一文了解人类载人航天新时代传奇

 新闻资讯     |      2020-06-04 05:03

公元2020年5月底,SpaceX公司的一枚猎鹰9号运载火箭Block 5型从佛罗里达州卡纳维拉尔角航天圣地LC-39A发射场顺利升空。

在小火箭发布本文的瞬间,船箭已成功分离。此时两位宇航员(人类首批商业航天宇航员)正在进入环绕地球飞行的近地轨道,向国际空间站进发!

本文,小火箭将会从意义、系统架构、技术特征和未来计划这4个方面,讲述此次载人发射。

第一次:公元1961年4月12日,苏联东方号宇宙飞船,人类第一次进入环绕地球飞行的轨道,从此人类成为太空物种;

第七次:公元1981年4月12日,在尤里·加加林代表全人类进入太空整整20年的时候,航天飞机实现了首次载人飞行;

同时,这也是人类第一款也是迄今为止唯一一款由商业航天企业研制的具备环绕地球飞行能力的载人飞船。

至此,SpaceX公司拿下了发射卫星入轨、空间交会对接、载人航天这三座圣杯,形成了近地空间体系的技术闭环,并进一步远眺载人登月和载人登火任务。

在逆全球化浪潮汹涌澎湃的今天,NASA的蠕虫标志的回归算是对于在这个星球上依然有着团结一致和拥抱星空理念的人的一种劝慰吧。

有关运载火箭的叙述和分析,详见小火箭2018年5月11日的技术报告:小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版猎鹰运载火箭

现在来看,载人版龙飞船进展还算顺利(至少项目是保留着的),而猎鹰9号运载火箭在进入FT序列之后,在Block 5 之前,是100%的发射成功率。

只要猎鹰9号 Block 5 型运载火箭现在冻结技术状态,不再进行快速迭代,而且以量产型的Block 5运载火箭连续成功执行7次货运任务的话,就获准执行载人任务,而且有希望跳过近地轨道验证飞行阶段,直接执行向国际空间站运送宇航员的任务。

猎鹰9号运载火箭是SpaceX设计并且制造的中型两级入轨系列运载火箭。这个9号的得名,并不是因为其之前还有6号、7号或者8号,而是因为其第一级拥有9台发动机。

猎鹰9号运载火箭Block 5 型的9台发动机的布局沿用了FT型的形式,也就是中心1台,一圈8台。

咱们在2015年探讨过猎鹰9号系列运载火箭的动力冗余技术,也就是9台发动机其中的任意1台坏掉,都不影响任务的完成。

到了现在的Block 5 升级版本,默林发动机的海平面推力达到了845千牛,换算成日常生活的说法,相当于86.17吨,其推力提升幅度为6.97%。

而Block 5 版本的二级的单台默林发动机的真空推力更是达到了914千牛(相当于93.2吨)。

默林发动机看起来,燃烧室压力只有9.7MPa,海平面比冲282秒,真空比冲314秒。这一切并不那么惊艳。

如此高的推重比,是猎鹰9号系列运载火箭得以取得优异性能的首要因素。(另外的因素是箭体的总体优化设计,这个后面再聊。)

小火箭记录着SpaceX公司从成立以来的所有发射,对于猎鹰9号 Block 5型运载火箭来说,迄今为止,发射成功率为100%。

为了进一步方便大家直观比较未来美国载人飞船的3大中坚力量,小火箭花了些时间,找到了下图:

在这个日子里,时任美国宇航局局长查尔斯·博登在美国肯尼迪航天中心的尼尔·阿姆斯特朗大厅里面,借助媒体向全社会解释NASA把钱都花在哪儿了。

上图从左至右:波音公司的CST-100载人飞船(星际客机)、洛克希德·马丁公司的猎户座载人飞船、SpaceX公司的载人版龙飞船。

猎户座飞船是曾经的重返月球的星座计划的主角,后来星座计划搁浅,但是随着现在美国第四次提出重返月球计划,猎户座飞船得到了重生。

星际客机和载人版龙飞船则是可预见的未来几年,美国将会在国际空间站的天地往返活动中采用的载人飞船。

上图是小火箭前一段时间跨过大洋去拜会波音好友时在他们的地盘儿拍摄的照片。摄影:邢强,于2017年。

如今中美的官方技术交流和顶级工程师之间的民间交流,都受到了不同程度的影响,想来也是感慨万千!

有别于其他第三方做的概念图,这是波音公司官方对星际客机StarLiner的展示,体现出了很多细节。

我们可以从地球的大小和视线的角度反推出场景描绘的是星际客机正飞行在400公里的空间站轨道上,其顶部用于和国际空间站对接的接口赫然在目,这正体现了该飞船未来的主要用途。

从个头儿上来说,她比猎户座飞船稍小,但是比大名鼎鼎的阿波罗飞船和创新技术担当的SpaceX公司的龙飞船都要大一些。

而对于龙飞船的技术分析,咱们早在2017年年初就以货运版的龙飞船为研究对象,进行了详细计算。

这是冗余设计思想的又一个体现(猎鹰9号火箭的一级9台发动机也是冗余设计)。18台姿态控制推进器中,任意2台出现故障,都不会明显影响龙飞船的姿轨控能力,飞船可继续安全地执行任务。

在大气层中,龙飞船的太阳能帆板因结构强度问题,会折断,因此不予考虑,只计算了帆板的压力分布。对飞船船体的计算比较用力。可以看到,飞船底部的气流乱如古代豪放派诗人的发丝,这是其飞行阻力的主要来源。

最新版本的龙飞船可以搭载一个大型非增压货舱/推进舱。注意,货舱四周有4片稳定翼,这些可以在飞船逃逸飞行中在大气层内稳定飞船的姿态。

直径为4.0米,高8.1米,增压载人舱的容积为9.3立方米,非增压货舱的容积为12.1立方米。

可见,载人版龙飞船本身就具备极佳的气动外形和防热能力。因此,在猎鹰运载火箭执行载人任务的时候,火箭无需整流罩。

宇航员能够在飞船里看到整个上升过程中的窗外景色。这是龙飞船设计的一个亮点,同时也是把咱们刚刚提的第一个比较难对付的问题给处理掉了。

不过,在该设计中,太阳能电池板和飞船外舱壁的弧形外壁是契合的,发电效率有所降低。

按小火箭在轨光明与黑暗数学模型《光明与黑暗:卫星轨道的数学分析与哲学思考》的推算,飞船需要更大的电池,才能够保证在太空自由飞行7天和对接后在轨运营210天的能源需求。

另外,用贴身保形的太阳能电池板的设计,还有一个附加的好处:提升对接过程的安全性。

和联盟飞船一样,货运版龙飞船也是把让帆板尽量远离对接口,以努力防止对接过程中,帆板与国际空间站的机械臂或者其他突起物产生碰撞。

载人版龙飞船的这个设计,拿掉了太阳能帆板,整个外形比较干净利落,短衣襟的打扮,方便进行对接。

这是个取巧的做法。反正太阳光是从特定方向射入的,圆柱形外壳受光面只能有一面(实际考虑曲率,有效面积为圆柱侧面积的43%)。

有关逃逸塔的历史和技术分析,详见小火箭的公号报告《惊险的逃生!小火箭详解人类火箭的逃逸技术》。

上图为采用双台并联布局的超级天龙座发动机,以安装在载人版龙飞船上的角度和高度进行点火测试的组图。

这种能够仅靠自身推力就能在地球表面起飞的能力赋予了载人版龙飞船可以不用借助逃逸塔就能实现逃逸飞行能力,给载人版龙飞船的安全性提供了一定程度的保障。

另外,载人版龙飞船依然采用了冗余设计的理念。8台发动机中,任意1台出现故障都不会显著影响飞船执行预定任务的能力。

整个超级天龙座逃逸系统,从设计到测试成功,用时9个月。这个速度是相当快了。其原因,除了之前对火箭发动机有着大量技术积累之外,NASA在2011年给出的7500万美元的专项资助也功不可没。

上图为载人版龙飞船在火箭发生剧烈爆炸前,用自身的超级天龙座发动机的推力来实现逃逸的瞬间。

这是为了验证龙飞船在最大动压点的逃逸性能而牺牲的一枚猎鹰9号运载火箭在高空绚丽绽放的瞬间。

在对接过程中,还能够实时显示目标空间站的高清画面。相较于联盟飞船来说,这个对接控制面板的用户友好性要好得多。

座舱压力控制和手动离轨操作等算法,预先存在了弹载计算机中,宇航员按手册来在合适的时机选择相应的操作就可以了。

上图为早期版本的联盟号载人飞船的驾驶舱。注意右上角那个地平导航仪,里面是真的嵌入了一个地球仪的。

说了好多飞船的事情,那么问题来了,当年航天飞机不是挺好用的么,为什么在2011年提前退役了呢?

小火箭在《小火箭讲述人类军用与商业航天发展简史》一文中,和大家分析过,换算成近期的美元,航天飞机项目的总花费为2285亿美元。

第二次世界大战期间的曼哈顿工程,召集了盟军方面几乎所有的顶尖科学家,完成了人类工程技术史上的壮举,造出了3枚原子弹,其总花费换算成今天的美元,为272亿美元;

将12位宇航员送上月球表面并平平安安地带回来,同时从月球挖回了380公斤土壤和岩石样本的阿波罗计划的总花费,换算成当前的美元为1608亿美元。

航天飞机的总花费比造原子弹的曼哈顿计划与载人登月的阿波罗计划的总和还要多出405亿美元。这些钱足够再开挖4条巴拿马运河了。

航天飞机机队总共执行了135次太空飞行任务。其设计乘组数量为6人到8人。我们取平均数7人,将2285亿美元的总价平摊到每一位宇航员身上,得到:

乘坐航天飞机进入太空要比乘坐飞船-火箭组合上太空舒适得多,因此在航天飞机依然在服役的时候,很多没有飞行员体格的人,只要身体健康并经过训练,也能够上太空。

在美国蒙大拿州的印第安人保留地的一所小学任教的女教师芭芭拉·摩根于2007年搭乘奋进号航天飞机进入太空,并讲授了人类有史以来第一堂太空科学课,当时她56岁。

不过,考虑到2.42亿美元的票价,美国宇航局还是动起了让俄罗斯帮忙送宇航员进入国际空间站的主意。

苏联-俄罗斯的联盟载人飞船与进步货运飞船系出名门,可靠性极佳。上图为小火箭绘制的苏联-俄罗斯系列飞船的谱系表。

而且,俄罗斯在接触到美国宇航局的时候,给出的宇航员天地往返的报价实在是太诱人了!

2006年,俄罗斯采用联盟火箭和联盟飞船为美国宇航局运送1位宇航员进入国际空间站,在太空等候6个月,再使用该飞船的返回舱将宇航员送回地面的一揽子任务,总报价为:

对,你没看错!俄罗斯在2006年开始,就已经在以航天飞机发射单价的十分之一的报价来为美国宇航员提供天地往返的运送服务了。

当然,后来的事情很多人就知道了。2011年那个炎热的夏日里,航天飞机全部退役,温柔地迈入了历史的良夜。

要想让国际空间站继续维持在太空的长期有人值守作业,美国宇航局必须和俄罗斯的联盟飞船或者中国的神舟飞船进行合作。

正值俄罗斯与哈萨克斯坦就拜科努尔发射场的运营问题谈判的时候。执着的俄罗斯人一咬牙,与哈萨克斯坦签署了一个为期50年的租借合同,把拜科努尔发射场续租了下来,每年的租金高达1.15亿美元!

背负这样的租金,而且手里握有准垄断资源的俄罗斯,对美国宇航局的发射报价拥有至高无上的定价权。

单名宇航员(1个座位)的报价,从2007年的不到2500万美元,在2012年也就是美国航天飞机退役后的1年,翻番了,飙升为5000万美元。到了今年(2018年),这报价已经在上探8000万美元了!

“人类的行为有这么一个法则:那就是,为了要使一个大人或小孩极想干某样事情,只需要设法把那件事情弄得不易到手就行了。”

不知酷爱阅读的俄罗斯人有没有读过这段话,不过他们的确是这样做的。联盟飞船的价格连年飞涨,但是美国对俄罗斯飞船的依赖程度却又与日俱增。

也就是在这一年,NASA终于下定了决心,给了波音公司42亿美元的意向订单,同时也给了SpaceX公司26亿美元的意向订单。

本次龙飞船的发射地点并没有在SpaceX公司的传统发射场卡纳维拉尔角空军基地的40号发射场,而是特意选择在充满了传奇色彩的39A发射场进行发射。

该发射场在1965年至2005年间,主要承担美国空军发射大力神3号和大力神4号火箭的任务。虽然后来40号发射场承接了发射卡西尼号土星探测器的任务,但该发射场本质上还是一个军用发射场。

小火箭仅列举39A的部分任务,该发射场在人类太空探索事业中的地位就基本上一目了然了:

上世纪60年代,卡纳维拉尔角发射中心,第39号发射场的指示牌和信号灯后面,一枚土星5号火箭整装待发。(39号发射场由39A、39B和39C组成。)

1969年5月20日,一枚土星5号火箭(出厂编号506)顶着阿波罗11号飞船,缓缓地向39A发射场行进。

之后的事情,很多人都比较熟悉了:1969年7月16日,这枚火箭,从39A起飞,完成了人类首次登月任务。

“这是我个人的一小步,却是全人类的一大步”这句话通过电视直播,向全世界传递了这个事实,让公众共同分享了人类登月的喜悦。

1967年11月9日,搭载阿波罗4号无人飞船的第一枚土星5号火箭在39A成功发射。这是土星5号火箭第一次向世界展示自己,同时也是39A第一次正式运营。

实际上,所有的土星5号火箭都是在39号发射场发射升空的,除了载有阿波罗10号的那一枚土星5号火箭是从39B发射场升空的之外,其他所有载着阿波罗飞船的土星5号火箭都是在39A发射场发射的。

这艘飞船与苏联的联盟飞船在太空中进行了人类历史上第一次跨越国家的对接。(详见小火箭的2016年9月18日的公号报告《美国与苏联完成的人类首次跨国太空对接》。)

1979年,第一架航天飞机企业号(其实小火箭个人更喜欢“进取号”这个译名)在39A进行测试。

这是她发射前20个月的样子,注意早期航天飞机推进剂贮箱是白色的,之后的航天飞机的贮箱改为橙红色的了。

公元1981年4月12日,哥伦比亚号航天飞机首次发射升空,执行STS-1任务(也就是人类历史上,航天飞机的第一次正式任务)。

在这次54.5小时的任务中,哥伦比亚号航天飞机环绕地球36圈。同时,这次任务创造了刚出厂的航天飞行器在没有进行过无人飞行试验的前提下,第一次发射就执行载人飞行任务的美国航天发射纪录。

这个纪录保持到了今天,今后有可能会被SLS火箭打破。当然,哥伦比亚的发射也是在39A。

2009年5月11日,亚特兰蒂斯号航天飞机(左)与奋进号航天飞机(右),同时矗立在39号发射复合体(或者直接叫发射场)上。上图左侧为39A,右侧为39B。

这是史上少有的2架航天飞机同时出现在同一个发射基地,整装待发。(实际上,这是最后一次。)

当时亚特兰蒂斯号准备执行哈勃望远镜的最后一次维护任务,而奋进号则随时待命,准备在亚特兰蒂斯号万一出现问题的时候,立即升空营救。

2011年7月8日,亚特兰蒂斯号航天飞机准备执行航天飞机的第135次任务。这是航天飞机最后一次执行任务。

从最早的测试,到第一次执行任务,再到最后一次任务,可以说,39号发射场与航天飞机项目是相伴一生的。

而39号发射场的命运也就开始变得扑朔迷离起来。甚至已经开始有声音要求拆除这些大型发射架,为其他火箭腾挪空间。

原因比较简单:土星5号和航天飞机之后,美国再无与之推力相当的大型航天飞行器的发射任务了。

SpaceX公司租下了整个发射场,其实也是用商业航天的模式来续写这个航天圣地的传奇了。

因热爱飞行,这位妥妥的工科生报名了美国海军陆战队的飞行员训练计划,在名为“维京海盗”的为期四年的超高强度的训练之后,磨练成一位优秀的飞行员。

实际上,道格拉斯是美国第一位有资格驾驶F/A-18E/F超级大黄蜂舰载战斗机的海军陆战队员。

这位集土木工程师、海军陆战队员和超级大黄蜂战斗机飞行员等诸多身份为一身的人,在2000年被航天飞机的优雅和探索太空的梦想所召唤,毅然离开了美国海军陆战队,到美国宇航局NASA来面试了。

34岁的道格拉斯被NASA认定:工程经历丰富,战斗机飞行员经验十足,是一位富有系统思维和工程师精神的宇航员管理人才。

两年后,他成为了美国航天飞机飞行计划的首席技术支持官,负责了STS-107和STS-121两次航天飞机的发射和在轨运营任务。

他如愿以偿驾驶航天飞机进入了太空,并且在太空工作和生活了15天16小时44分钟后,驾驶奋进号航天飞机顺利返航。

土木工程师出身,杜兰大学土木系专业第一名,这样的工程教育背景使得他几乎在每一次美国宇航局的数学与工程学笔试中,都是第一名,甚至时常拿满分;

接受了美国海军陆战队长达数年的魔鬼式训练,并且在淘汰率高达45%的维京海盗训练营中脱颖而出,成为同届学员中唯一的授旗陆战队员,道格拉斯的身体素质可以说是美国宇航员队伍中最过硬的;

作为美国海军陆战队中第一位有资格驾驶超级大黄蜂战斗机的飞行员,道格拉斯本身在美国海军陆战队和美国海军中已经是一个传奇了。

有个小插曲,当时美国宇航局的候选宇航员管理员只看到了道格拉斯的土木工程师背景,还以为他是一位需要加强飞行训练的大学生,于是指派了美国宇航局的T-38教练机的飞行教官来给他进行一些指导。

结果,T-38教练机的飞行教官一眼就认出了道格拉斯,见到了偶像,让NASA的飞行教官欣喜不已。两人相谈甚欢,把美国宇航局的管理员看得目瞪口呆。

土木工程师的教育赋予了道格拉斯结构力学和空间架构的直觉,海军陆战队队员的身体素质和超级大黄蜂战斗机飞行员的驾驶水平这些都给了道格拉斯把宇航员作为终生事业进行下去的勇气和资本。

然而,事与愿违的是:美国终于认定航天飞机太过昂贵,而决心将所有的航天飞机机队提前退役。

这个月,最后一艘在役航天飞机亚特兰蒂斯号,将执行航天飞机机队的最后一次任务,是为STS-135任务。

这次发射,亚特兰蒂斯号为国际空间站送去一批工具后,在轨飞行仅12天18小时28分钟,然后就是返航和向太空的永别。

公元2011年7月21日,道格拉斯驾驶亚特兰蒂斯号航天飞机平稳着陆,亲手结束了那个时代。

这面旗,就是在公元1981年4月12日搭乘哥伦比亚号航天飞机,在航天飞机的第一次太空任务的时候进入太空的那面旗。

在旗子两侧,他还粘上了两个任务徽章,左侧为STS-1,也就是航天飞机执行第一次太空任务的徽章,右侧为STS-135,也就是航天飞机最后一次太空任务的徽章。

这句因《终结者》系列电影流行开来的狠话,却也成为了让道格拉斯念念不忘的一句誓言。

从2011年7月21日开始,当那些宇航员都开始分散各处的时候,道格拉斯却依然每天坚持进行高强度锻炼。

一年过去了,到了2012年,航天飞机复飞无望,好几座博物馆已经欣然接受了这些曾经叱咤太空的庞然大物。

航天飞机和SR-71一起,进入了博物馆,成为了人类航空航天飞行器设计技术的实物见证者。

5年过去了,到了2016年,美国依然没能恢复载人航天能力。所有的美国宇航员,都需要到俄罗斯加加林训练中心进行重新训练,然后搭乘俄罗斯联盟号载人飞船,在哈萨克斯坦大草原上的拜科努尔发射中心进入太空。

然后,又过了四年,到了2020年,54岁的道格拉斯,那位曾经意气风发的宇航员与海军陆战队员,已经成了一位年过半百的人。

贝肯是加州理工学院毕业的,博士方向为系统工程和控制论,专注于非线性控制理论的研究。

加州理工学院知名校友:美国小火箭联盟(1936年由包括钱在内的五位博士创立的小组,Small group of rocket scientist, JPL喷气推进实验室的前身)创始人,钱学森博士;唯一登上月球的人类地质学家,施密特博士;英特尔公司的联合创始人,摩尔定律的提出者,摩尔博士;固体晶体管发明人,硅谷之父,威廉·肖克利博士。

贝肯博士是项目实际意义上的首席工程师,只不过出于种种原因,其真实头衔和项目经历是不便公开的。

当然,如果贝肯博士的学术成果能够在人们日常用的互联网上被检索到的话,那一定是大家喜闻乐见的。不过,小火箭认为,美国空军一定会在第一时间把刊出贝肯博士成果的服务器给端掉的。

两人都驾驶或者乘坐航天飞机执行过两次任务,道格拉斯或许是目前西方世界能够找到的最好的航天器飞行官,贝肯博士则拥有累计37小时33分钟的太空出舱活动时长。

这次,用3D打印技术生产的流线型头罩和较为修身的剪裁,以及火箭白和科技灰的配色,给人一种眼前一亮的感觉。

再加上刚刚咱们聊过的登船廊桥和飞船的控制面板设计,可以说,这是人类真实的太空飞行活动离科幻电影的场景最近的一次。

这个薪资水平,接近美国平均年收入的2倍,比波音、洛克希德·马丁公司、诺斯洛普·格鲁曼公司略高,比雷声公司略低。

SpaceX公司的员工平均收入,相当于美国科技巨头,薪资水平令全世界工程师羡慕的苹果公司的73.2%,还是挺不错的。