坐著出租車上太空

趙洋

2014年9月16日，美國航空航天局（NASA）宣布，在運送宇航員到國際空間站項目的競爭中，波音和太空探索技術(shù)（SpaceX）公司成了贏家。美國宇航員最早可在2017年乘坐這兩家公司分別研制的CST-100飛船和“龍2”型（Dragon?2）飛船，從美國本土飛上太空。此前，因為航天飛機退役，美國不得不向俄羅斯支付每個“座位”7000萬美元的高價，把自己的宇航員送上自己主導(dǎo)建設(shè)的空間站。這一合同的簽訂，標(biāo)志著喧囂多年的太空出租車競爭塵埃落定，私營企業(yè)首次躋身載人航天領(lǐng)域。

CST-100飛船名字中的數(shù)字100代表100公里，這是地面到太空的距離，這意味著它專門執(zhí)行空間近地短途運輸任務(wù)。這一新型飛船的外形與“阿波羅”號和“獵戶座”飛船很相似，而體積卻處于它們的體積大小之間，能一次性搭載7名宇航員。其中，4個名額預(yù)留給空間站機組人員，剩下3個可以提供給太空游客。這艘航天器的最寬處有4.5米，利用了阿波羅飛船和航天飛機項目中已成熟的技術(shù)。它的創(chuàng)新之處還包括全船無焊接設(shè)計、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)以及升級版的熱控制技術(shù)方案。波音公司聲稱，這種一體化設(shè)計降低了飛船整體重量，并加快了艙體的制造速度。過去的美國載人飛船都是在海洋里濺落的，這次CST-100有望通過降落傘減速，再用安全氣囊吸收撞擊力，實現(xiàn)陸地著陸。CST-100可以在軌飛行長達7個月，返回地球后再更換防熱系統(tǒng)，進行翻新。為了達到經(jīng)濟性，每一個獨立的小艙室都被設(shè)計為充分使用，可實現(xiàn)10次太空飛行。

今年5月，SpaceX研制的無人“龍”號飛船被國際空間站機械手臂抓住，實現(xiàn)對接和物資運送。這次成功的飛行證明了“龍”飛船不僅僅可以將貨物送到國際空間站，而且還可以重復(fù)使用。這是第一艘完成此項任務(wù)的商業(yè)太空船。此外，“龍”飛船還可以搭載一名宇航員。盡管技術(shù)先進，但是“龍”飛船仍然使用老式的著陸方式——像“阿波羅”任務(wù)那樣落入大海后再打撈回收。而第二代“龍”飛船則安裝了被稱為“蚱蜢”的反推火箭，可以垂直降落在地面上。巧妙的是，如果飛船在上升階段遇險，這些發(fā)動機可以作為應(yīng)急救生的動力?！褒?”飛船外形也極具創(chuàng)新性，過去的飛船一般都是軸對稱幾何體，它卻擁有非軸對稱的扁平外形，這種形狀可以提高再入大氣層時的升阻比，讓航天員在返回時更舒服，并減小氣動加熱而便于重復(fù)使用?！褒?”飛船可運載7名宇航員抵達近地軌道空間站乃至更加遙遠的目的地，比如說火星——SpaceX公司總裁艾龍-馬斯科聲稱，他建立公司的首要目標(biāo)就是幫助人類成為一個多行星居住的種族。這位被譽為“現(xiàn)實版鋼鐵俠”的極客大亨還透露了“龍2”飛船的一些亮點，他說：“它的側(cè)面安裝有推進系統(tǒng)和供宇航員向外觀察的大舷窗，底部還有著可以彈出的著陸支架，看起來像一艘外星飛船?！?/p>

將時針撥回到1968年，在那年上映的科幻影片《2001：太空漫游》中有這樣一個經(jīng)典蒙太奇——古猿扔向藍色天空的骨頭一下變成了在漆黑太空中翱翔的宇宙飛船。導(dǎo)演庫布里克和編劇阿瑟·克拉克想用這個畫面?zhèn)鬟_人類技術(shù)的飛躍——從簡單的天然工具到復(fù)雜的載人航天器，這中間跨越了百萬年歷史。在這部影片推出之時，航天事業(yè)正發(fā)展得如火如荼，因為美蘇登月競賽的緣故，短短七年時間里，載人飛船已經(jīng)進化了三代。

1961年，把蘇聯(lián)宇航員加加林送入太空的“東方”號飛船是第一代飛船的代表。它采用座艙和服務(wù)艙串聯(lián)的兩艙式布局，僅容納一人。第二代蘇聯(lián)飛船是“上升”號，屬于過渡型號，目的是突破太空行走技術(shù)，其中一人出艙活動，另一人留守艙內(nèi)。第三代是“聯(lián)盟”號，其使命是載人登月和作為空間站的運輸工具，可搭載三人。

盡管蘇聯(lián)飛船曾創(chuàng)造多項航天史的“第一”，但早期飛船技術(shù)并不成熟。女宇航員捷列什科娃在1963年乘“東方6號”飛船繞地球飛行了48周后返回地面，成為第一個進入太空的女性。但這次旅程并不愉快，“東方6號”飛船很小，她只能半躺著度過了三晝夜。而且飛船的自動控制系統(tǒng)也出現(xiàn)了失誤，捷列什科娃回憶說：“這個秘密我保守了三十年。本來應(yīng)該開動下降系統(tǒng)，但按計劃規(guī)定卻是提高飛行速度，改變軌道，飛離地球。”好在她及時發(fā)現(xiàn)了這個錯誤并向飛行管理中心匯報。得到指令后，她啟動了下降系統(tǒng)并順利著陸。當(dāng)時，蘇聯(lián)和美國的宇航技術(shù)都還很不發(fā)達，遠未完善。

盡管蘇、美的載人飛船在外形與結(jié)構(gòu)上有很大不同，屬于科技發(fā)展譜系樹上的不同分支，但按照飛船功能和技術(shù)水平劃分，美國的三代載人飛船與蘇聯(lián)飛船具有兩兩對應(yīng)的關(guān)系。因此，我們可以把兩個國家在同時代發(fā)展出的飛船看作是“遠親”。第一代美國飛船是1961年4月至1963年6月使用的“水星”號，只能搭載一人。第二代是1965年投入使用的“雙子星座”號飛船，可容納二人，它驗證了交會對接與太空行走技術(shù)，這些技術(shù)是登月時必需的。“阿波羅”號飛船是美國的第三代飛船，也是目前唯一發(fā)射成功的登月飛船，為圓錐形的三艙結(jié)構(gòu)，乘員三人。

上述飛船稱霸太空將近40年，直到1999年中國“神舟”號飛船首飛，才打破了載人航天兩家獨大的局面。

雖然中國載人航天工程起步較晚，但并不是從最簡單的飛船起步，先搞兩艙段單人飛船，然后才研制多人飛船，而是一步邁過美蘇的40年發(fā)展歷程，實現(xiàn)了跨越式的發(fā)展。中國航天工作者博采眾家之長，一步到位地研制了多人多艙的第三代載人飛船——“神舟”飛船，實現(xiàn)了載人飛船技術(shù)的跨越式發(fā)展。

國外的載人飛船，如蘇聯(lián)的“東方”號飛船是單人單艙飛船，美國的“水星”號飛船是單人雙艙飛船，航天員只能半躺在座椅上，在狹小的空間里，完成按電鈕、拉手柄等操作動作?！吧裰邸憋w船因采用多艙段結(jié)構(gòu)，飛船內(nèi)部空間較大，可同時容納三名航天員工作生活。目前，“神舟”飛船是在軌道上運行的個頭最大的載人飛船，且從未出現(xiàn)過安全事故，難怪電影《地心引力》中要安排“神舟”飛船作為遇險美國宇航員的救命稻草。

回到NASA太空出租車的競爭故事中。此前曾被看好的內(nèi)華達山脈太空系統(tǒng)公司是參與競標(biāo)的第三家公司，它的設(shè)計方案是使用一架小型航天飛機，放在運載火箭頂端發(fā)射入軌，它能夠載著宇航員在飛機跑道上水平降落。這架名為“追夢者”的小型航天飛機也能運載七名宇航員來往于天地之間?！白穳粽摺钡耐庥^雖然科幻，但其原型就是NASA在20世紀80年代提出的HL-20升力體構(gòu)形。NASA已經(jīng)在過去的兩年里向該公司提供了超過一億美元的商業(yè)載人航天項目資金來幫助“追夢者”的發(fā)展?！白穳粽摺币埠軤帤猓壳耙淹瓿闪巳匡L(fēng)洞試驗，驗證了小型航天飛機與火箭集成時的性能。但不利之處在于，它與波音的CST-100都要使用“阿特拉斯5”運載火箭發(fā)射，這種火箭需使用俄制RD-180發(fā)動機，有斷貨的風(fēng)險。

但更深層次的原因是，NASA對航天飛機這種技術(shù)心有余悸。身為NASA顧問的物理學(xué)家大衛(wèi)·布林（他也是科幻作家，代表作《星潮洶涌》）這樣評論目前各式載人航天器層出不窮的局面：“這是一個令人興奮的時代！但自從1986年‘挑戰(zhàn)者’號失事以來，美國宇航局已經(jīng)異常小心?！?/p>

“阿波羅”登月成功后，美國匆忙放棄了飛船路線，轉(zhuǎn)而發(fā)展更具科幻感的可重復(fù)使用天地往返工具——航天飛機。20世紀70年代初，美國空軍承諾幫助NASA游說國會通過航天飛機的預(yù)算，作為交換，航天飛機將按照美國空軍的特定要求設(shè)計，空軍擁有兩架航天飛機的使用權(quán)。航天飛機的設(shè)計運載能力也從11噸提升至中央情報局期望的29噸，這樣就可以滿足發(fā)射下一代偵察衛(wèi)星的需要。

1986年，“挑戰(zhàn)者”號航天飛機因為一個密封圈失效而凌空爆炸后，美國空軍拋棄了使用航天飛機發(fā)射軍事衛(wèi)星的幻想，轉(zhuǎn)而投資于可靠性更高、價格更便宜的一次性運載火箭。

從此，大而全的航天飛機幾乎成了NASA的一塊心病，雖然曾表演過兩次維修“哈勃”太空望遠鏡的出色太空秀，但高昂的發(fā)射費用與復(fù)雜的技術(shù)大大降低了航天飛機的使用率。

航天飛機的優(yōu)勢在于可以部分重復(fù)使用，但僅有飛機狀的軌道器和固體助推火箭可以重復(fù)使用，設(shè)計壽命分別為100多次和20次，而固體助推火箭還要從大西洋上打撈，體積最大的外燃料艙則是用了就扔的。載人飛船及其運載火箭雖然不能重復(fù)使用，但結(jié)構(gòu)簡單可靠，重量較小，發(fā)射費用低也是其優(yōu)勢所在。

航天飛機的優(yōu)勢還在于發(fā)射和降落時沖擊較小，普通人經(jīng)過訓(xùn)練也可乘坐，不過價格不菲，NASA給每次航天飛機飛行商業(yè)發(fā)射標(biāo)價為1.55億美元。要發(fā)射一顆中型商業(yè)衛(wèi)星，用中國的運載火箭只需1500萬美元，而用航天飛機則要花費8000萬美元。

如果把天地往返系統(tǒng)比作公路運輸，那么航天飛機就像是一輛載重卡車，連司機帶搭便車的7個人擠在駕駛室中，貨艙里卻經(jīng)?？湛杖缫病绹约旱纳虡I(yè)衛(wèi)星就交給更便宜的一次性運載火箭發(fā)射了。航天飛機技術(shù)不切實際地復(fù)雜，也異乎尋常地昂貴，以至于在運輸衛(wèi)星和人員方面沒有任何競爭力。而載人飛船則像迷你轎車，連行李箱都做得很小，省油而且便宜，在可靠的公路上開著也很安全。事實證明，航天飛機生不逢時，大規(guī)模太空物流的時代遠未到來。在受到1986年和2003年兩次折翼的打擊后，NASA不得不考慮雪藏這臺燒錢機器，轉(zhuǎn)而發(fā)展載人飛船也就順理成章了。

美國政府之所以要進行“太空出租車”的招標(biāo)，原因在于官方主導(dǎo)研制的“獵戶座”飛船進展緩慢，沒能盡快填補航天飛機退役后的空缺。

“獵戶座”飛船延續(xù)了“阿波羅”飛船的外形布局，所以有人稱其為“阿波羅”飛船的2.0版。但它的一系列獨到之處，使其躋身第四代飛船之列。它由乘員艙、服務(wù)艙、飛船結(jié)合段和發(fā)射逃逸系統(tǒng)四部分組成。乘員艙是圓錐形，服務(wù)艙是圓筒形。它與“阿波羅”的共同之處到此為止。“獵戶座”太空艙直徑約5米，總重量約25噸，是“阿波羅”可居住空間的2.5倍?！矮C戶座”可乘坐6名宇航員，而“阿波羅”只能容納3人。“獵戶座”的電子系統(tǒng)和各項設(shè)備都反映了21世紀的最高水平。儀表采用波音787飛機的數(shù)字式系統(tǒng);控制系統(tǒng)是“手自一體”，在應(yīng)急情況下可用手控取代自控;廢物處理系統(tǒng)采用國際空間站男女通用的衛(wèi)生設(shè)施;艙內(nèi)使用1個大氣壓的氮氧混合空氣。此外，大型太陽能電池板取代燃料電池;助推火箭燃料使用液態(tài)甲烷，可在火星、土衛(wèi)六等星球上補充，彰顯適航能力。

“獵戶座”還是美國第一種能夠在陸地上降落的飛船。它采用了降落傘與反推火箭相結(jié)合的回收系統(tǒng)，使乘員艙能像“神舟”飛船一樣在陸地上著陸，不必像美國前三代飛船一樣出動艦隊打撈。為了取代昂貴且高風(fēng)險的航天飛機，“獵戶座”也得有些相對于航天飛機的“絕活”：例如它的乘員艙能部分重復(fù)使用，每一個乘員艙最多可重復(fù)使用10次;防熱系統(tǒng)比航天飛機的更安全可靠，絕不會發(fā)生隔熱瓦損壞造成機毀人亡的慘劇;因為飛船在發(fā)射時頂部設(shè)有逃逸塔系統(tǒng)，一旦在發(fā)射時出現(xiàn)故障，可迅速帶飛船飛至安全區(qū)域。這些措施可使事故概率從航天飛機的1/220降低為1/2000?！矮C戶座”與NASA過去的載人飛船不同的一個特點是，增加了兩個太陽能電池帆板。按照最新計劃，重獲新生的“獵戶座”飛船將在2017年執(zhí)行首次無人飛行任務(wù)，并于2021年實現(xiàn)載人飛行。

航天大國俄羅斯同樣也在努力研制新一代載人飛船。新飛船名叫“羅斯”，這是俄國的古名。飛船返回艙的最大直徑為4.4米，是“聯(lián)盟”號飛船直徑的兩倍多，最多可容納6人，同時還可在地面和軌道之間往返運輸重約半噸的物資。盡管“羅斯”表面上與美國的“獵戶座”相似，但是卻有明顯區(qū)別，體現(xiàn)出了俄羅斯特色。新一代飛船的乘員艙可重復(fù)使用10次，壽命15年。該乘員艙將采用可重復(fù)使用的防熱瓦，這不同于傳統(tǒng)的燒蝕性絕熱系統(tǒng)，這種材料可以在再入地球大氣期間分層燃燒。俄羅斯的這種做法與美國相反，美國的“獵戶座”防熱材料采用“阿波羅”時代的燒蝕性絕熱系統(tǒng)，而已退役的航天飛機則采用防熱瓦?！傲_斯”飛船的造價預(yù)計將比美國的“獵戶座”便宜三分之二。

與“聯(lián)盟”號系列飛船一樣，“羅斯”飛船可以實現(xiàn)完全自主和手動交會對接，并有足夠的推力與空間站、低軌平臺和不載人航天器艙對接或脫離，保證安全返回?！傲_斯”的乘員艙頂部采用了可移動的空氣動力學(xué)襟翼，一旦乘員艙到達了可辨識大氣的區(qū)域，它就可以用來控制乘員艙?！傲_斯”的降落與“龍2”飛船相似，它利用著陸發(fā)動機的推力實現(xiàn)垂直軟著陸，降落傘只在緊急情況下使用。新飛船的著陸精度將會提升到兩公里，僅為“聯(lián)盟”飛船二十公里著陸精度的十分之一。

無論是“羅斯”還是“獵戶座”，它們的目的地都不止于近地軌道，它們均具有能把宇航員送到月球并安全返回的實力;至于將宇航員運送到火星、小行星或太陽系的其他天體附近——就看哪個國家肯為這種巡游買單了。

航天飛機駕駛艙可能是世界上屏幕和按鈕密度最高的地方。宇航員不但要熟記這些設(shè)備的位置和功能，還要帶一本厚厚的使用手冊備用。而在微重力環(huán)境下，厚重的宇航服又使肢體運動極其不便。如何解決控制界面過于復(fù)雜而操控動作不便展開的矛盾？英國艾塞克斯大學(xué)的一個研究小組想出一個解決方案——使用大腦-計算機界面（BCI）控制宇宙飛船。

在實驗中科學(xué)家使用BCI系統(tǒng)模擬飛船操控，發(fā)現(xiàn)兩個宇航員協(xié)同工作時具有較高的工作效率。模擬宇航員的測試者頭戴包含66個電極的帽狀裝置，這是一種非侵入式獲得大腦信號的方法，能夠讀取測試者的腦電圖信號。為了放大腦信號，研究小組通過計算機在屏幕上產(chǎn)生特殊的視覺刺激，這將幫助被試者產(chǎn)生大腦信號，進而模擬飛船在太空中的狀況?！帮w船”在屏幕上是一個較大的圓圈，“太陽”是一個較大的白色球體，當(dāng)“飛船”逐漸接近“太陽”時，白色球體就會變大。在圓圈周圍的一組8個灰色圓點是控制飛船移動的光標(biāo)，每個圓點代表不同的方向，這些圓點將以綠色或者紅色隨機點亮。

為了實現(xiàn)飛船沿著特定方向飛行，“宇航員”必須集中精力于這些圓點，識別圓點每次點亮?xí)r的顏色。對圓點色彩的專注將使大腦產(chǎn)生較強的腦電波信號。當(dāng)測試者專注于飛船沿著正確軌道移動時，幾臺計算機將協(xié)同工作讀取大腦信號并進行分析，實時呈現(xiàn)飛船的模擬飛行狀況?？茖W(xué)家們希望，通過解讀控制飛船姿態(tài)的特定大腦信號，可以開發(fā)出一套飛行操作系統(tǒng)，有朝一日能用在飛船駕駛艙中，取代現(xiàn)在密密麻麻的顯示器和按鈕。

看樣子，《星際迷航》系列影片中船長發(fā)出口頭指令，船員跑來跑去執(zhí)行操作命令的忙碌艦橋場景很快就要過時了，畢竟那屬于20世紀60年代的想象，新世紀的星艦將可以做到“身未動、心已遠”。

【責(zé)任編輯：楊?楓】