人类又一大步 SpaceX商业载人发射全解析


5月30日下午,美国佛罗里达州肯尼迪航天基地,宇航员Douglas Hurley 和 Robert Behnken 与家人隔空拥抱,然后走入龙飞船的驾驶舱。美东时间下午3点22分,搭载龙飞船的猎鹰9号运载火箭穿过云和烟,远离延绵的地平线。两名宇航员踏上前往国际空间站的旅途。

3点29分,度过受力最复杂、最容易发生事故的最大动压点(Max-Q,最大空气动力应力点)后,火箭的一级助推器熄火,一二级完成分离。一级助推器自动导航返回地表,而二级助推器点火,继续送龙飞船前往既定轨道。

(右侧视窗为第一级火箭重返大气层点火 Entry Burn)
(右侧视窗为第一级火箭重返大气层点火 Entry Burn)

3点32分,一级助推器成功降落在写有“我当然依旧爱你”(Of Course I Still Love You)的回收平台上。

3点38分,将龙飞船送入既定轨道后,二级助推器也和飞船完成分离。这次发射任务宣告成功。

4点30分,Hurley和Behnken完成对飞船的检查和轨道的调整后,终于可以松一口气休息一下。在此次发射前,为避免将病毒带入空间站,他们已经隔离了两周。

在全体人类的目光注视中,这一天的星空看起来十分不同。

这次飞行将载入人类宇航史册,因为龙飞船和猎鹰9号运载火箭均由 SpaceX 公司自主研制,这是首次由私营航天公司载送宇航员进入国际空间站。

前所未有的发射工具

本次发射在佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪航天基地的 LC-39A 发射台进行。

本次发射的正式命名为 Crew Demo-2,也即 NASA 和 SpaceX 合作的载人龙飞船第二次演示任务 (Crew Dragon's second demonstration mission)。

Demo-2 将采用SpaceX 自主研发的猎鹰9号 (Falcon-9) 火箭。这枚火箭得名于《星球大战》的千年隼飞船 (Millenium Falcon) 和可重复使用的火箭一级助推器的9个发动机,在2,000千米以下高度的载荷可以超过22吨。

猎鹰9号有多种代次和配置型号,本次 Demo-2 执飞的将会是最新的 Block 5 型号。

猎鹰9号在航天史上也占据着重要地位,有着多个“第一”:

人类设计的第一枚可多次重复使用的液体燃料火箭;

第一枚完全由私营航天企业设计生产的火箭;

第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭。

根据发射和回收窗口的情况不同,猎鹰9号可以在陆地上或者相对静止的海上进行回收。SpaceX 已经对火箭进行过多次回收测试,成功次数多于失败,

执行 Demo-2 载人飞行任务的龙飞船,同样由 SpaceX 自主研发,不过研发过程中引入了多家其它公司,均为私营公司。龙飞船于2010年首次试飞成功,2012年首次成功运输货物交给国际空间站,至今已经执行22次飞行任务,只有一次失败。

龙飞船采用了航天领域较为多见的钝锥形弹道胶囊造型,起飞载荷可达6吨,可以被国际空间站的遥控系统自动抓取并实现对接。龙飞船还有多种配置:货运、实验室、人货同载、可在其它行星/卫星着陆的红龙飞船,以及加大码的货运用途龙飞船 XL。

龙飞船同样有着多个“第一”:第一枚完全由私营航天公司开发的近地轨道太空飞船;第一枚可重复使用的货运/载人飞船;第一枚具备下行运输能力(从空间站向地球运回物资)的飞船。龙飞船执飞任务的编码为 SpX.

去年3月,NASA 和 SpaceX 已经完成了龙飞船的第一次演示任务 Demo-1,将一枚没有宇航员乘坐(放了一支假人)的龙飞船送上太空、和国际空间站实现无人接轨,并且成功返回地球。

更多任务细节

推迟发射

SpaceX 载人发射任务第一次发射时间,本该是是美东时间 5 月 27 日下午 4:33(北京时间 28 日 上午 4:33),但因天气原因,推迟到了 5 月 30 日下午 3:22 (北京时间 5 月 31 日凌晨 3:22)。

NASA 局长吉姆・布里登斯廷(Jim Bridenstine)后来解释说,气象人员担心,由于大气层中的电荷过多,升空可能 “触发闪电”。

事实上,下午 4:33 前是有发射时机的,但本次任务发射时间无法调整,因为这是一个额“零窗口”发射任务。

每次火箭发射任务,都有一个窗口期,有的以小时计,有的仅有几秒。而所谓零窗口,即发射时间必须分秒不差,定好了 5 月 27 日下午 4:33 分,火箭就必须 4:33 分升空。

而之所以这次任务是零窗口发射,是因为载人龙飞船最终需要与国际空间站交会对接。

国际空间站每时每刻都在移动,地球也在自转,要想以最省燃料的方式,让飞船和空间站对接上,就得提前计算好,空间站何时会路过与发射场位置“重合”的上空,然后分秒不差地执行发射任务。

天公不作美,这次发射任务只能遗憾错过第一次零窗口时间。

去程

发射后,猎鹰9号将在接近一分钟时达到受力最复杂、最容易发生事故的最大动压点(Max-Q,最大空气动力应力点)。2分半左右开始,一级助推器熄火、一二级分离、二级助推器点火。

到了8分47秒左右,二级助推器也将熄火,再过半分钟左右一级助推器已经将落在地面上;12分钟时,搭载有两名宇航员的龙飞船将从二级助推器上分离,然后开始绕地球飞行并接近国际空间站轨道高度。

动图来自 Demo-1 任务
动图来自 Demo-1 任务

龙飞船将在接近预定轨道高度时与国际空间站建立通讯连接,并逐步提升高度,最终在距离国际空间站大约200米 (Keep Out Sphere, KOS) 时建立同步联系,使得飞船可以和同步飞行并最终实现对接。

对接过程是完全自动化的,当然,两边的宇航员都会密切监控飞船的接近和对接,在必要的时候随时接管控制。

动图来自 Demo-1 任务
动图来自 Demo-1 任务

等到对接完成,国际空间站的在轨天数已经达到了7,860天,已经绕地球完成了接近12.34万圈绕飞行。

两名宇航员在太空中停留多久?这个问题,直到飞船和国际空间站对接之后才会有答案。目前的计划是最短一个月,最长119天,也即四个月左右。

为什么现在决定不了到底要停留多久?除了本次执飞的龙飞船之外,NASA 还要考虑下一次四名宇航员上国际空间站的 Crew-1 任务所用的另一枚龙飞船的状态。需要考虑、分析和筹划的有很多,NASA 也需要让这次 Demo-2 任务的效用最大化,所以回程的时间还没定下来。

回程

整个回程也是由程序控制完成的。自动接触对接之后,龙飞船上的推进器将会启动,让飞船远离国际空间站。

动图来自 Demo-1 任务
动图来自 Demo-1 任务

飞船将绕地球飞行并降低轨道高度,调整方向,对准着陆点。

到了预定的轨道高度和对应地面位置,飞控电脑将会抛弃掉龙飞船的货仓,减轻落地重量并节省推进燃料。然后推进器将会启动长达12分钟,将飞船送回地球大气层,在引力的作用下朝着着陆地点前进。

进入大气层后,飞船会遭遇到巨大的空气阻力,会显著降低其降落速度。两个减速降落伞会首先在5.48千米(18,000英尺)高度展开,随后四个主降落伞会在1.98千米(6,500英尺)高度展开,让飞船的下落速度降低到7.62米/秒(25英尺/秒),最终降落在佛罗里达州附近的大西洋洋面上。 

动图来自 Demo-1 任务
动图来自 Demo-1 任务

至关重要的火箭回收

这次发射一大看点,自然是 SpaceX 非常得意的“火箭垂直回收”技术。

(猎鹰 9 号之前的垂直回收)
(猎鹰 9 号之前的垂直回收)

在火箭发射大约 10 分钟后,猎鹰 9 号的一级火箭降落在海上回收平台“Of Course I Still Love You”,顺利完成垂直回收。

(本次任务火箭回收阶段,直播视频信号短暂丢失,让人担心是否回收失败了)
(本次任务火箭回收阶段,直播视频信号短暂丢失,让人担心是否回收失败了)

火箭垂直回收是指,火箭飞行到一定高度后,最底下的第一级和上面部分分离,并且返回指定地点,最终以垂直姿态平安降落。回收的第一级火箭经过维护后,下次发射时可重复利用。

研究火箭回收的机构其实不少,但只有 SpaceX 真正实现了较高成功率。他们曾如此比喻该任务的困难程度:朝天空发射一根铅笔,然后这根铅笔必须飞越过纽约帝国大厦楼顶 (高约 443 m),然后还要让这根铅笔在狂风中返回并落在一个鞋盒上屹立不倒。

回收过程大体可概括为:

火箭起飞后 2 分 40 秒左右,高度到 78 公里左右,此时第一级火箭的主发动机关关闭,和其余部分分离,这一节点被称之为 MECO(Main Engine Cutoff 主发动机关机)。

分离后,第一级火箭会进行反推点火,调转方向,让其发动机的喷口朝着回收点方向。

反推点火结束后,发动机将关闭,而一级火箭将沿着一个高抛线轨迹,爬升至高点(具体高度每次任务不一样),随后火箭自由掉落;火箭发射后 7 分 20 秒左右,发动机会进行持续约 20 秒的第二次点火(即重返大气层点火 Entry  Burn),以减慢一级火箭掉落的速度,否则会被大气层烧毁。

在最终着陆前,火箭发动机会第三次点火(即“着陆点火”),持续时间大约为 30 秒,将火箭下降速度从 1000 m/s 降低至 0m/s。下降前 10 秒,火箭着陆架打开。

(左侧视窗为第一级火箭成功着陆)
(左侧视窗为第一级火箭成功着陆)

火箭着陆地点分为陆上和海上。选择陆上着陆,第一级火箭要转向返回发射场,难度比较大。这次选择的是海上着陆,第一级火箭只需顺势前向降落,难度相对较小。

SpaceX 实现火箭回收,直接改变了美国火箭发射市场的格局。

航天飞机 2011 年退役后,美国一方面依靠俄罗斯联盟号火箭和飞船,把航天员送上国际空间站。另一方面,依靠美国本土的“联合发射联盟”(ULA),发射卫星升空。联合发射联盟成立于 2006 年,合并自洛克希德·马丁和波音的军事航天器发射业务。两家公司分别是全球第 1 和第 2 的军火巨头,曾经各自为战,竞争美国的军事卫星发射任务。

在竞争阶段,双方盈利能力都受到影响,后来把相关业务合并成联合发射联盟后,对外统一报价。

当时美国想发射卫星,基本没有别的选择,只能选择联合发射联盟。因此,2006–2016 年里,美国空军、NASA 和美国国防部等机构的发射任务,都被该联盟所垄断。面对高昂的发射报价(1.7 亿-4.5 亿美元),也只能接受。

2016 年,SpaceX 给出远低于联合发射联盟的报价——不高于 1 亿美元。当年 4 月,美国空军把一份 8270 万美元的卫星发射合同给了 SpaceX,终结了联合发射联盟十年的垄断。而 SpaceX 实现低报价的基础,就是火箭回收重复利用。

就单次发射而言,成本主要集中在火箭的箭体、发动机和导航制导控制等设备上,燃料只占很小一部分。因此,实现了主要成本部分可回收,SpaceX 在单次发射成本上,就比联合发射联盟有很大优势。

在实现第一级火箭回收后,SpaceX 还在尝试回收并重复利用第二级火箭。他们中期目标是,通过火箭重复利用,把猎鹰 9 号单次发射价格降低到 600–700 万美元,相当于现在报价(6100 万美元)的约十分之一。

两位经验丰富宇航员执飞

龙飞船将会搭载 Douglas Hurley 和 Robert Behnken,两名来自 NASA 的男性宇航员。

Hurley 是飞船上的指挥官。他出生于1966年10月21日,之前曾两次进入太空,停留时间683小时,是亚特兰提斯号航天飞机/STS-135任务,也即 NASA 航天飞机计划最后一次执飞的驾驶员。Hurley 曾担任 NASA 宇航员训练教官、商业飞行计划助理总监等职位。

Douglas G. Hurley
Douglas G. Hurley

Behnken 出生于1970年7月28日,拥有机械工程博士学位,之前曾两次进入太空,停留时间达708小时,其中包括太空行走37小时。Behnken 曾担任 NASA 宇航员、工程师和宇航员办公室主任,于2018年入选 Demo-2 任务。

Robert L. Behnken
Robert L. Behnken

Hurley 和 Behnken 将成为国际空间站的第229和第230位访客。

为什么最终选择了这两名宇航员?因为 Demo-2 准确来讲仍然是一次“试飞任务”,首次采用龙飞船真正载人进入太空的任务。

肯尼迪太空中心主任Robert Cabana 透露,Hurley 和 Behnken 都是 NASA 最顶级的试飞员,他们最擅长的就是执飞全新机型——事实上,他们在加入 NASA 之前在各自的军旅生涯中都有过丰富的新机型试飞经验。

这次发射任务也将会是 SpaceX 设计的宇航服,首次投入实战使用:

私营航天的时代已经到来?

前面提到,本次 Demo-2 任务是私营航天公司首次使用自主研发的火箭和飞船送真人宇航员进入国际空间站。

SpaceX 是截至目前最知名的,在私营航天 (private spaceflight) 领域作出最多突破的公司。不过,它的成绩也要依托于前辈们的杰出贡献。私营航天最早可以追溯到上世纪60年代,SpaceX 创办的整整40年前。

1961年12月12日,OSCAR一号成为了第一颗进入近地轨道的业余无线电卫星,在轨20天。虽然加上了“业余”俩字,其实卫星的开发者们并不“业余”——他们大部分都是美国航天军工公司 TRW(现属于诺格公司)的员工。

1962年7月10日,贝尔实验室开发,交由 AT&T 使用的电星1号 (Telstar 1) 升空,通过太空从美国向法国转播了电视图像,实现了首次跨大西洋电视直播。不过遗憾的是,由于美国在电星1号发射的前一天在其轨道高度上引爆了一枚核弹,导致后来的卫星使用了半年左右就完全停止工作。

电星1号
电星1号

电星1号升空不久后,热衷于太空发展的美国前总统约翰·F·肯尼迪签署了1962年通讯卫星法案,为私营公司拥有和运营卫星提供了最初的法律基础和监管框架。1984年,里根前总统签署了商业太空发射法案,认可了私营航天技术的商业价值和增长前景,要求持续鼓励私营航天事业。

执飞人类首次成功登月任务的火箭土星5号,就是由私营公司建造的。它的设计者是 NASA,但是主要建造承包商均来自私营部门,包括波音、北美航空、道格拉斯(后来的麦道)和 IBM。

土星5号搭载阿波罗11号登月舱
土星5号搭载阿波罗11号登月舱

1990年,轨道科学公司 (Oribital Science) 自主研发的飞马座,一种小型的空中发射火箭,成功试射,成为第一颗在没有政府资助开发出来并进入近地轨道的火箭。

进入21世纪,私营航天的发展迎来一个很多人都不愿意承认的里程碑:美国航天科学家和富商 Dennis Tito 自费近2,000万美元,通过各种关系找到俄罗斯,乘坐火箭进入国际空间站,成为第一位太空旅客,旅程长达7天22小时4分钟。

NASA 高层一度认为 Tito 花钱找俄罗斯上天的行为“背叛了美国”,甚至不愿意为他提供本应提供给他的训练——尴尬的是,在五架在役航天飞机损毁了两架之后,美国于2011年退役了整个航天飞机计划,之后美国宇航员上天也得求助俄罗斯的联盟号……

直到 SpaceX 的出现。

进行 Demo-2 任务的猎鹰9号火箭等待发射
进行 Demo-2 任务的猎鹰9号火箭等待发射

2012年5月25日,SpaceX 的龙飞船执飞 NASA 的物资任务,成为首个登陆国际空间站的商业飞船。在那之前,只有各国政府下设官方航天机构的飞船曾经造访过距离地表350千米的国际空间站。

但是 SpaceX 并不只聚焦于美国政府订单(虽然它最主要的收入来自于政府合同),只要付得起在行业里并不算昂贵的发射费用,SpaceX 愿意为任何人发射卫星。

它的客户包括本国的企业,比如 Facebook(很遗憾炸坏了扎克伯格的卫星)、铱星公司、地理测绘公司 Maxar,也包括外国政府和公司,比如哈萨克斯坦政府、泰国政府、土库曼斯坦政府、欧洲公司 Eutelsat、亚洲卫星控股、KT(韩国电信)、以色列公司 Spacecom 等。

事实上,SpaceX 的私营订单和美国政府/军事订单的比例,几乎达到1:1;其发射的其它公司载荷的次数,比自家的星链卫星还要更多。

本次 Demo-2 发射任务,将会是自2011年美国正式退役航天飞机的9年以来,美国宇航员首次在本土乘坐火箭进入国际空间站。

两名宇航员在 SpaceX 发射演示任务控制中心
两名宇航员在 SpaceX 发射演示任务控制中心

当然,这并不是2011年以后美国人首次乘坐本土生产的太空交通工具上太空。去年2月,五名宇航员乘坐私营航天公司维珍银河 (Virgin Galactic) 的 VSS Unity 飞机进入了51.4千米高度的太空。

虽然这次飞行远未达到所谓的轨道高度,不过倒是比 NASA 认证的太空起始点高了1.4千米。

说起私营航天公司,人们往往会提起 SpaceX、维珍银河、蓝色起源等,但从发射经验上来看,实际上很少有其它公司可以和 SpaceX 相提并论。

维珍银河 (Virgin Galactic) 由维珍集团创始人理查·布兰森爵士于2004年创办。从公司架构上,维珍银河是面向消费者的品牌公司,技术研发公司则叫做 The Spaceship Company (TSC),和另一家公司 Scaled Composites 合资开发了维珍银河目前所用的飞船。

维珍银河的方向和 SpaceX 不太一样。

正如公司名称所指,SpaceX(全名 Space Exploration)是一家太空探索公司,它能够自主研发推进器,并且已经成功发射正规尺寸的运载火箭和太空船,未来的目标是登陆月球、火星,拓展载人宇航的边界。

维珍银河更像是一家太空旅游公司,按照常用的界定方式,称其为 spaceliner company。

截至目前,该公司的机队规模只有两架,而且正如前述,只能进行亚轨道飞行,也即冲出大气层,到达不算太高的高度,画出一个抛物线,再回到地球,无法执飞轨道任务。你也可以说这种只算触到了太空的“皮毛”,不能算“真正”的太空飞行。

同时,维珍集团旗下还有一家小型卫星公司,名叫维珍轨道 (Virgin Orbit),业务比较有限,疫情期间还开小差研制了一款呼吸机。

蓝色起源 (Blue Origin) 是另一家常被提起的私营航天公司。创办于千禧年,比 SpaceX 还早两年,而且创始人也是科技业大佬,亚马逊的老板杰夫·贝佐斯。

不过,蓝色起源发了几枚火箭和登月概念车(这里的“发”,更多指的是发布,而不是发射……),实际业务并没什么太大起色。该公司的发射经验不算多,所有现役火箭型号都没有实战经验。

蓝色起源旗下拥有小型可回收火箭载具新谢泼德 (New Shepherd),设计可以载人,八次无人测试,均成功发射、着陆和回收,;重型可回收火箭新格伦 (New Glenn),2016年发布,对标 SpaceX 的猎鹰重型火箭,计划2021年首次试飞。

去年五月,蓝色起源发布了斥巨资多年低调开发的大型模块化登月飞船蓝月亮 (Blue Moon),具有载人能力,计划在2024年之前让宇航员可以重返月球。

人类首次登月已经过去了半个世纪,为什么要重返月球?贝佐斯指出,不管人类想要去太空中的任何地方,月球都应该成为第一站,成为人类太空活动的基地。他说的没错,毕竟月球的引力更小,没有复杂的大气环境,比地球发射更容易,而且月球上存在大量可制成氢燃料的永冻冰。

除了 SpaceX、维珍银河、蓝色起源之外,行业里还有一些不可小觑的私营公司,比如:

毕格罗宇航,成立于1998年,方向是民用空间站,或者可以说是太空酒店(创始人 Robert Bigelow 是美国廉价酒店连锁老板),以及商用空间站,用于接替原计划于今年退役的国际空间站。该公司已经成功发射两枚空间站组件 1)创世一号,2006年发射,设计寿命5年,目前在近地轨道上;2)创世二号,2007年发射,设计寿命12年,目前仍在轨道;

火箭实验室 (Rocket Lab),成立于2006年,总部在加州,在新西兰拥有自己的发射基地。其开发的轻型火箭电子号 (Electron),可以将最高150千克载荷发射到最高500公里的轨道,已经执飞过多次商业发射任务。

当然,以及波音集团旗下的波音综合国防系统,目前和 SpaceX 共同作为 NASA 最大的发射载具承包商。