SpaceX公司成功完成高空逃逸試驗(yàn)

張?zhí)铮ㄖ袊?guó)航天員科研訓(xùn)練中心）

2020年1月19日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“載人龍”（Crew Dragon）飛船在肯尼迪航天中心進(jìn)行了其載人試飛前的最后一項(xiàng)全船重大測(cè)試，按計(jì)劃成功完成高空逃逸試驗(yàn)，證明了其飛船能夠在發(fā)射升空過(guò)程中出現(xiàn)突發(fā)情況時(shí)帶航天員安全逃離。

1 試驗(yàn)步驟

這次試驗(yàn)的正式叫法是“飛行中中止”（IFA）試驗(yàn)，意在在發(fā)射過(guò)程中最極端的氣動(dòng)載荷條件下驗(yàn)證飛船的逃逸系統(tǒng)。本次試驗(yàn)涉及整艘飛船，包括其所有發(fā)動(dòng)機(jī)、計(jì)算機(jī)和其他關(guān)鍵系統(tǒng)。飛船載有2臺(tái)身配傳感器的形體假人，由一枚獵鷹-9（Falcon-9）火箭從肯尼迪航天中心第39A發(fā)射臺(tái)發(fā)射升空。

根據(jù)要求，火箭第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)按照預(yù)定程序起飛，起飛后約84s，在約19km高度時(shí)，SpaceX公司工程師切斷了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃料，以模擬火箭在剛通過(guò)最大動(dòng)壓點(diǎn)后發(fā)射失敗的情形。

隨后，飛船迅速發(fā)出自動(dòng)中止指令，觸發(fā)飛船上8臺(tái)“超級(jí)天龍”（SuperDraco）逃逸推力器點(diǎn)火工作。這些發(fā)動(dòng)機(jī)迅速把推力加大到全推力水平，以高達(dá)578kN的推力，把飛船從火箭頂部推開(kāi)。

此時(shí)，火箭會(huì)被瞬間撕成碎片，火箭油箱破裂，發(fā)生爆炸，而飛船已經(jīng)脫離火箭并有了一定距離。之后，“超級(jí)天龍”發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，飛船會(huì)在慣性作用下飛到約42km的高度，然后會(huì)拋棄不再用得上的軌道服務(wù)艙，再利用飛船上推力較小的“天龍座”（Draco）推力器調(diào)整方向，以進(jìn)行下降飛行。

隨后，飛船先后打開(kāi)2部減速傘和4部主傘，最后在卡納維拉爾角以東距岸邊約32km的大西洋上濺落，并由美國(guó)軍方、美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）和SpaceX公司的隊(duì)伍共同回收。NASA和軍方參照載人飛行發(fā)生事故時(shí)的人員搜救流程安排，美國(guó)空軍派出了搜救力量來(lái)配合開(kāi)展這次逃逸試驗(yàn)。從起飛到濺落，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程共持續(xù)約10min。

火箭升空84s左右，引擎熄火，飛船上的8個(gè)推進(jìn)器同時(shí)點(diǎn)火，達(dá)到最大推力，飛船被推出。而獵鷹-9在墜落的過(guò)程中，完成其歷史使命——按計(jì)劃爆炸。但整個(gè)測(cè)試并沒(méi)有到此結(jié)束，飛船借助推進(jìn)器，還在繼續(xù)離開(kāi)爆炸的火箭。

這次試驗(yàn)，SpaceX公司在飛船中安排了乘客——兩位模擬人。飛船開(kāi)始濺落后，停留在大西洋上的救援隊(duì)也立即開(kāi)始行動(dòng)，前往目標(biāo)海域進(jìn)行搜救。一方面是測(cè)試流程的完整性；另一方面，飛船和其中的假人記錄了飛船詳細(xì)的數(shù)據(jù)，尤其是假人模型里安裝的各個(gè)感應(yīng)器，能夠?yàn)榱私馕磥?lái)“發(fā)射時(shí)逃逸”這一行為對(duì)人體會(huì)造成什么影響提供有力依據(jù)。

發(fā)射后2分24秒，飛船與推進(jìn)器分離，呈自由落體狀向大西洋墜落

2 四手火箭降低試驗(yàn)造價(jià)

通過(guò)發(fā)射真火箭來(lái)模擬火箭異常，最能夠模擬發(fā)射事故最真實(shí)的情況，可有效地測(cè)試“載人龍”飛船的逃逸能力。不過(guò)，進(jìn)行這么一次試驗(yàn)真的是燒錢。為盡可能節(jié)省成本，SpaceX公司采取了如下措施：使用四手火箭；二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)使用配重；拆去了用于著陸的4個(gè)支架。

被主動(dòng)炸毀的火箭已經(jīng)執(zhí)行過(guò)3次飛行任務(wù)，這次炸得也算光榮，但成本依舊很高——一枚獵鷹-9火箭的總造價(jià)約為5000萬(wàn)美元，約合3.4億人民幣。在發(fā)射前，SpaceX公司的首席執(zhí)行官馬斯克就在推特上證實(shí)，由于試驗(yàn)中極端的氣動(dòng)載荷，所用的獵鷹-9火箭的第一級(jí)在本次試驗(yàn)中將會(huì)“犧牲”。作為首枚5型火箭，這枚火箭此前已在2018年5月——12月先后參加了3次衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。馬斯克說(shuō)，公司曾試圖設(shè)法保住這枚火箭，但最終發(fā)現(xiàn)不可能。

美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）此前公布的一份環(huán)評(píng)文件表明，突然失去推力和飛船的離去會(huì)讓火箭第一和第二級(jí)失穩(wěn)并解體，甚至發(fā)生爆炸。在本次試驗(yàn)中，火箭的確發(fā)生了爆炸。計(jì)算機(jī)模擬成果顯示，火箭殘骸會(huì)全部落入海中，大多數(shù)會(huì)沉入海底。SpaceX公司表示他們已經(jīng)組織好團(tuán)隊(duì)，在測(cè)試結(jié)束后對(duì)漂浮在水面上的火箭殘骸進(jìn)行回收。

和失去一枚火箭相比，這次逃逸實(shí)驗(yàn)所搜集的大量數(shù)據(jù)才是最寶貴的。這次搜集的數(shù)據(jù)主要包括時(shí)間序列、閉環(huán)控制、飛行軌道、內(nèi)部以及外部環(huán)四大類數(shù)據(jù)。

3 發(fā)射一波三折

這次高空逃逸試驗(yàn)曾定于2020年1月11日進(jìn)行，但先是為了有更多時(shí)間來(lái)處理飛船而推后一周，后又因飛船海上預(yù)定回收落區(qū)風(fēng)浪太大推遲一天。而在這次試驗(yàn)圓滿之前，已經(jīng)鋪墊了多次的嘗試和轉(zhuǎn)折。

2019年3月，“載人龍”飛船首次上天飛行，成功完成了代號(hào)為驗(yàn)證-1（DM-1）的無(wú)人試飛任務(wù)。飛行中，飛船同“國(guó)際空間站”實(shí)現(xiàn)了對(duì)接，最終成功地在大西洋上進(jìn)行了濺落回收。試飛的順利讓SpaceX公司和整個(gè)航天界都充滿了信心，對(duì)同年晚些時(shí)候即將進(jìn)行的高空逃逸試驗(yàn)及隨后的驗(yàn)證-2載人首飛十分樂(lè)觀。但返航不到2個(gè)月，飛船在卡納維拉爾角的一次地面試車過(guò)程中發(fā)生了爆炸。SpaceX公司進(jìn)行了一系列事故調(diào)查，并對(duì)飛船逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)增壓系統(tǒng)某些部件進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。

SpaceX公司調(diào)查后認(rèn)定，逃逸發(fā)動(dòng)機(jī)本身在爆炸事故中并無(wú)過(guò)錯(cuò)，事故是由飛船推進(jìn)劑貯箱與“超級(jí)天龍”發(fā)動(dòng)機(jī)之間一條管路內(nèi)的一個(gè)閥門泄漏引起的，爆炸是在“超級(jí)天龍”發(fā)動(dòng)機(jī)即將點(diǎn)火做試車前發(fā)生的。

在完成了替代飛船并用“爆破片”取代有缺陷的閥門后，SpaceX公司于2019年11月在卡納維拉爾角重新進(jìn)行了“超級(jí)天龍”試車。此次試車未出現(xiàn)大問(wèn)題，從而為本次高空逃逸試驗(yàn)鋪平了道路。

本次高空逃逸試驗(yàn)所用飛船原本是為驗(yàn)證-2載人試飛建造的，但在那次試車事故后被改用于做高空逃逸試驗(yàn)。

4 “禮花”意義重大

有網(wǎng)友開(kāi)玩笑說(shuō)這次試驗(yàn)是趕在中國(guó)農(nóng)歷新年前放的大禮花，那么這朵“禮花”真是意義非凡。

逃逸系統(tǒng)對(duì)載人航天飛行的重要性不言而喻。逃逸系統(tǒng)在實(shí)際載人航天發(fā)射中最近一次啟用是2018年10月，即俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）火箭在發(fā)射載人飛船時(shí)，起飛2min后便出現(xiàn)故障，幸好火箭逃逸系統(tǒng)發(fā)揮了作用，讓船上2名航天員得以生還。

這次高空逃逸試驗(yàn)，展示了SpaceX公司的后備計(jì)劃，證明在載人航天任務(wù)時(shí)倘若發(fā)生極端情況，他們有能力將航天員安全帶回地球。這是SpaceX公司與NASA合作的重要一環(huán)，也是美國(guó)再次憑借自身力量送航天員進(jìn)入太空的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。過(guò)去6年，SpaceX公司一直在研制“載人龍”飛船，并通過(guò)一系列演示來(lái)證明其飛行器是安全的，能夠完成這項(xiàng)艱巨的工作。

2015年5月6日，“載人龍”飛船成功進(jìn)行了一次發(fā)射終止測(cè)試，8個(gè)“超級(jí)天龍”發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火并達(dá)到最大推力，將飛船帶離發(fā)射臺(tái)，幾秒鐘內(nèi)就達(dá)到552km/h的速度，隨后“超級(jí)天龍”停車，主干部分脫落，降落傘激活，飛船平穩(wěn)濺落在大西洋上。

這次則是在飛行中進(jìn)行了一次完整、全流程的測(cè)試。在時(shí)間節(jié)點(diǎn)方面，選擇了火箭發(fā)射過(guò)程中的“最大動(dòng)壓點(diǎn)”（maxQ），也就是受力狀態(tài)最復(fù)雜的時(shí)刻，火箭發(fā)射后的初始階段，周圍大氣依然比較稠密，火箭會(huì)受到強(qiáng)烈的大氣阻力，這就是動(dòng)壓，它與火箭的速度和大氣的密度成正比。隨著火箭飛行速度越來(lái)越大，空氣密度會(huì)逐漸降低，當(dāng)達(dá)到某個(gè)時(shí)間點(diǎn)時(shí)，動(dòng)壓會(huì)達(dá)到極大值，也到達(dá)了火箭發(fā)射后最危險(xiǎn)的時(shí)刻?？梢哉f(shuō)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的成功最具有說(shuō)服力。

這次測(cè)試成功，不僅關(guān)乎SpaceX公司與NASA的合作順利進(jìn)行，也是載人航天歷程中一個(gè)里程碑事件。測(cè)試成功之后，NASA將會(huì)批準(zhǔn)SpaceX公司進(jìn)行往返“國(guó)際空間站”的常規(guī)載人飛行。

“總體而言，到目前為止這是一項(xiàng)完美的任務(wù)?！瘪R斯克在試驗(yàn)后的新聞發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“我心潮澎湃，這太棒了?！敝螅拜d人龍”飛船將在地面進(jìn)行爆炸測(cè)試，再次對(duì)逃生系統(tǒng)的另一項(xiàng)安全指標(biāo)進(jìn)行檢查。

本次測(cè)試的發(fā)射地點(diǎn)位于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角肯尼迪航天中心，其發(fā)射工位是著名的LC-39A。該發(fā)射工位曾經(jīng)見(jiàn)證了“阿波羅”（Apollo）登月飛船和航天飛機(jī)的歷次重大發(fā)射事件，之后被SpaceX公司租下來(lái)，用于發(fā)射火箭。

可以說(shuō)，選擇這個(gè)帶有紀(jì)念意義的工位，既是對(duì)“阿波羅”時(shí)代輝煌歷史的致敬，也意在開(kāi)啟美國(guó)航天新的時(shí)代。

“載人龍”飛船內(nèi)部結(jié)構(gòu)

5 身份獲認(rèn)，劍指火星

“載人龍”飛船接下來(lái)要做的驗(yàn)證-2載人試飛將把NASA航天員道格·赫爾利（Doug Hurley）和鮑勃·本肯（Bob Behnken）送往“國(guó)際空間站”。這2位航天員已多次執(zhí)行航天飛機(jī)飛行任務(wù)，他們也參加了這次主動(dòng)“炸火箭”的高空逃逸試驗(yàn)發(fā)射合練，演練了他們?cè)诎l(fā)射日所要執(zhí)行的程序，包括服裝穿戴和前往發(fā)射臺(tái)，但并未實(shí)際登船。即將執(zhí)行正式任務(wù)的火箭和飛船都已經(jīng)完成了制造，正等待在卡納維拉爾角進(jìn)行組裝，將于2020年5月末進(jìn)行首飛。即使新冠病毒爆發(fā)已經(jīng)在美國(guó)造成了廣泛影響，連NASA一所研究中心的工作人員也出現(xiàn)了感染，但似乎并沒(méi)有給SpaceX公司的進(jìn)度表造成巨大延誤。

自2011年7月8日完成最后一次航天飛機(jī)飛行任務(wù)以來(lái)，美國(guó)一直依靠購(gòu)買俄羅斯“聯(lián)盟”飛船的座位把航天員送往“國(guó)際空間站”。NASA已經(jīng)證實(shí)，SpaceX公司即將成為史上第一家將航天員送入“國(guó)際空間站”的私人企業(yè)。不過(guò)SpaceX公司沒(méi)有止步于此，其目標(biāo)很明確，那就是送更多的人登上火星甚至最終殖民火星。

為了向這一遠(yuǎn)大目標(biāo)挺進(jìn)，除了積極推動(dòng)獵鷹-9等火箭進(jìn)一步完善、承接NASA訂單外，SpaceX公司正在進(jìn)一步籌集資金，為殖民火星計(jì)劃的前期投入買單，還制造出號(hào)稱世界上最強(qiáng)火箭的“星艦”（Starship），讓殖民火星計(jì)劃變得更加具體可實(shí)現(xiàn)。

火箭方面，“星艦”可以說(shuō)是SpaceX公司火箭制造能力的最強(qiáng)體現(xiàn)。

SpaceX公司表示，“星艦”將能夠運(yùn)載多達(dá)100人，從地球出發(fā)，抵達(dá)低地球軌道、月球甚至火星。乘員配置豐富，包括大型公共區(qū)域、私人艙室、集中式倉(cāng)庫(kù)、日光庇護(hù)所和觀景廊等。雖然“星艦”經(jīng)歷過(guò)爆炸事件的挫折，但并未停止探索的腳步，第二代的原型機(jī)已經(jīng)在佛羅里達(dá)的工廠里建造，接下來(lái)要繼續(xù)第三代的設(shè)計(jì)。

就在這次當(dāng)眾炸火箭之前，馬斯克還特意發(fā)文推銷自己的火星計(jì)劃，再次強(qiáng)調(diào)自己的目標(biāo)：到2030年，要把1000人送上火星，到了2050年，這個(gè)數(shù)字將變成100萬(wàn)人?！靶桥灐本褪菫檫@個(gè)目標(biāo)設(shè)計(jì)的，平均每天3次航班，每年1000次航班，單次航班載荷超過(guò)100t，10艘飛船每年就能將百萬(wàn)噸載荷送上軌道。只要每年建造100艘“星艦”，10年就能建造1000艘，到2050年就能將100萬(wàn)人送上火星了。

籌集資金方面，這里不能不提SpaceX公司的“星鏈”（Starlink）計(jì)劃。

“星艦”與助推器分離

“星鏈”計(jì)劃于2015年提出時(shí)，很多人都說(shuō)是天方夜譚。當(dāng)時(shí)，馬斯克宣布SpaceX公司計(jì)劃將發(fā)射約1.2萬(wàn)顆通信衛(wèi)星，后來(lái)還有消息稱SpaceX公司把計(jì)劃數(shù)量增加到4.2萬(wàn)顆。這一項(xiàng)目被命名為“星鏈”。消息傳來(lái)，業(yè)界一片嘩然，有人認(rèn)為這個(gè)數(shù)字未免太天方夜譚，有人質(zhì)疑“星鏈”會(huì)干擾天文觀測(cè)。

然而，就像火箭居然變得可回收一樣，如今，SpaceX公司的“星鏈”也初具雛形。

2018年3月，SpaceX公司在一次常規(guī)發(fā)射任務(wù)中搭載了2顆小衛(wèi)星——微衛(wèi)星-2a和2b（Microsat-2a和2b）作為“星鏈”計(jì)劃的試驗(yàn)星。2019年5月，首批60顆“星鏈”衛(wèi)星被送入軌道，之后又進(jìn)行了6批發(fā)射，目前SpaceX公司已經(jīng)將422顆“星鏈”衛(wèi)星送入太空。

SpaceX公司計(jì)劃在第一階段通過(guò)12次任務(wù)將720顆“星鏈”衛(wèi)星送入軌道，每次發(fā)射任務(wù)送60顆衛(wèi)星入軌，每顆衛(wèi)星質(zhì)量約為260kg。在完成這一階段任務(wù)后，該公司希望在2020年晚些時(shí)候開(kāi)始為美國(guó)北部和加拿大的客戶提供“星鏈”服務(wù)。SpaceX公司期待每隔2～3周就發(fā)射60顆衛(wèi)星，以迅速搭建起全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

目前，在全球范圍內(nèi)，約有45%的人能夠接入互聯(lián)網(wǎng)，而他們的聯(lián)網(wǎng)方式基本都是通過(guò)陸地和海底的光纖電纜完成。SpaceX公司的野心就是搭建全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)覆蓋到地球的每一個(gè)角落。

馬斯克本人曾表示，如果說(shuō)現(xiàn)在SpaceX公司每年運(yùn)營(yíng)火箭發(fā)射任務(wù)可以獲得30億美元的收入，那么在“星鏈”布置到一定程度后，提供的潛在寬帶網(wǎng)絡(luò)收入將達(dá)到每年300億美元，這個(gè)項(xiàng)目的賺錢能力可見(jiàn)一斑。

此次高空逃逸試驗(yàn)的圓滿成功，不僅驗(yàn)證了SpaceX公司日趨完善的獵鷹-9火箭和 “載人龍”飛船的全面能力，也讓SpaceX公司的名聲更加響亮、民眾信心更強(qiáng)。承接下為美國(guó)接送航天員的重要任務(wù)，全面展開(kāi)“星艦”計(jì)劃，又即將通過(guò)“星鏈”攢下雄厚資金基礎(chǔ)，可以說(shuō)，馬斯克離他的“移民火星”計(jì)劃又近了一步。