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作者:池涵 來源:中國科學報 發布時間:2020/6/1 12:24:51
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飛龍在天
SpaceX龍飛船成功載人發射前往國際空間站

 

當地時間5月30日15時24分,美國太空探索技術公司(SpaceX)的“載人龍”飛船攜兩名航天員,由“獵鷹9號”火箭搭載,從佛羅里達州肯尼迪航天中心振翅升空。其黑白相間的配色讓人聯想起航天飛機,優雅修長的箭體從容地抖落前一日該公司“星際飛船(Starship)”原型機爆炸的陰霾,一飛沖天。

此次飛船的成功發射標志著美國自2011年7月亞特蘭蒂斯號航天飛機最后一次任務飛行后,以一種嶄新的運營模式,重返載人航天的舞臺。

2分42秒后,飛船成功與1級火箭分離, 1級火箭隨后在海上成功回收。

點火約13分鐘后,飛船與2級火箭成功分離,飛往國際空間站,將在獨自飛行19個小時后到達。

“龍”的靚色

作為第二代龍飛船,“載人龍”及同胞“載貨龍”擁有很多亮眼的特色設計。

它們可以獨立在太空自持7天,或接駁國際空間站生存210天,達到俄羅斯“聯盟號”飛船的標準。

二代龍飛船裝有8臺SuperDraco發動機,其燃燒室由Inconel鉻鎳鐵合金3D打印,使用單甲基肼/四氧化二氮為燃料,不僅可以在逃生時通過8臺發動機同時點火產生約7萬牛的推力,從而免去逃逸塔設計,還可以用于緩沖在陸地著陸,繼而重復使用。

然而,由于可靠性和安全性等原因,SpaceX最終取消了飛船的噴氣緩沖著陸方式。此次龍飛船依然采用降落傘減速在海上降落。

飛船內部擁有最多搭乘7人的10立方米室內空間,配合外部的37立方米不加壓船尾貨倉,“載人龍”一次可攜帶6噸成員和物資升空。

飛船大量采用觸摸屏,減少物理開關。三塊大面積藍色色調觸摸屏寧靜典雅,允許航天員完成大部分操作,并可以直接通過向控制軟件打補丁的方式升級,而不需改變機械開關和線路。

“科技發展讓NASA已經充分信任新技術并決心告別機械系統了。” 中國科學技術大學天文系教授蔡一夫說,“觸屏和投影設備非常高級,以及宇航員的服裝明顯大幅簡約化了。從這些小細節都能看得出來,這次美國航天在發生巨大改變。”

可重復使用是SpaceX老板埃隆.馬斯克的執念。

南京航空航天大學航天學院教授康國華告訴《中國科學報》,這次發射的獵鷹 9 號 Block 5 火箭,理論上可實現近 100 次的回收,即便不經過大修保養也能連續回收 10 次,利用的二手獵鷹 9 號報價還能打折??芍貜褪褂玫倪\載火箭和龍飛船,大大降低了發射成本。

成本之戰

“航天飛機退役的原因就是太貴。”康國華說。“航天飛機每次任務成本約為 15 億美元,SpaceX 載人航天的單次價格僅為 1.6 億美元, 性價比非常高。”

2011年航天飛機退役后,NASA把注意力放在了深空探測上,而把商用軌道運輸和商用補給服務(COTS/CRS)外包給私人公司,并以客戶和投資人的身份提出任務需求、資助經費、并在技術上支持私營企業開展項目。私營公司再把“船票”賣給愿意支付費用的個人、機構或政府,獲得利潤。

由于私人企業在成本控制、激勵機制等方面存在優勢,這個過程可以降低成本,促進新技術研發,實現“雙贏”。

西安航空學院飛行器學院飛行器設計與工程教研室教師梁毅辰認為,私人企業參與和市場化競爭是一個技術走向成熟的標志,過去的航天行動多是國家行為,現在逐步走向了一個國家政府需求,私人企業提供服務這樣的一個模式,再往后可能又會變成社會需求,企業提供服務的模式,這樣的模式有利于航天技術在民用方面的普及,會有更多的企業家考慮技術如何服務于老百姓,而且市場化競爭可以促進這些企業降低成本,降低定價,提升服務。

“可以這么說,當初咱們老百姓能坐上飛機,最終靠的是私營企業和市場化競爭,我認為以后咱們老百姓能不能上太空,也需要靠這些。”梁毅辰說。

康國華認為,以往航天產業是國家主導,以任務成功為導向,不惜成本和代價;現在商業航天將以營利為目的,追求利益最大化。兩者其實是互相促進的關系。通俗的講,就是針對航天這個高風險產業,國家先啃下硬骨頭,然后讓企業來吃肉;而企業通過快速敏捷開發,迅速降低成本,反過來又促進整個航天產業的發展。

“拿SpaceX來說,他面臨的主要問題實際上美國60年代就解決了,馬斯克作為商人,他這些年專心致志的研發其實都是圍繞省錢。”梁毅辰說,“由于他預計火箭以后有大批需求,因此火箭制造過程高度自動化,人力成本很低,所以生產的產品越多,研發成本和生產線投資平攤在每件產品就越少。再加上火箭和飛船的回收技術,這項技術如果成熟的話,又能夠節省海量的成本。最理想的情況是一枚火箭用100次,那比起之前用完就扔的火箭,成本就節約99%。”

2017年NASA的一項調查顯示,龍飛船將每公斤貨物運入國際空間站的成本是8.9萬美元,僅相當于航天飛機的三分之一。

SpaceX模式能否借鑒?

在商業利益的激勵下,SpaceX與其競爭對手們發起了一個又一個頗具雄心壯志的計劃。

康國華告訴記者,波音的CST-100“星際客機”預計年底將首飛。而亞馬遜的“藍色起源”追求低調發展行事穩健,近期其BE-4 發動機競標成功,成為美國主要的太空發射業務商聯合發射聯盟(ULA)下一代火神(Vulcan)火箭所采用的發動機。這一大單很有可能價值達數十億美元,其飛船也在2019年開售船票。

這種商業驅動航天發展的SpaceX模式能否借鑒?

“馬斯克的發射成功對于我們也有好處,就是因為這會讓投資人看到這件事本身的前途,所以國內私營航天企業也能更容易的拿到投資,航天科研是一件燒錢的事,資本的流入是非常必要的。”梁毅辰說。

梁毅辰告訴《中國科學報》,我國目前開放產業鏈中的一部分給私營企業,但是暫時沒有像SpaceX這樣全系統承包,主要是在一些零部件制造之類的“小活”,大部分的發射任務,包括商業航天活動依然是國家隊領跑。比如快舟,長征11這些火箭,都是固體火箭,靈活機動,對發射場要求不高,成本低,頗具市場競爭力。

當然近年來也出現了翎客航天、零壹空間、藍箭航天等等私營航天企業,在火箭回收技術、火箭垂直懸停、液氧甲烷火箭發動機等等前沿領域有了很多突破,但暫時還沒有盈利。

據記者了解,藍箭航天的天鵲發動機(80t推力)100秒試車成功是一個驚喜,不過距離商業航天發射還比較遠。

“航天技術的發展有自身規律,目前基本按照近地、月球、火星這條脈絡,雖然我們還需要在航天領域補足更多功課,但是可以說我國航天發展的加速度是快于美國的。”康國華說。

梁毅辰認為,中國的航天技術優勢在于“全”,世界上具備全方位航天技術的國家不多,無論是從深空探測,還是在運載火箭技術、載人航天技術、空間站技術、衛星通訊和導航技術等方面,我們都一直是牢牢咬著第一梯隊的,而且與世界頂級水平的差距是在縮小,這背后是全國的教育經濟全面發展的結果。

康國華認為,國情不同,必然導致我國航天發展戰略不同。對于航天產業的發展,我們還是需要有冷靜的頭腦,要避免陷入前蘇聯與美國的“太空爭霸”,我們需要做的是在不掉隊的基礎上,實現局部領域的領先。

 
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