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作者:池涵 来源:中国科学报 发布时间:2020/6/1 12:24:51
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飞龙在天
SpaceX龙飞船成功载人发射前往国际空间站

 

当地时间5月30日15时24分,美国太空探索技术公司(SpaceX)的“载人龙”飞船携两名航天员,由“猎鹰9号”火箭搭载,从佛罗里达州肯尼迪航天中心振翅升空。其黑白相间的配色让人联想起航天飞机,优雅修长的箭体从容地抖落前一日该公司“星际飞船(Starship)”原型机爆炸的阴霾,一飞冲天。

此次飞船的成功发射标志着美国自2011年7月亚特兰蒂斯号航天飞机最后一次任务飞行后,以一种崭新的运营模式,重返载人航天的舞台。

2分42秒后,飞船成功与1级火箭分离, 1级火箭随后在海上成功回收。

点火约13分钟后,飞船与2级火箭成功分离,飞往国际空间站,将在独自飞行19个小时后到达。

“龙”的靓色

作为第二代龙飞船,“载人龙”及同胞“载货龙”拥有很多亮眼的特色设计。

它们可以独立在太空自持7天,或接驳国际空间站生存210天,达到俄罗斯“联盟号”飞船的标准。

二代龙飞船装有8台SuperDraco发动机,其燃烧室由Inconel铬镍铁合金3D打印,使用单甲基肼/四氧化二氮为燃料,不仅可以在逃生时通过8台发动机同时点火产生约7万牛的推力,从而免去逃逸塔设计,还可以用于缓冲在陆地着陆,继而重复使用。

然而,由于可靠性和安全性等原因,SpaceX最终取消了飞船的喷气缓冲着陆方式。此次龙飞船依然采用降落伞减速在海上降落。

飞船内部拥有最多搭乘7人的10立方米室内空间,配合外部的37立方米不加压船尾货仓,“载人龙”一次可携带6吨成员和物资升空。

飞船大量采用触摸屏,减少物理开关。三块大面积蓝色色调触摸屏宁静典雅,允许航天员完成大部分操作,并可以直接通过向控制软件打补丁的方式升级,而不需改变机械开关和线路。

“科技发展让NASA已经充分信任新技术并决心告别机械系统了。” 中国科学技术大学天文系教授蔡一夫说,“触屏和投影设备非常高级,以及宇航员的服装明显大幅简约化了。从这些小细节都能看得出来,这次美国航天在发生巨大改变。”

可重复使用是SpaceX老板埃隆.马斯克的执念。

南京航空航天大学航天学院教授康国华告诉《中国科学报》,这次发射的猎鹰 9 号 Block 5 火箭,理论上可实现近 100 次的回收,即便不经过大修保养也能连续回收 10 次,利用的二手猎鹰 9 号报价还能打折。可重复使用的运载火箭和龙飞船,大大降低了发射成本。

成本之战

“航天飞机退役的原因就是太贵。”康国华说。“航天飞机每次任务成本约为 15 亿美元,SpaceX 载人航天的单次价格仅为 1.6 亿美元, 性价比非常高。”

2011年航天飞机退役后,NASA把注意力放在了深空探测上,而把商用轨道运输和商用补给服务(COTS/CRS)外包给私人公司,并以客户和投资人的身份提出任务需求、资助经费、并在技术上支持私营企业开展项目。私营公司再把“船票”卖给愿意支付费用的个人、机构或政府,获得利润。

由于私人企业在成本控制、激励机制等方面存在优势,这个过程可以降低成本,促进新技术研发,实现“双赢”。

西安航空学院飞行器学院飞行器设计与工程教研室教师梁毅辰认为,私人企业参与和市场化竞争是一个技术走向成熟的标志,过去的航天行动多是国家行为,现在逐步走向了一个国家政府需求,私人企业提供服务这样的一个模式,再往后可能又会变成社会需求,企业提供服务的模式,这样的模式有利于航天技术在民用方面的普及,会有更多的企业家考虑技术如何服务于老百姓,而且市场化竞争可以促进这些企业降低成本,降低定价,提升服务。

“可以这么说,当初咱们老百姓能坐上飞机,最终靠的是私营企业和市场化竞争,我认为以后咱们老百姓能不能上太空,也需要靠这些。”梁毅辰说。

康国华认为,以往航天产业是国家主导,以任务成功为导向,不惜成本和代价;现在商业航天将以营利为目的,追求利益最大化。两者其实是互相促进的关系。通俗的讲,就是针对航天这个高风险产业,国家先啃下硬骨头,然后让企业来吃肉;而企业通过快速敏捷开发,迅速降低成本,反过来又促进整个航天产业的发展。

“拿SpaceX来说,他面临的主要问题实际上美国60年代就解决了,马斯克作为商人,他这些年专心致志的研发其实都是围绕省钱。”梁毅辰说,“由于他预计火箭以后有大批需求,因此火箭制造过程高度自动化,人力成本很低,所以生产的产品越多,研发成本和生产线投资平摊在每件产品就越少。再加上火箭和飞船的回收技术,这项技术如果成熟的话,又能够节省海量的成本。最理想的情况是一枚火箭用100次,那比起之前用完就扔的火箭,成本就节约99%。”

2017年NASA的一项调查显示,龙飞船将每公斤货物运入国际空间站的成本是8.9万美元,仅相当于航天飞机的三分之一。

SpaceX模式能否借鉴?

在商业利益的激励下,SpaceX与其竞争对手们发起了一个又一个颇具雄心壮志的计划。

康国华告诉记者,波音的CST-100“星际客机”预计年底将首飞。而亚马逊的“蓝色起源”追求低调发展行事稳健,近期其BE-4 发动机竞标成功,成为美国主要的太空发射业务商联合发射联盟(ULA)下一代火神(Vulcan)火箭所采用的发动机。这一大单很有可能价值达数十亿美元,其飞船也在2019年开售船票。

这种商业驱动航天发展的SpaceX模式能否借鉴?

“马斯克的发射成功对于我们也有好处,就是因为这会让投资人看到这件事本身的前途,所以国内私营航天企业也能更容易的拿到投资,航天科研是一件烧钱的事,资本的流入是非常必要的。”梁毅辰说。

梁毅辰告诉《中国科学报》,我国目前开放产业链中的一部分给私营企业,但是暂时没有像SpaceX这样全系统承包,主要是在一些零部件制造之类的“小活”,大部分的发射任务,包括商业航天活动依然是国家队领跑。比如快舟,长征11这些火箭,都是固体火箭,灵活机动,对发射场要求不高,成本低,颇具市场竞争力。

当然近年来也出现了翎客航天、零壹空间、蓝箭航天等等私营航天企业,在火箭回收技术、火箭垂直悬停、液氧甲烷火箭发动机等等前沿领域有了很多突破,但暂时还没有盈利。

据记者了解,蓝箭航天的天鹊发动机(80t推力)100秒试车成功是一个惊喜,不过距离商业航天发射还比较远。

“航天技术的发展有自身规律,目前基本按照近地、月球、火星这条脉络,虽然我们还需要在航天领域补足更多功课,但是可以说我国航天发展的加速度是快于美国的。”康国华说。

梁毅辰认为,中国的航天技术优势在于“全”,世界上具备全方位航天技术的国家不多,无论是从深空探测,还是在运载火箭技术、载人航天技术、空间站技术、卫星通讯和导航技术等方面,我们都一直是牢牢咬着第一梯队的,而且与世界顶级水平的差距是在缩小,这背后是全国的教育经济全面发展的结果。

康国华认为,国情不同,必然导致我国航天发展战略不同。对于航天产业的发展,我们还是需要有冷静的头脑,要避免陷入前苏联与美国的“太空争霸”,我们需要做的是在不掉队的基础上,实现局部领域的领先。

 
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