宇航員首次乘坐私人火箭到達(dá)空間站

Chris Palmer

Senior Technology Writer

圖1. SpaceX公司的“龍飛船”太空艙于2020年5月30日從美國佛羅里達(dá)州NASA的肯尼迪航天中心發(fā)射升空，將宇航員Robert Behnken和Douglas Hurley帶到國際空間站。來源：NASA（公共領(lǐng)域）。

圖2. “龍飛船”于2020年2月13日到達(dá)NASA的肯尼迪航天中心后接受檢查。來源：SpaceX（公共領(lǐng)域）。

2020年5月30日，美國國家航空航天局（NASA）的兩名宇航員Robert Behnken和Douglas Hurley創(chuàng)造了歷史，成為第一批乘坐私人航天器前往國際空間站（ISS）的人（圖1）。9周后，即2020年8月2日，SpaceX公司（位于美國加利福尼亞州霍索恩市）建造并運(yùn)營了“龍飛船”（Crew Dragon），將Behnken和Hurley送回地球，安全完成了任務(wù)。

“只有三個(gè)國家擁有向地球軌道運(yùn)載人類的能力，即俄羅斯、美國和中國”，總部設(shè)在美國加利福尼亞州帕薩迪納市的行星協(xié)會的高級空間政策顧問兼首席倡導(dǎo)者Casey Dreier說。SpaceX公司現(xiàn)在是這個(gè)非常小的團(tuán)體的一部分。

“龍飛船”（圖2）與國際空間站對接任務(wù)的完成標(biāo)志著自2011年航天飛機(jī)（Space Shuttle）計(jì)劃結(jié)束以來，美國首次發(fā)射運(yùn)載美國宇航員的火箭。在過去的9年中，所有NASA的宇航員都乘坐俄羅斯飛船到達(dá)國際空間站，每人的費(fèi)用高達(dá)9000萬美元，比SpaceX公司的收費(fèi)高出3500萬美元[1]?？偛课挥诿绹糁蝸喼輥喬靥m大市的太空咨詢公司Astralytical的創(chuàng)始人Laura Forczyk說：“NASA無法運(yùn)載自己的宇航員到達(dá)國際空間站，因此不得不依靠俄羅斯人，這使美國有些尷尬?！盨paceX公司的較低價(jià)格很大程度上是由于該公司在另一項(xiàng)技術(shù)，即火箭零件的回收和再利用上取得了空前的成功，從而節(jié)省了大量費(fèi)用[2]。

圖3. 測試結(jié)果顯示，“龍飛船”使用四件式降落傘系統(tǒng)將太空艙輕輕帶回地球。來源：SpaceX（公共領(lǐng)域）。

在NASA成立的前半個(gè)世紀(jì)中，其將建造火箭的工作承包給私人航空航天公司，同時(shí)監(jiān)督生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的各個(gè)方面。然后，NASA將擁有、運(yùn)營和維護(hù)已制造完成的飛行器。NASA在2004年宣布取消航天飛機(jī)計(jì)劃的經(jīng)費(fèi)，并且開始尋找更便宜的替代品，以便將資金重新分配給其他優(yōu)先任務(wù)，包括深空探測。NASA還提出了一個(gè)名為商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)（COTS）的公私合作計(jì)劃 [3]。

2006年，COTS選擇SpaceX公司作為其向國際空間站運(yùn)送貨物的原始提供商之一。COTS為SpaceX公司的Cargo Dragon太空艙和獵鷹9號火箭的研發(fā)提供了資金。自2012年以來，SpaceX公司持續(xù)使用獵鷹9號火箭發(fā)射了許多商業(yè)衛(wèi)星，并完成了給國際空間站提供20次補(bǔ)給的任務(wù)[3]。SpaceX公司還用獵鷹重型火箭發(fā)射了數(shù)十顆衛(wèi)星。這款火箭結(jié)合三枚獵鷹9號助推器[2]組成了目前世界上功能最強(qiáng)大的火箭。

鑒于獵鷹9號火箭的成功，NASA官員制定了類似的運(yùn)載人類計(jì)劃。2014年，除了SpaceX公司，NASA還選擇了它的長期承包商波音公司（位于美國伊利諾伊州芝加哥市），委托其制造將宇航員送往國際空間站的飛行器。兩家公司都經(jīng)歷了重大挫折（SpaceX公司的獵鷹9號火箭在2015年和2016年連續(xù)發(fā)生兩次爆炸，波音公司的CST-100 Starliner太空艙在2019年的首次無人太空之旅中出現(xiàn)了許多軟件故障）。截至2020年年初，仍不確定哪家公司會率先將人類運(yùn)載至國際空間站[4]。

但是，作為一家相對較新的公司，SpaceX堅(jiān)定地宣稱自己是商業(yè)航天領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。“NASA對SpaceX公司以及整個(gè)航天工業(yè)下了很大賭注，認(rèn)為SpaceX公司能夠如期交付任務(wù)，”Dreier說，“這次發(fā)布肯定贏得了賭注。”

在將宇航員送往國際空間站之前，SpaceX公司的測試清單中的最后一個(gè)系統(tǒng)是“龍飛船”太空艙的飛行中止系統(tǒng)。如果獵鷹9號火箭經(jīng)歷異常發(fā)射（由發(fā)動機(jī)故障或油箱破裂等因素引起），中止系統(tǒng)將啟動4個(gè)小型發(fā)動機(jī)以拋棄太空艙，讓宇航員安全地離開火箭[4]。波音公司的Starliner太空艙使用了與俄羅斯和中國分別運(yùn)營的聯(lián)盟號（Soyuz）和神舟（Shenzhou）載人太空艙類似的發(fā)射中止系統(tǒng)。NASA的Mercury和Apollo航天器也使用了這種系統(tǒng)，但航天飛機(jī)計(jì)劃顯然沒有使用該系統(tǒng)[5]。2019年4月，在對“龍飛船”太空艙的中止系統(tǒng)進(jìn)行測試期間，由于一團(tuán)液體推進(jìn)劑猛烈撞擊鈦閥，導(dǎo)致太空艙燃燒。經(jīng)過大量的修改和測試，系統(tǒng)終于在2020年1月成功進(jìn)行了飛行中止試驗(yàn)[6]。

SpaceX公司要測試的“龍飛船”的最后一個(gè)組件是其四件式降落傘系統(tǒng)，該系統(tǒng)會把膠狀的太空艙輕輕帶回地球（圖3）。為了了解降落傘的早期版本為何會出現(xiàn)不對稱膨脹，并導(dǎo)致2019年4月的墜毀事故[7]，SpaceX公司在其降落傘中安裝了傳感器，以便在部署時(shí)測量載荷，并使用該數(shù)據(jù)更新降落傘的設(shè)計(jì)。該公司在2019 年年底和2020年年初對該系統(tǒng)進(jìn)行了多達(dá)12次的測試，之后宣布他們于2020年5月1日（正好是最終運(yùn)載宇航員至空間站日期的前幾周）成功完成了最終的降落傘測試[7]。

“美國航天工業(yè)一直非常保守，因?yàn)樗cNASA步調(diào)保持一致，”蒂爾集團(tuán)的空間分析師Marco Caceres表示，“SpaceX公司在其文化中更具進(jìn)取精神，他們也一直愿意在技術(shù)進(jìn)步方面突破極限?！?/p>

Caceres聲稱，SpaceX公司最重要的創(chuàng)新是將獵鷹火箭設(shè)計(jì)為可以在部署有效載荷后垂直降落回地球，以便重復(fù)使用，而其他火箭則不這樣做[2]。除了大幅降低成本外，該公司的火箭再利用能力使得SpaceX公司的火箭發(fā)射頻率更高，因此可以更快地進(jìn)行創(chuàng)新。

SpaceX公司自己會制造許多零件，從而減少了對分布式供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的依賴。這種縱向整合可以使公司在不顯著延遲生產(chǎn)的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)更改。該公司還借鑒了創(chuàng)始人Elon Musk創(chuàng)立的另一家公司，即電動汽車和電池制造商特斯拉（位于美國加利福尼亞州帕洛阿爾托市）的生產(chǎn)線思路。Caceres說：“通過Musk在特斯拉公司的經(jīng)驗(yàn)，他知道如何通過創(chuàng)建生產(chǎn)線來提升效率和經(jīng)濟(jì)激勵(lì)，而不是一次性創(chuàng)建專用硬件?！?/p>

Dreier表示，除了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法外，SpaceX公司在吸引有才華的工程師方面還具有明顯的優(yōu)勢。他說：“SpaceX公司散發(fā)著獨(dú)特的光芒，這是一個(gè)很酷的地方。他們正在制造火箭前往火星，以拯救人類。這種組織原則使他們能夠真正聘請到最優(yōu)秀的人才，并使他們比波音公司更具絕對優(yōu)勢?！?/p>

至于SpaceX公司的下一步發(fā)展，該公司宣布將進(jìn)軍太空旅游業(yè)務(wù)，加入了包括Blue Origin公司和Virgin Galactic公司在內(nèi)的許多競爭對手行列，Virgin Galactic公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了讓人們在亞軌道上飛行的目標(biāo)[8]。SpaceX公司已經(jīng)出售了“龍飛船”上的4個(gè)座位，計(jì)劃2021年安排普通公民繞地球旅行[9]。它還與一家名為Axiom（位于美國得克薩斯州休斯頓市）的創(chuàng)業(yè)公司合作，將客戶運(yùn)送到國際空間站[10]。

基于“龍飛船”的成功，NASA已決定依靠工業(yè)來執(zhí)行人類登月任務(wù)。2020年4月，NASA與SpaceX公司和另外兩家公司簽定了初步合同，開發(fā)一種著陸器，以便在2024年之前將人類帶入月球表面[11]。

SpaceX公司已經(jīng)在研發(fā)一種名為Starship的巨型火箭，希望有一天能將人類帶入火星?！八麄儾恢皇窍虢ㄔ炱渲械囊粌蓚€(gè)，他們希望在這條生產(chǎn)線上制造出許多個(gè)火箭，”Dreier說，“如果它在未來3～4年內(nèi)能真正發(fā)揮作用，那么每一個(gè)火箭都將比我們有史以來所制造的大得多?！?/p>