛弃,所以都是一次性设计,即使没有用到逃逸发动机,每次发射都要扔掉一座,相当浪费。而自备逃逸发动机不仅响应速度不逊固体发动机,而且可以随飞船返回地球,经过检修即可继续使用。但是载人龙的逃逸发动机用途绝不仅仅是逃跑,还有一项大用途。

 

既能用来逃跑,还能用来着陆

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联盟号飞船伞降着陆瞬间

一款发动机既然可以让飞船逃跑,适当调整推力也可以用在返回地球过程中着陆,所谓一机两用,绝不浪费,升空时是逃逸发动机,返回时就是着陆发动机,再也不会有无用的死重出现。

看完你就知道这种着陆方式有多疯狂了

这个方案看起来很疯狂,其实经过精心设计。飞船在适当高度会尝试点燃所有反推(逃逸)发动机,如果系统监测所有发动机工作正常,则继续进行反推着陆;一旦发动机出现异常,则启动传统降落伞作为着陆方式,载人龙设计有4个降落伞,伞伞之间互为备份,即使1个到2个伞失效仍可降落。如果不幸伞全部失效,还可以点燃反推发动机进行应急降落,因为8台着陆发动机实际是冗余设计,仅需4台推力即可满足着陆需求。而且这个设计是先在无人的货运任务上尝试,在成熟之后才在载人发射上尝试使用。但是可惜的是,即使是这样的设计,已经被航天飞机吓坏的NASA依然不满意,从安全性角度出发,和SpaceX协商后砍掉了这项设计,现在的载人龙飞船使用传统伞降落海回收。

有人一定会问,这飞船明明是载人的,怎么还会有无人货运任务?这就要说到飞船的另一个特色——人货通用

 

人货通用设计——装上座椅运人,拆掉座椅运货

以中俄为例,中国的载人飞船为神舟,货运飞船为天舟,两者并不通用;俄罗斯载人飞船为联盟,货运飞船为进步,亦不通用,专船专用是国际通用做法。但是对于SpaceX一家私营航天企业来说,同时研发两种飞船是无法承受的

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所以抠门马斯克带领的SpaceX找到了一个抠门新办法——新飞船载人,旧飞船运货,所以二代龙飞船是人、货通用设计,装上座椅运人,拆掉座椅运货,两种任务所用飞船完全互换。SpaceX拟采用全新制造的飞船和火箭为NASA运送航天员,在飞船和火箭完成回收后进行翻修的简单改装,然后用二手火箭+二手飞船为NASA执行无人货运任务,相对于竞争对手轨道ATK(现在的诺格)和内华达山脉公司,这将大幅降低CRS-2阶段货运任务的成本,抹平CRS-1到CRS-2合同的预算增额。

改变,不仅仅是有这些

除此之外,换用了体装式太阳能电池板,删去了货运龙飞船的可展开太阳能电池板和转动机构,提高可靠性(虽然货运龙的电池板从来没出过问题)。顶部保护对接口的端盖也变成了可开合式,而以往的货运龙则是一次性抛弃设计。

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非加压舱的体装太阳能电池板清晰可见,为了可靠性删去了所有可动部件

为了榨干火箭的运力,发射载人龙飞船的猎鹰9采用过冷推进剂,所以需要尽可能快速的进行加注。这就需要载人发射时航天员先进入飞船,然后再进行推进剂加注;而航天飞机等发射则是在火箭推进剂加注完毕后,状态稳定时,航天员才登上飞船。由于2016年9月1日的Amos-6爆炸事故,NASA对载人龙的加注方式非常担忧,生怕加注时发生爆炸。

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当年的事故

在事故中,火箭和卫星都被摧毁,发射台严重受损,事故原因是火箭二级储箱中的“复合材料缠绕压力容器”(COPV)的结构失效导致。有关事故原因详见往期文章如何按SpaceX的风格引爆一枚火箭——恢复发射前你应该知道的真相。但后续在Space X的改进和坚持下,NASA同意了这种登船方式。

重复使用,从不放弃的梦想

说起复用,“航天飞机”作为复用领域的反面教材,无论是在航天飞机之前还是之后,人类航天史上众多的货运和载人飞船,尤其是老而弥坚的进步和联盟系列飞船,都从没有尝试过重复使用。然而,作为SpaceX和马斯克一直以来的梦想,复用从不停歇,无论飞船还是火箭。在2017年12月的CRS-13货运龙发射任务中,SpaceX成功利用“二手火箭”发射“二手飞船”很幸运的,NASA首当其冲,又一次荣当小白鼠!

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你没看错,这是当时的复用火箭,但SpaceX已经懒到连擦都懒得擦了

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CRS-13任务的绿框部分均为二手,红色的二级是唯一的新东西

龙飞船由一个加压舱和一个敞开的非加压舱(Trunk)组成。非加压舱上安装有太阳能电池板等设备,非加压舱为敞开式设计,便于放置一些需要释放和安装的载荷。加压舱内则装有加压货物,并在锥部安装有通用对接机构,用于与国际空间站进行捕获对接。飞船的加压舱是可回收设计的,非加压舱则在再入大气层之前被分离抛弃,并在大气中燃烧殆尽。之所以SpaceX“冒天下之大不韪”的再次吃螃蟹,将被海水浸泡过的飞船重新翻修使用,其实是有以下三个原因。

  1. 省钱(别惊讶,就这么直白)

  2. 腾出人手和精力集中研发载人龙飞船(Crew Dragon)

  3. 马斯克本人的执念

说起省钱,相对于从头全新制造一艘货运龙飞船而言,重复使用龙飞船,可以大幅度减少生产线的制造压力。想象一下相对于重新制造一辆汽车,翻修一辆泡过水的汽车能省下多少事情。复用飞船节省了大量人工和物料,虽然复用更换了部分被海水浸泡过的零件。

众所周知的是,由于飞船发射和返回过程中,需要经受恶劣的震动、空间的辐射、再入的高温灼烧、还有海水的浸泡等,很可能在复用中导致设备和零件因疲劳等原因失效。因此航天界之前对飞船的复用一直都相当谨慎,即使有公司有类似计划,最终也都搁浅或者尚在开发中。之前SpaceX的工程师当时比对了所复用的龙飞船首次飞行中经历的结构载荷记录和组件在最初设计时留下的设计裕量,认为各个零部件仍具有足够的寿命和可靠性。

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这就是龙飞船复用的主体部分(来源:SpaceX)

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Draco是一种采用有毒燃料组合的推力400N的姿态控制发动机,货运龙上装有18个Draco发动机,载人龙也有,图中正在喷射的就是,这个位置在落海后基本都要泡海水

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NASA显然对2015年CRS-7任务中的凌空一炸仍然心有余悸

除了节省经费之外,SpaceX作为史上首个向国际空间站输送货物的私人航天公司,自2012年以来已经16次向空间站发射货运飞船。NASA与SpaceX曾签订过CRS1与CRS2两个阶段的货运飞船发射合同(CRS,Commercial Resupply Services),包括在2024年前向空间站发射至少26艘货运飞船,这是美国现役货运飞船发射合同中次数最多的一家,也是发射频率最高的一家。虽然与俄罗斯的进步系列飞船在总发射数上难以匹敌,但是近几年来看,龙飞船“快递”已经成为了国际空间站快递小哥中的“半壁江山”,与功勋卓著的进步飞船平分秋色

火箭、飞船的回收和重复利用,都是马斯克一直坚持的理念,但是2015年和2016年两次连续的爆炸事故,让公司的发展陷入困顿。尤其是2016年9月1日公司猎鹰9火箭突如其来的惊天一炸(往期文章:[分析]屋漏偏逢连夜雨—SpaceX的第三次低谷),彻底把这个梦击得粉碎,公司一夜之间再次跌下神坛,各路负面消息一时间充斥媒体。

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这已经是SpaceX史上第三次重大挫折了,创业道路之坎坷可见一斑

历经3个月的事故调查,公司于2017年初恢复了火箭发射(往期文章:还记得曾经炸掉发射台的那个火箭么?今天,他涅槃重生了!)。并在2017年交上了18次发射全部成功的傲人答卷!详见2017年全球航天发射集锦和盘点。然后就是2018年,重型猎鹰火箭成功首射!

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马斯克最早在2013年TED的一次访谈中公开展示了火箭回收复用和芯级并联的设想,当时迎来的不仅是掌声,也有嘲笑和不屑。毕竟有着航天飞机和N1火箭的反面典型在前面,重复使用的航天器无异于天方夜谭。然而“重复使用”四个字,正是SpaceX创立17年来最大的梦想,笔者也认为是从根本上降低天地往返费用的终极解决办法,虽然不能说SpaceX的道路一定会最终成功,但是SpaceX却一直在这条道路上不断前行,历经数不清的挑战、嘲笑和失败,却仍然初心不改

他们曾经这样失败过(2016年9月1日,Amos-6爆炸事故)

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也曾经这样失败过(2015年7月,CRS-7解体事故)

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还有这样(回收失败)

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还有(ABS-2A和Eutelsat 117 West B一箭双星任务,回收失败)

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还还有(2015年初,Jason-3任务后回收失败)

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或许这才是这家公司之所以能够如此引人注目和备受推崇的原因,或许载人龙飞船和可回收火箭只是和航天飞机一样,是另一个成功而又失败的伟大尝试。翻开网络上有关这家公司的新闻,从来都是极富争议的——鲜花和鸡蛋同飞,赞扬与批评同框。这家公司曾经被无数人嘲笑过,也被无数的网友谩骂过,但这家公司终于坚持到了成功的一天毕竟,只有不惧风险,勇敢尝试的人才有资格征服太空,而等着看笑话的人永远只能等着看笑话。

“龙”已上路,祝他一路好运

(全文完


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