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SpaceX载人航天任务取得圆满成功,马斯克给我们带来了哪些启示?

图片说明:SpaceX载人航天任务取得圆满成功,马斯克给我们带来了哪些启示?,。

现年才48岁的伊隆·马斯克,已经是一个颇具传奇色彩的人物。大学毕业后,马斯克就迫不及待开始了创业。虽然迫不及待,但他并不盲目。在他上大学时,他就认准了三个行业——互联网、可再生能源和太空探索。到2002年5月,马斯克又创立了一家新公司——太空探索技术公司SpaceX。在他看来,太空行业是可以为整个人类谋福祉的终极领域。而他创办SpaceX的使命其实很简单,让人类登上火星;他的终极目标便是,让人类移民火星成为可能。当然,毫无疑问的是,此后SpaceX公司在商业航天领域之所以接连取得了不起的成功,并不能完全归功于马斯克一个人。当地时间 5 月 30 号下午 3 点 22 分,北京时间 5 月 31 日凌晨 3 点 22 分,由SpaceX负责执行的载人航天发射任务在肯尼迪航天中心圆满完成,猎鹰 9号火箭成功将载人龙飞船以及参与此次飞行的两名宇航员鲍勃·贝肯(Bob Behnken)和道格·赫利(Doug Hurley)平安送上了太空。而SpaceX首次载人发射取得成功,则意味着,在俄罗斯、美国和中国之后,全球载人航天终于迎来了第四位玩家,而且是一位极其特别的玩家,因为SpaceX只是一家私营公司。此次发射任务取得成功,不仅标志着美国载人航天能力得以恢复,也标志着人类载人航天一个崭新时代开始:一个商业航天公司成为第四位玩家,它独立并全面掌握了载人航天最重要的运载火箭、货运飞船和载人飞船等环节。此次载人龙飞船采用一枚特殊涂装的全新猎鹰9 Block-5型火箭发射,火箭一级在发射后两分半关机分离,进入回收流程,分后平稳降落在回收驳船上,虽然运载火箭回收仍是只此一家别无分号,但已经是日常操作,早已无人关心。根据计划,发射后19小时飞船将“追上”国际空间站,并成功与之对接,对接后经过拉近、锁紧和气压平衡后,两位宇航员将进驻空间站。后续飞船将在空间站停留30天以上,具体返回时间取决于飞船太阳能电池板衰减情况。至此,美国人终于摆脱了俄罗斯联盟飞船年年涨价的的天价船票,也不再会被俄罗斯讥讽为“用蹦床上天”。一,风格独特且化繁为简载人龙飞船在设计上分为加压舱(返回舱)和非加压舱,为尽可能复用飞船设备,载人龙大部分设备集中在加压舱内,非加压舱部分主要由碳纤维构成,仅设置有体装式太阳能电池板等少数设备。飞船采用人、货通用设计,载人版可用于国际空间站或未来商业空间站的近地轨道载人往返服务,经货运化改装后也可以用于无人货运任务,飞船受限于美国航天局NASA对落水冲击的限制,目前默认设置有4个座位,后排可增设3个座位,亦即最多承载7名宇航员,远多于联盟飞船的3人,与航天飞机和波音的星际线(Starliner)飞船一致。无论是飞船的外观还是内饰,都非常简洁,形如科幻电影中的宇宙飞船,即使增设后排座椅,满载7名宇航员也依旧宽敞,而且还设置有一个简易厕所,与狭小拥挤的联盟号飞船形成鲜明对比,当然不仅是座椅,最直观的飞船操作界面也是迥然相异。与传统飞船在设计上截然不同,载人龙飞船的人机交互界面采用了大尺寸触控屏幕,屏幕上所显示的内容可以自由切换,因此3块屏幕在受损情况下可互为备份。飞船目前设计仅保留有38个实体开关和按键,作为应对极端情况的最低限度控制面板。纵观马斯克旗下的两家企业,无论是SpaceX还是特斯拉,一直都是超大触控屏幕设计。马斯克宣称载人龙飞船将大幅度提高自动化程度,化繁为简,降低宇航员的学习成本,宇航员在绝大部分任务中都可以把厚如砖头的操纵手册扔在一旁,将操作集中在直观的触控屏幕上,并提高自动化率,仅保留有最低限度的物理按键来应对极端情况。然而,看似很简单的改变其实更不容易,且不说要面对巨量的代码编程和测试工作,要在删去大量物理按键的条件下仍维持足够的安全性和可靠性。这种设计思路一直贯穿整个飞船,比如舱内航天服的设计。众所周知,航天服主要分为两种,一种是舱内航天服,一种是舱外航天服。舱内航天服是在载人飞船和航天飞机内穿着使用,除在正常发射中监测宇航员生理状态和维持体温呼吸外,还有在飞船舱内出现破损而导致急性失压时保障宇航员生命安全的作用。与传统航天服不同,SpaceX特别聘请了时尚设计师进行外观设计,在维持安全性水平的前提下进行了轻量化设计。此外,舱内航天服还选用了定制化的3D打印头盔,可以定制化设计,内置麦克风,航天服本身采用阻燃外层材料,鞋部增设了与座椅脚蹬的固定机构。所有航天服与飞船的环控生保和通讯都集成在舱内服大腿部分的一根管路上,还增设了额外的听力保护装置。为了适应触控界面,航天服手套手掌内侧设有触控层,兼顾触屏操控。头盔面罩可以开合,关节过渡段经过特殊设计,不仅可以灵活转动,在舱内失压情况可迅速密闭并充气保压,从而保证宇航员生命安全。除了上述这些外表可见的特性,载人龙的设计亦有大幅革新,不仅采用人货通用设计,还革新了传统的逃逸塔逃逸方式,且贯彻了公司一直坚持的复用理念,又大胆使用发动机反推着陆的方式(目前已被NASA砍掉),称之为目前设计最激进、最疯狂的载人飞船毫不为过。载人龙飞船干质量7.7吨,发射质量9-15吨,上行最大运力6吨,下行最大运力3吨,全高8.1米,直径4米,加压舱外壁倾角15度,加压舱(返回舱)容积9.3立方米,非加压舱容积37立方米。除此之外,其他参数如下:承载人数:默认4人、最大7人,自持能力:自行飞行7天、对接状态下210天,供电系统:非加压舱半包围体装式太阳能电池板推进系统:16台天龙座(Draco)发动机,单台推力400牛,真空比冲300秒逃逸系统:推式逃逸,8台超级天龙座(Super Draco)逃逸发动机,单台推力71000牛,海平面比冲235秒,两台为一组,安装在铝制包容壳内推进剂组合:四氧化二氮/甲基肼双组元推进剂,冗余设计,最大加注量2.2吨,1.36吨四氧化二氮,0.85吨甲基肼环控生保系统:湿度控制、噪声抑制、空气循环、温度控制、火灾探测和抑制、简易厕所底部主热防护系统:第三代PICA-X改进型酚醛浸渍碳烧蚀材料,可更换设计进入、再入、着陆与回收:四伞冗余群伞系统,海上溅落,专用回收船回收定位:GPS/铱星定位信标对接系统:采用NASA对接系统(NASA Docking System),可自主无人对接或手动对接,对接口盖可开合舱内航天服:SpaceX自研的专用舱内航天服但是对于NASA来说,这些都不是他们所关注的,NASA只是想尽一切办法让飞船尽快投入运营,向国际空间站运送宇航员。因为美国失去载人航天能力已有8年,而俄罗斯的联盟飞船坑了美国整整9年,有关这段恩怨情仇,还要从8年前的那次着陆说起。二,制造两个空窗期的航天飞机2011年航天飞机退役时,美国并没有其他载人航天器,按理来说应该继续服役到新飞船接班为止,但是这实在是因为航天飞机亟需替换,不能再用的无奈之举,而非NASA所愿。众所周知,1986年1月,挑战者号航天飞机在升空时因固体助推器O型密封环失效,凌空爆炸,7名宇航员罹难;2003年2月,哥伦比亚号航天飞机在再入大气层过程中解体,又是7名宇航员遇难。两次事故沉重的不仅使美国失去了两架航天飞机和14名宇航员,更重击了民众对航天飞机安全性的信心,加之航天飞机本身发射报价昂贵,缺乏逃逸设施,而机体日益老化又导致翻修费用居高不下,NASA最终只能忍痛割爱将航天飞机退役。由于美国将中国排斥在国际空间站之外,自此俄罗斯便在事实上垄断了国际空间站的人员运输。然而俄罗斯自航天飞机退役起,便不停抬高联盟号飞船座位的销售价格。从最初的3000万美元一路飙涨至现在8000万美元一位的天价,这种近乎与坐地起价的行为让NASA忍无可忍,但美国确实没有飞船可用。事实上,知耻而后勇的NASA很早就规划了三款新型载人飞船,但是却因为进度、经费、设计等种种原因,迟迟不能服役,直到今天的载人龙才正式载人。联盟号飞船报价8100万美元,新飞船仅为5800万,事实上根据GAO的报告,载人龙每座报价为5500万美元,而波音为9000万美元一个座位,没错,波音报价是9000万美元一个座位。三,最意外的中标者其实早在航天飞机退役之前,NASA就开始物色新一代飞船的承包商,经过CCDev1、CCDev2、CCiCap三个阶段的观察和筛选。波音、蓝色起源(Blue Origin)、内华达山脉( SNC)和SpaceX四家航企中标呼声最高。这些公司的飞船将替代已经退役8年的航天飞机,摆脱俄罗斯联盟飞船近乎“讹诈”的高昂船票,整个项目名为商业载人航天计划(Commercial Crew Program)。与阿波罗计划和航天飞船时期不同,商业载人航天计划中飞船的归属权属于研发企业本身,借此激励企业创新和自掏腰包(航企可以在满足NASA任务需求的条件下执行其他商业航天任务,比如太空旅游),NASA只是购买飞船的“载人服务”。但为了控制安全、进度和经费,NASA设置了大量“里程碑”对中标企业进行控制,还设置了大量验收试验(比如逃逸试验、热真空试验、电磁兼容试验等),除此之外尽量减少对企业研发思路和飞船设计的干扰,也不限定所使用的载人火箭,只提出可靠性要求。最终经过长达4年的观察和评估,呼声甚高的蓝色起源和内华达山脉公司意外淘汰,巨头波音和曾被业界齐齐看衰的SpaceX雀屏中选,各自研发一款新型载人飞船,其中波音飞船名为CST-100(后改名为星际线),资助额高达42亿美元;SpaceX则为第二代龙飞船(Dragon V2,后细分为Crew Dragon,载人龙),资助额仅有26亿美元。后经过几次经费追加,波音累计资助额50亿美元,SpaceX累计资助32亿美元。这份合同让业界大跌眼镜,两家中标者中的波音不但是百年航企,阿波罗登月时代就曾参与,而且无论资金实力,技术水平还是研发经验都无可比拟,中标毫不意外。但是彼时SpaceX作为一家初创的私营航企,之前的猎鹰1火箭5次发射3次失败,想象一下5次飞行就要坠机3次的航班谁敢坐?让这样的公司设计载人飞船无异于“草菅人命”,而载人航天作为一项庞大的系统工程,至今为止全世界只有中、美、俄具备该能力,一家私企就想染指,无异于痴人说梦。彼时国内网络也一时间充斥的同样的论调,唱衰SpaceX和私营航天的声音不绝于耳。SpaecX虽然钱少、人少、经验少,但是进度高歌猛进,远超波音。SpaceX率先于2015年5月成功进行发射台逃逸试验。2015年11月,SpaceX进行了载入龙飞船的悬停飞行试验,以演示超级天龙座发动机的变推力能力和飞船的悬停特性。截至载人首飞,累计完成了超过700次的超级天龙座试车。2019年3月2日,SpaceX从肯尼迪航天中心LC-39A发射台首次将载人龙飞船送入太空,执行首次无人演示任务。在发射的27小时后,载人龙飞船成功自主对接国际空间站并顺利返回地球。2020年1月19日,“载人龙”飞船顺完成“发射中逃逸试验”,作为该船正式载人前的最后一项全船重大测试,成功证明了飞船发布时宣称的“全程逃逸”能力。事实上,载人龙飞船的研发之路并非一帆风顺。2019年4月,执行完首次无人试飞的飞船在一次逃逸发动机的静态点火试验中,因管路残留推进剂在高压气体作用下发生了水锤效应,常温推进剂与钛制阀芯发生罕见反应,发生剧烈爆炸,飞船全毁。除此之外,载人龙的降落伞也曾遇到问题,最终应NASA要求换用改进的Mark-3型降落伞,并进行了27次空投试验验证后方告通过,降落伞累计测试次数超过80次。另一方的波音公司在项目中拿的钱最多,经验最丰富,但是设计保守,进度拖沓,报价高昂。而且最关键的是——首次无人试飞还翻了车!飞船因为一连串错误,未能与国际空间站对接,只能灰溜溜的返回地球,更无语的是降落时群伞中还有一个未能正确打开,好在是冗余设计,飞船返回舱完好。经过NASA独立调查小组调查后,波音只能认栽,自掏腰包4.2亿美元准备再飞一次!这个结局真的出乎所有人的意料,然而回头来看似乎又不意外。(本文综合自航天爱好者、科普中国、三体引力波、DEEPTECH深科技等媒体)

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