CRS— 8：一箭雙雕的太空之旅

張雪松

北京時間2016年4月9日上午4點(diǎn)43分，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹九號”火箭搭載著龍式飛船在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空。8分半鐘后，“獵鷹九號”第一級成功實(shí)現(xiàn)了首次海上降落，與此同時，攜帶充氣式太空艙的龍式飛船將與國際空間站對接，執(zhí)行代號為CRS-8的國際空間站貨運(yùn)任務(wù)。

BEAM充氣式太空艙

這次任務(wù)中，龍式飛船裝載了有史以來最多的貨物——重達(dá)3.18噸。除了為國際空間站送去必需的食物、水以及其他供給物品以外，它還搭載了比奇洛航天公司（Bigelow Aerospace，以下簡稱比奇洛）研發(fā)的可擴(kuò)展活動模塊（BEAM）——一款備受矚目的充氣式太空艙。

太空艙大變身

BEAM重1.36噸，當(dāng)它被機(jī)械臂從龍式飛船取出，和國際空間站對接后，會在徑向和軸向兩個方向上緩慢地膨脹展開，最終達(dá)到3.2米直徑和4米長度，內(nèi)部空間則可增加到16立方米。

16立方米的空間并不是一個多么驚人的成就，例如“天宮一號”飛行器的內(nèi)部活動空間就達(dá)到了15立方米。但相比傳統(tǒng)艙段的金屬外殼，BEAM的外殼采用了高性能復(fù)合材料，早期曾用凱夫拉纖維，后來又改用性能更好的高分子材料——超高分子量聚乙烯纖維，這種材料具有重量輕的優(yōu)勢。充氣設(shè)計(jì)為BEAM帶來了體積小的獨(dú)特優(yōu)勢，它與國際空間站對接充氣后，又可以為航天員提供更大的活動空間，具有傳統(tǒng)太空艙不可比擬的優(yōu)勢。

別小看了BEAM

日常的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，充氣的氣球總是易爆，因而很多人從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，難免會有這樣的疑問：充氣式太空艙真的靠譜嗎？看了影片《地心引力》的觀眾更要顯擺一下自己的“內(nèi)行”：要是遇到隕石或太空垃圾，航天員怎么逃生？冒險住進(jìn)“氣球”里安全嗎？

BEAM使用的超高分子量聚乙烯纖維是高性能防彈衣普遍使用的防護(hù)材料，具有很高的防彈性能。此外，BEAM的微隕石和軌道碎片保護(hù)層采用精心設(shè)計(jì)的多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，它對隕石和碎片的防護(hù)效果甚至比現(xiàn)有的高強(qiáng)度鋁合金外殼的金屬艙段還要好。看來，我們無需杞人憂天，為住在“氣球”里的航天員擔(dān)驚受怕，其實(shí)他們是待在多層防彈衣里面呢！

比奇洛的“太空旅館夢”

BEAM并非是比奇洛第一個發(fā)射上天的充氣式太空艙，早在2006年，比奇洛就使用俄羅斯“第聶伯號”火箭發(fā)射了“起源一號”和“起源二號”充氣式試驗(yàn)太空艙，不過它們僅使用了徑向充氣的展開方案，并且這兩款“開路先鋒”均只有6個月的設(shè)計(jì)壽命。這兩款起源試驗(yàn)艙最終卻飛行了長達(dá)兩年半的時間，而此次比奇洛聲稱BEAM能正常使用兩年。如此看來，比奇洛有這樣的底氣也就不足為怪了。

BEAM只是牛刀小試，比奇洛還雄心勃勃地提出了BA330和BA2100的方案。顧名思義，BA330內(nèi)部加壓空間可達(dá)330立方米，BA2100內(nèi)部加壓空間可達(dá)2100立方米，后者比國際空間站916立方米的加壓空間還要大一倍多。

雖然到目前為止，充氣式太空艙的優(yōu)勢還是理論上的，但BEAM即將進(jìn)行長時間的軌道飛行，一旦它經(jīng)受住了太空環(huán)境嚴(yán)苛的考驗(yàn)，比奇洛必定會用BA330甚至BA2100艙段實(shí)現(xiàn)多年的“太空旅館夢”。就在近日，NASA和比奇洛達(dá)成合作意向，計(jì)劃將BA330與國際空間站對接。假以時日，BA330不僅將用于近地軌道的太空旅館，還將用于載人深空探測任務(wù)，比如月面基地、深空空間站和火星飛船。

從這個意義上說，BEAM雖然在體積和重量上都算小型的，但它作為起源試驗(yàn)艙和BA330實(shí)用艙段之間的過渡，在充氣太空艙技術(shù)發(fā)展上有著承前啟后的重要作用，將有望為人類載人航天活動開辟更廣闊的前景！

海上回收火箭

BEAM的亮相開啟了新一輪的太空夢，但再美好的夢，面對居高不下的航天發(fā)射成本，也無法變成現(xiàn)實(shí)。令人欣喜的是，CRS- 8發(fā)射任務(wù)的支線任務(wù)——“獵鷹九號”火箭的海上降落回收試驗(yàn)，為太空夢的實(shí)現(xiàn)帶來了新的希望。

昂貴的航天發(fā)射

我們對一次性筷子、日用餐巾紙和一次性注射器等一次性物品并不陌生，這些一次性物品具有生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢。以往的運(yùn)載火箭雖然也都是一次性的，但它的成本卻高達(dá)幾千萬甚至上億美元，這也成了阻礙航天產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的絆腳石?；鸺幕厥占爸貜?fù)使用則可以有效分?jǐn)偛⒔档统杀尽?/p>

相比運(yùn)載火箭，航天飛機(jī)是著眼于重復(fù)利用的飛行器，是人類自由進(jìn)出太空的工具。它借助外置燃料箱和固體助推器為起飛提供絕大部分的推力，設(shè)計(jì)十分巧妙，但它卻無法滿足對低發(fā)射成本的期待。航天飛機(jī)外置燃料箱要5000萬美元，每次任務(wù)返回地面后，主發(fā)動機(jī)的維修則需要單臺500萬美元的巨額費(fèi)用，而單這兩項(xiàng)巨額的花費(fèi)就已經(jīng)達(dá)到了“獵鷹九號”火箭一次性使用的成本。此外，航天飛機(jī)每次的發(fā)射成本更是高達(dá)4.5億美元，遠(yuǎn)比現(xiàn)在任何一種一次性運(yùn)載火箭都要貴。

回收火箭的漫漫征途

運(yùn)載火箭為了增加發(fā)射時的運(yùn)力，整體結(jié)構(gòu)必須做到盡可能輕，這個皮薄且脆弱的“大家伙”要想在發(fā)射后成功完整地返回大氣層實(shí)非易事。那么，運(yùn)載火箭的回收只能是一條行不通的死胡同么？

2002年，埃隆·馬斯克創(chuàng)立了SpaceX，該公司剛創(chuàng)立便執(zhí)著地推動運(yùn)載火箭的重復(fù)使用。多級火箭的每一級都裝有發(fā)動機(jī)與燃料。從尾部最初一級開始，每級火箭燃料用完后自動脫落，同時下一級火箭發(fā)動機(jī)開始工作，使飛行器繼續(xù)加速前進(jìn)。“獵鷹九號”暫時只做了第一級的回收工作，這一級火箭分離速度低，在很大程度上降低了回收的技術(shù)難度。著眼重復(fù)使用的火箭只比一次性的火箭多加了四個著陸腿和四個柵格翼。通過這樣獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)，“獵鷹九號”火箭做到了進(jìn)可攻退可守。如果火箭回收成功，“獵鷹九號”火箭將進(jìn)一步降低成本。即使回收不成功，一次性的“獵鷹九號”火箭仍然是一種物美價廉的運(yùn)載火箭。

2015年1月和4月，“獵鷹九號”火箭連續(xù)兩次的海上降落回收試驗(yàn)均以失敗告終，火箭都無一幸免地砸到了回收船上，一時間，外界議論紛紛。雪上加霜的是，SpaceX又遭遇了一次“獵鷹九號”火箭的發(fā)射爆炸，此時成功回收火箭的愿望似乎已變得更加遙不可及。但SpaceX并未氣餒，北京時間2015年12月23日，經(jīng)改造的“獵鷹九號”火箭第一級成功飛回卡納維拉爾角的著陸場并在陸地著陸成功，SpaceX多年的堅(jiān)持終于有了回報(bào)！

在海上平臺成功“軟著陸”

即使“獵鷹九號”火箭第一級陸上成功著陸，關(guān)于海上回收火箭的質(zhì)疑聲卻仍未平息，很多人仍然認(rèn)為，受海浪等因素的影響，實(shí)現(xiàn)火箭的海上回收仍困難重重。

但對于SpaceX來說，海上回收火箭有著陸上回收無法取代的價值。相比陸上回收火箭多達(dá)30%的運(yùn)力下降，海上回收損失的運(yùn)力只有15%，這在發(fā)射更大更重的飛船和衛(wèi)星上的優(yōu)勢不言而喻。

2016年，SpaceX繼續(xù)進(jìn)行火箭海上降落回收試驗(yàn)，但連續(xù)兩次降落都以失敗告終，后一次居然把回收船的甲板砸出了一個大坑。2016年4月9日，“獵鷹九號”再次“出征”，它的第一級終于非常順利地在回收船上降落。有趣的是，幾次海上降落回收試驗(yàn)使用的是同一艘回收船，它的名字叫“Of Course I Still Love You”（當(dāng)然我依然愛你），對比上一次砸出一個大坑的沮喪和這次成功的歡呼雀躍，這個名字實(shí)在是應(yīng)景得很。

結(jié) 語

回收運(yùn)載火箭有望大幅度降低航天發(fā)射的成本，SpaceX甚至大膽暢想“獵鷹九號”火箭第一級進(jìn)行100次重復(fù)使用的樂觀前景。到那時，“獵鷹九號”火箭的性價比將打遍天下無敵手，甚至可能由此拉開大航天時代的序幕。充氣式太空艙可以為太空活動提供更大的生活空間，上述兩者的結(jié)合將使移民外星不再遙不可及。很多年后，當(dāng)我們的下一代人成為“外星人”時，也許你才會發(fā)現(xiàn)，所有的一切都來自這次例行的空間站貨運(yùn)任務(wù)！