(附视频)历经九年,一雪载人航天之耻,私人公司首次载人飞天,马斯克吹了5年的牛终于成真了

今天的故事要从一面特殊的美国国旗说起,2011年7月21日,亚特兰蒂斯号航天飞机平稳落地,结束了它的最后一次任务,也宣告长达30年的航天飞机时代正式落下帷幕。由于当时并没有新的载人航天器拿过接力棒,美国暂时失去了载人航天能力,只能依赖俄罗斯的联盟飞船运送宇航员,对于曾将人类6次送上月球的美国而言,这简直是“奇耻大辱”。就在航天飞机的最后一次任务中,一面特殊的美国国旗被带上国际空间站,上面写着“这面国旗只有从美国本土起飞的宇航员才能取下带回地球”。也就是说,只能等到美国下一款载人航天器的服役时,这面国旗才能重归地球。
 
然而这一等——就是整整9年
 
这面国旗曾在1981年的航天飞机首飞和2011年的谢幕飞行中上过天,是长达30年航天飞机时代的见证者
北京时间2020年5月31日3:22分,SpaceX公司的载人龙(Crew Dragon)飞船搭载两名试飞宇航员罗伯特·本肯(Robert Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley),从肯尼迪航天中心LC-39A发射台起飞,前往距地面400公里的国际空间站,执行代号Demo-2的首次载人飞行任务

发射视频,错过半夜直播的小伙伴过来看看
(我上传的发射视频被审核枪毙了三次,只能用别人的了)
 
至此,美国时隔9年后终于恢复了载人航天能力,而伊隆 · 马斯克(Elon Musk)创办的SpaceX也成为了人类航天史上第一个具备独立载人航天能力的私营航天企业。
 
 

发射前的美景,右侧是宇航员登船用的摆臂

发射前两分钟,火箭已加注满过冷推进剂,稍有不慎就是一场爆炸

此时宇航员就在这一大管子炸药的头部,在美国航天界,有一个老笑话——坐在出价最低的承包商制造的火箭上面,感觉如何啊?

两位宇航员看起来还挺淡定,毕竟都是老司机了,注意腿上的飞行前检查单(Check List)

起飞,不常看载人发射的读者可能不清楚——载人发射时提供舱内宇航员实时直播画面的是很少很少的,因为避免在极端情况下公开一些船毁人亡的画面

火箭一二级分离,一级踏上回收之旅

火箭一级日常回收成功,我已经记不清是第几次了

飞船与火箭二级顺利分离,飞船独自完成剩余旅程,前往国际空间站
这枚火箭特殊涂装了经典的“蠕虫”(Worm)式NASA图标

NASA局长喜笑颜开,乌纱帽保住了(笑)

那个男人,是的,他也来看发射了,他也是真有闲空

此次载人龙飞船采用一枚特殊涂装的全新猎鹰9 Block-5型火箭发射,火箭一级在发射后两分半关机分离,进入回收流程,分后平稳降落在回收驳船上,虽然运载火箭回收仍是只此一家别无分号,但已经是日常操作,早已无人关心。根据计划,发射后19小时飞船将“追上”国际空间站,并成功与之对接,对接后经过拉近、锁紧和气压平衡后,两位宇航员将进驻空间站。后续飞船将在空间站停留30天以上,具体返回时间取决于飞船太阳能电池板衰减情况。至此,美国人终于摆脱了俄罗斯联盟飞船年年涨价的的天价船票,也不再会被俄罗斯讥讽为“用蹦床上天”。有关这艘飞船的故事,请随我一起通过这篇翻新过的万字长文来了解一下。
 
载人首秀,一雪前耻,风格特别,化繁为简
相对于已经审美疲劳的猎鹰9发射和回收来说,今天的主角绝对是飞船。
说起飞船本身,载人龙飞船为两舱设计,分为加压舱(返回舱)和非加压舱,为尽可能复用飞船设备,载人龙大部分设备集中于加压舱内,非加压舱部分主要由碳纤维构成,仅设置有体装式太阳能电池板等少数设备。

飞船官方“定妆照”
转起来

非加压舱(Trunk)部分,请注意,并不同于其他载人飞船,这并不是通常意义上的“服务舱”,因为里面实际上是空的,最主要的设备是外面的半圈电池板

返回舱本体,也是宇航员的生命之舟
飞船采用人、货通用设计,载人版可用于国际空间站或未来商业空间站的近地轨道载人往返服务,经货运化改装后也可以用于无人货运任务,飞船受限于NASA对落水冲击的限制,目前默认设置有4个座位,后排可增设3个座位,即最多承载7名宇航员,远多于联盟飞船的3人,与航天飞机和波音的星际线(Starliner)飞船一致。

 

飞船内部

无论是飞船的外观还是内饰,都非常简洁,形如科幻电影中的宇宙飞船,即使增设后排座椅,满载7名宇航员也依旧宽敞,而且还设置有一个简易厕所(未曝光),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,飞船的面板应该是这样的:

至今仍在使用的联盟飞船内部,拥挤、杂乱、古旧,虽然他真的很可靠

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:

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:

2014年发布会时设计,后有所改动,但思路没变

最终首飞时的设计(模拟机)

与传统飞船设计截然不同,载人龙的人机界面采用大尺寸触控界面,屏幕所显示内容可自由切换,因此3块屏幕在受损情况下可互为备份。飞船目前设计仅保留有38个实体开关和按键,作为应对极端情况的最低限度控制面板。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,降低宇航员的学习成本,宇航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宇航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宇航员生命安全的作用。

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

与传统航天服不同,SpaceX特别聘请了时尚设计师进行外观设计,在维持安全性水平的前提下进行了轻量化设计。此外,舱内航天服还选用了定制化的3D打印头盔,可以定制化设计,内置麦克风,航天服本身采用阻燃外层材料,鞋部增设了与座椅脚蹬的固定机构。所有航天服与飞船的环控生保和通讯都集成在舱内服大腿部分的一根管路上,还增设了额外的听力保护装置。

按照时间顺序的美国历代舱内航天服对比

为了适应触控界面,航天服手套手掌内侧设有触控层,兼顾触屏操控。头盔面罩可以开合,关节过渡段经过特殊设计,不仅可以灵活转动,在舱内失压情况可迅速密闭并充气保压,以保证宇航员生命安全。

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

不过实际穿着效果嘛,仁者见仁智者见智吧
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,更贯彻了公司一贯的重复使用的概念,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其余参数设计特性,我总结成了下表:

载人龙飞船主要参数指标

参数

指标

干质量

7.7吨

发射质量

9-15吨

上行最大运力

6吨

下行最大运力

3吨

尺寸(高、直径)

全高8.1米,直径4

加压舱外壁倾角

15度

加压舱(返回舱)容积

9.3立方米

非加压舱容积

37立方米

承载人数

默认4人,最大7

自持能力

自行飞行7天,对接状态210

供电系统

非加压舱半包围体装式太阳能电池板

推进系统

16台天龙座Draco发动机,单台推力400牛,真空比冲300

逃逸系统

推式逃逸,8台超级天龙座Super Draco)逃逸发动机,单台推力71000牛,海平面比冲235秒,两台为一组,安装在铝制包容壳内

推进剂组合

四氧化二氮/甲基肼双组元推进剂,冗余设计,最大加注量2.2吨,1.36吨四氧化二氮,0.85吨甲基肼

环控生保系统(ECLSS

湿度控制、噪声抑制、空气循环、温度控制、火灾探测和抑制、简易厕所

底部主热防护系统

第三代PICA-X改进型酚醛浸渍碳烧蚀材料,可更换设计

进入、再入、着陆与回收

四伞冗余群伞系统,海上溅落,专用回收船回收

定位

GPS/铱星定位信标

对接系统

采用NASA对接系统(NASA Docking System),可自主无人对接或手动对接,对接口盖可开合

舱内航天服

SpaceX自研的专用舱内航天服

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9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


航天飞机退役后陆续进入博物馆,功成身退,夹道欢迎

2011年航天飞机退役时,美国并没有其他载人航天器,按理来说应该继续服役到新飞船接班为止,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名宇航员罹难;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名宇航员遇难

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名宇航员,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

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正式载人

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

由这一幅老图可见,联盟号飞船报价8100万美元,新飞船仅为5800万,事实上根据GAO的报告,载人龙每座报价为5500万美元,而波音为9000万美元一个座位,你没看错,9000万美元,一个座位。

两代载人航天器的接班:

“嘿,兄弟,交给你了!”,

“放心吧!”

最意外的中标者

其实早在航天飞机退役之前,NASA就开始物色新一代飞船的承包商,经过CCDev1、CCDev2、CCiCap三个阶段的观察和筛选。波音(Boeing)、蓝色起源(Blue Origin)、内华达山脉( SNC)和SpaceX四家航企中标呼声最高。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,整个项目名为商业载人航天计划(Commercial Crew Program,见下图)。

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(原文:The companies own and operate their own spacecraft and infrastructure,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,呼声甚高的蓝色起源和内华达山脉公司意外淘汰,巨头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。后经过几次经费追加,波音累计资助额50亿美元,SpaceX累计资助32亿美元

两款飞船的CG效果图(左:波音,右:SpaceX)

NASA的介绍

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

但结果却恰巧相反

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。SpaceX率先于2015年5月成功进行发射台逃逸试验。

溜了溜了。。。
2015年11月,SpaceX进行了载入龙飞船的悬停飞行试验,以演示超级天龙座发动机的变推力能力和飞船的悬停特性。截至载人首飞,累计完成了超过700次的超级天龙座试车
 

载人龙飞船的悬停试验,清晰可见逃逸发动机工作

2019年3月2日,SpaceX从肯尼迪航天中心LC-39A发射台首次将载人龙飞船送入太空,执行首次无人演示任务。在发射的27小时后,载人龙飞船成功自主对接国际空间站并顺利返回地球
 

与国际空间站对接前

2020年1月19日,“载人龙”飞船顺完成“发射中逃逸试验”,作为该船正式载人前的最后一项全船重大测试,成功证明了飞船发布时宣称的“全程逃逸”能力。
 

半路开溜能力展示

其实载人龙的研发之路并非一帆风顺,2019年4月,执行完首次无人试飞的飞船在一次逃逸发动机的静态点火试验中,因管路残留推进剂在高压气体作用下发生了水锤效应,常温推进剂与钛制阀芯发生罕见反应,发生剧烈爆炸,飞船全毁
 

炸。。。
除此之外,载人龙的降落伞也曾遇到问题,最终应NASA要求换用改进的Mark-3型降落伞,并进行了27次空投试验验证后方告通过,降落伞累计测试次数超过80次。
另一方的波音公司在项目中拿的钱最多,经验最丰富,但是设计保守,进度拖沓,报价高昂。而且最关键的是——首次无人试飞还翻了车!飞船因为一连串错误,未能与国际空间站对接,只能灰溜溜的返回地球,更无语的是降落时群伞中还有一个未能正确打开,好在是冗余设计,飞船返回舱完好。经过NASA独立调查小组调查后,波音只能认栽,自掏腰包4.2亿美元准备再飞一次!这个结局真的出乎所有人的意料,然而回头来看似乎又不意外,这还要从头说起。

从岌岌无名到载人首飞,回顾18年历程

 

五射三败,业界笑柄;伯乐相助,起死回生

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。

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


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


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)

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宇航员远离火箭,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。

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~!

显然,逃逸塔不见了

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宇航员座位,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。

一组逃逸发动机,外面是包容壳

加上管路看看

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

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

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运送宇航员,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。

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。

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宇航员先进入飞船,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,宇航员才登上飞船。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。

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贮箱中的“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。

 

亲,太空旅游了解一下,入轨的那种哦!
SpaceX目前已通过代理承接了两单太空旅游项目,其中第一单通过一家名为“太空冒险”(Space Adventures)的代理公司完成,将有4名付费乘客,不对接国际空间站,由飞船独立完成,耗时约5天。更重要的是,这次旅行将不设专业宇航员,由飞船自主发射、自主在轨、自主返回。而载人龙飞船从设计伊始就有所考虑,无论是大幅简化的人机界面,高度自动化的飞控系统,内置简易厕所,可定制的舱内航天服和简化的维生管路,都瞄准着商业太空游。在商业发射需求下滑,SpaceX面临“有箭无单”的今天,太空旅游或将成为公司新的盈利机会。
虽然公司未透露价格,参照Bigelow公司订购的座位价格,约5000万美元每位。而波音的星际线(Starliner)飞船理论上也是“太空冒险”公司的代理范围,但是我估计波音没空,上次翻车后应付NASA的审查小组还来不及呢,另外乘客估计也不感兴趣,如果以5000万美元计,四名乘客只能支付2亿美元,而这些钱。。。可能还不够买一发发射星际线用的火箭
SpaceX向来的座右铭就是“干死友商、干死代理、干死供应方”,在太空旅游领域,SpaceX属于全产业链企业,理论上SpaceX根本不需要代理协调,因为一家公司能把飞船、火箭、发射场一应全包,所以这代理公司的载人龙生意很可能做不了几次,这业务就会被SpaceX自己收编。
 

当年构想中Biglow充气式空间站+载人龙飞船的“黄金太空游”组合,结果载人龙真的来了,但Biglow真的凉了
 
因为飞船自持力有限,理想的太空游是游客入住国际空间站做停留。其实呢NASA在去年就已经正式公布了国际空间站的商业化服务价目表,里面就包括了游客前往国际空间站衣食住行的价格,便于太空旅游企业通过国际空间站提供长期旅游服务。Bigelow公司的充气式舱段其实最初也是瞄准给游客居住而设计,但可惜NASA没选人家。
说到模式,其实最理想的服务模式是搭车模式,也就是传说中的“四赢模式”(不是私营模式)。因为国际空间站正常轮换是3人,而载人龙最多载7人(因落水冲击被NASA限制为4人,但还有扩充可能),如果其余4各座位全部卖给游客,游客搭车进入国际空间站,然后居住在Bigelow公司的充气式舱段中。这就会形成一种“四赢结局”,首先NASA可以借此要求SpaceX打折每次轮换任务费用,节省了国际空间站的运营费用;Bigelow公司可以出售舱段居住获得利润;游客可以通过搭车模式让旅游费用大幅下降,或许降到2000万美元甚至更低级别都不难。而SpaceX作为主要承包商,不但有效利用自家飞船和火箭,所有成本之外的利润全部进兜。四方都借此获利或者省钱,故称之为“四赢模式”
只有打通了航天游的模式,进一步降低航天旅游的成本,才能吸引更多的游客,形成产业链的正反馈,生意越做越大,才有动力去研发更好的游客飞船和业务。毕竟价格砍一半,消费者可是多一个数量级的!未来若“复用火箭+复用飞船”的组合能经过评估并投入载人发射,必将对降低人类进入太空的成本做出一定的贡献。而说起重复使用,那真是这家公司不懈的追求。
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!

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

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。

这就是龙飞船复用的主体部分(来源:SpaceX)

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

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。

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!

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)

也曾经这样失败过(2015年7月,CRS-7解体事故)

还有这样(回收失败)

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

还还有(2015年初,Jason-3任务后回收失败)

 
还有北京时间2019年11月21日5:20分,星舰(Starship)全尺寸原型机MK1在贮箱加注试验中发生破裂,不锈钢贮箱顶封头被崩飞

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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《(附视频)历经九年,一雪载人航天之耻,私人公司首次载人飞天,马斯克吹了5年的牛终于成真了》上的14个想法

  1. 提个问题,载人龙为什么不需要服务舱,是返回舱包含了服务舱的功能了吗

  2. 很好奇载人龙的姿轨控发动机是不是都安装在载人舱,而服务舱只提供电力?哈哈

  3. 好文!!!希望老马一帆风顺!每一个驶向浩瀚星辰的人都值得尊敬和祝福!

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