创造历史!SpaceX载人飞船返回地球 一文读懂十大细节

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腾讯科技

首次载人试飞任务的SpaceX龙飞船成功溅落在大西洋面上,标志着世界商业载人航天新时代的开始。

视频:SpaceX龙飞船从国际空间站返回顺利入海 实拍着陆精彩瞬间,时长约3分12秒腾讯太空 文/乔辉北京时间2020年8月3日凌晨2点53分左右,SpaceX载人龙飞船成功溅落在大西洋面上,这是龙飞船首次执行载人飞行任务,这也标志着世界商业载人航天新时代的开始。(注:在海洋上的降落称为“溅落”,对应英文splashdown)。

图注:在四个减速伞的作用下,龙飞船缓缓降落在洋面上。

本次试飞主要是为了对载人龙飞船进行各项验证,通过评估之后,龙飞船将正式执行NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”(Commercial Crew Program ),预计首次正式载人飞行将在今年9月份进行,届时将有四名宇航员飞赴国际空间站。

图注:龙飞船被打捞到救援船甲板上。一、龙飞船返回地球的步骤有哪些?

1、宇航员进入龙飞船,飞 船舱门关闭。

2、国际空间站上的舱门关闭。

3、龙飞船自动脱离国际空间站。

4、龙飞船调整飞行轨道。

5、龙飞船丢弃服务舱。

6、龙飞船顶部的天龙座发动机点燃,进行脱轨制动。

7、龙飞船的鼻锥盖关闭。

8、龙飞船开始进入大气层,利用气动减速。温度可接近2000度。

9、在大约5.4公里的高度,两个引导伞打开,把速度降低到560公里每小时。

10、在大约2公里的高度,四个主减速伞打开,把速度降低到190公里每小时。

11、飞船溅落到海洋上,等待救援队到来。二、龙飞船返回地球的最大难点是什么?我们知道,龙飞船在距离地面400公里的高度上绕地球高速运动,速度大约7.66公里每秒,接近第一宇宙速度7.9公里每秒。

你想想看,龙飞船在400公里高度上以如此之快的速度运动,要想让它稳稳降落在地球上将是一件多么困难的事情,这也是所有从太空返回地球的航天器要经受的严峻考验,尤其是载人返回,还是具有极高风险的。当龙飞船脱离国际空间站后,首先摒弃服务舱,然后择机进行返回制动点火,在地球引力的作用下返回地球。这里要简单说一句,所谓的服务舱,SpaceX使用的是Trunk一词,而不是Service module,但从作用上看有点类似于服务舱,目前尚无统一的翻译。龙飞船的服务舱是非加压的,可以搭载对气压不敏感的货物。在飞船返回地球的时候,首先要靠飞船自身的气动阻力减速,这就要求其切入地球大气的角度非常重要。如果飞船进入地球大气层时的角度过小,有可能像打水漂一样重新弹回太空;如果进入地球大气层的角度过大,有被烧毁的可能,这种情况非常可怕。

图注:龙飞船进入地球大气层,峰值温度可接近2000度( 艺术图)在飞船进入地球大气层后,由于强烈压缩其前面的空气,造成温度急剧升高,温度接近2000度,也就是说,飞船被一层高温的等离子体包围着。等离子体有一个特性, 能够屏蔽电磁波,这就造成了飞船与地面控制人员无法进行通讯,这种情况可持续6到7分钟,通常比喻为黑色恐怖的7分钟。

图注:明年,我国“天问一号”火星探测器进入火星大气层时的情景(艺术图)。当我国“天问一号”着巡器明年初在火星上降落时,也会同样经历恐怖的黑障时间。目前,人类对黑障时间仍无解,只能祈求多福了。三、两位宇航员是谁?去国际空间站干了啥?

图注:罗伯特L贝恩肯(Robert L. Behnken)和道格拉斯G赫尔利(Douglas G. Hurley)(左)在龙飞船内部。参加本次试飞的两位宇航员是:道格拉斯G赫尔利(Douglas G. Hurley)和罗伯特L贝恩肯(Robert L. Behnken),分别出生于1966年和1970年。他们都是曾经三次进入 过太空,而且还都是执行过航天飞机任务的老手。其中,赫尔利在太空中有超过683个小时的经验,还执行过2011年7月最后一次航天飞机任务(代号:STS-135)。贝恩肯作为航天飞机任务专家,曾先后执行2008年的(STS-123)和2010年的(STS-130)任务,累计在太空飞行时间超过708小时,其中包括37小时的太空行走时间。这次在国际空间站期间 ,贝恩肯也没闲着,他和另一位在国际空间站上的美国宇航员Chris Cassidy一起进行了四次太空行走,为国际空间站更换了6块锂离子电池,替换了老化的镍氢电池,这些锂离子电池是此前由日本货运飞船运送来的。其实,作为一次试飞,并没有安排太多任务,只要能平安返回地球, 就是最大的成功。四、太空中的最大建筑物:国际空间站

国际空间站总质量达420吨,长109米,宽73米,是目前太空中的最大建筑物。运行在距离地面大约400公里的近地轨道上,速度为每秒7.6公里。国际空间站是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室,为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源,支持人在地球轨道长期驻留。国际空间站项目由16个国家共同建造、运行和使用,是有史以来规模最大、耗时最长且涉及国家最多的空间国际合作项目。自1998年正式建站以来,经过十多年的建设,于2010年完成建造任务转入全面使用阶段。目前,国际空间站主要由美国宇航局、俄罗斯国家航天集团、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构和加拿大空间局共同运营。五、龙飞船具备自动对接能力和全程逃逸能力此前 ,我们已经了解,载人龙飞船属于SpaceX研制的第二代龙飞船(Dragon 2),具备可重复使用的能力。第二 代龙飞船可分为载人龙飞船和货运龙飞船两种,其前身是第一代货运龙飞船(Dragon 1)。新飞船可以自动 与空间站完成对接,而不像第一代飞船那样,需要借助空间站上的机械臂的帮助。当然,载人龙飞船也保留 了人工对接的选项。

本次使用的载人龙飞船,直径4米,高8.1米,最多可搭载7位宇航员,这与航天飞机搭载的宇航员数量相同,也与我国今年5月5日测试的“新一代载人飞船”设计上能够搭载的宇航员数量相同。载人龙飞船集成有8个推力强大的“超级天龙座”火箭,火箭两两分组,安装在飞船的侧壁,作为逃生使用,每个发动机的推力可达71千牛,换算成大家有直观感觉的表示方式就是相当 于7.1吨的推力。此外,还装有16个推力相对较小的“天龙座”发动机喷口,用于姿态控制和轨道机动。

图注:2020年1月19日, SpaceX成功进行了“飞行中止测试”试验。熟悉载人航天的朋友,可能会留意到,无论是阿波罗登月火箭,还是我国的长征2F载人运载火箭,在火箭顶部都有个逃逸塔。逃逸塔的作用就是在火箭发射起始阶段,如果发生意外,可以启动逃逸塔火箭,把飞船带离到安全的高度,然后着陆。如果发射一切顺利,等火箭飞到一定的高度,逃逸塔会分离,然后丢弃。而载人版龙飞船相当于把逃逸塔集成在船身上,这样做有什么好处呢?

图注:阿波罗飞船的逃逸塔。这种方式能够使飞船具备“全程逃逸”的能力!也就是说,在飞船飞行的任何阶段出问题, 都具备逃生能力,而逃逸塔只能保证火箭发射初始阶段的逃生。这也是未来载人飞船逃逸的新方式。六、龙飞船未来的载人飞行计划按目前的计划,龙飞船的第一次正式飞行(SpaceX Crew-1)将安排在2020年9月份,届时将有四名宇航员搭乘龙飞船飞赴国际空间站,他们在那里将停留6个月。

图注:龙飞船的第一次正式飞行(SpaceX Crew-1)将安 排在2020年9月份,届时将有四名宇航员搭乘龙飞船飞赴国际空间站。如果一切按计划进行,2021年上半年还将安排第二次正式飞行(SpaceX Crew-2),那次飞行将使用本次载人测试飞行的这艘龙飞船。七、为什么美国急切恢复 载人航天能力?众所周知,美国在1969年就完成了人类首次登月,代表人类踏上了另一颗星球。阿波罗期间,总共完成7次载人登月发射,其中6次成功把12名宇航员送到月球。唯一的阿波罗13号虽然没有成功,但3名宇航员毫发无损返回地球。

图注:1986年挑战者号航天飞机升空后爆 炸。

图注:2003年哥伦比亚号 航天飞机空中解体(艺术图)。1981年,美国又成功发射了第一架航天飞机“哥伦比亚”号,一次就能把7名宇航员送上近地轨道。美国总共建造了5架航天飞机,强大的运输能力为建设国际空间站立下了汗马功劳!但遗憾的是,挑战者号航天飞 机和哥伦比亚号航天飞机分别在发射和返回时发生了事故,导致总共14名宇航员罹难。5架航天飞机失去了2 架,真是非常惨。其中的故事想必大家都已非常了解,特别是1986年挑战者号航天飞机爆炸的事件早已经编 入了教科书,这里就不多赘述了。

图注:阿特兰蒂斯号航天飞机的返回标志着航天飞机时代 的谢幕。2011年7月21日,随着阿特兰蒂斯号航天飞机在肯尼迪航天中心的降落,整个航天飞机全部停飞,从此,强大的美国失去了载人航天的能力。今后飞国际空间站咋办呢?这时,昔日的宿敌俄罗斯伸出了橄榄枝,俄罗斯有成熟可靠的载人“联盟”飞船。当然,这可不是免费的午餐。

图注:俄罗斯的联盟号飞船发射。据说,刚开始的费用是每位宇航员2000多万美元,最近NASA购买的2020年秋天发射的一个座位,价格已经暴涨到了9000多万美元。据统计,自从航天飞机停飞以来,NASA已向俄罗斯累计支付超过35亿美元。因此,NASA非常希望包括SpaceX在内的国内私营企业能够挑起大梁,让美国再次获得在本土发射载人飞船的能力。八、NASA商业载人项目还有哪个公司参加?

图注:SpaceX的龙飞船和波音的星际航班飞船与国际空间 站(艺术图)2014年9月,NASA选定SpaceX和波音公司参加商业载人项目,分别获得26亿美元和42亿美元的资助。波音公司制造了“星际航班”(Starliner)飞船运送宇航员, 但总体上进度稍落后于SpaceX。下面我们来简单比较一下星际航班飞船与龙飞船有何异同:1、容量相同:这两个飞船具有相似的设计功能——每个飞船最多可以容纳七 个人。2、发射火箭不同:星际航班是用联合发射联盟公司(波音和洛克希德马丁公司的合资企业)的宇宙神五火箭发射升空。SpaceX公司正在使用自己的火箭猎鹰9号发射载人版龙飞船。3、返回场地不同:星际航班选择通过气囊辅助伞陆地降落; 龙飞船是在海上降落。4、价格不同:SpaceX的发射更便宜。NASA监察长11月发布的一份报告指出,SpaceX公司载人飞船的每个座位发射成本约为5500万美元,波音公司为9000 万美元。从价格上看,购买波音公司座位的费用和购买俄罗斯联盟飞船差不多,但毕竟波音是美国自己的公司,这点比较重要。

图注:2019年12月,波音的星际航班飞船在沙漠降落场降 落。2019年12月20日,波音进行了一次星际航班飞船无人发射,目标是与国际空间站对接。在飞行中,船箭分离正常。但令人遗憾的是,由于飞船在入轨机动过程中燃料消耗比预期要多,与国际空间站交汇失之交臂,两天后成功返回地球。根据计划,2020年10月份,波音将再补一次星际航班飞船的无人测试发射,目标仍然是国际空间站。如果通过将 来这次测试,2021年将进行首次载人发射。九、首次载人龙 飞船时间线

北京时间5月31日3点22分:从佛罗里达卡纳维拉尔角航天中心发射升空。升空后1分钟:火箭达到最大气动压力。升空后2分40秒:一级火箭分离,同时二级火箭点火。升空后8分50秒:二级火箭熄火。升空 后9分31秒:一级火箭降落在大洋漂浮平台上。升空后12分08秒:龙飞船与二级火箭分离,开始追逐国际空间站。升空后19小时05分:龙飞船与国际空间站对接成功。升空后21小时39分:对接舱盖打开。

图注:国际空间站上的三位宇航员与龙飞船上的两位宇航员(黑色上衣)相聚时的情景。升空后21小时59分:赫尔利和贝恩肯进入国际空间站。升空后27天:第一次太空行走。升空 后32天:第二次太空行走。升空后47天:第三次太空行走。升空后52天:第四次太空行走。升空 后63天:龙飞船脱离国际空间站。升空后64天:龙飞船返回地球,溅落在大西洋洋面。十、龙飞船首次载人试验飞行的意义是什么?本次是NASA与SpaceX签订的“商业载人项 目”(Commercial Crew Program)的组成部分。意义至少可以从三个层面来理解:第一个层面,对于SpaceX公司来讲,重要性毋庸置疑,本次试验飞行是该公司的首次载人发射,成功就意味着拿到了商业载人航天的入场券,未来前景无可限量;第二个层面,对于美国和NASA来讲,意味着自从2011年航天飞机退役以来,再次恢复载人航天能力;第三个层面,对于整个世界商业航天来讲,意味着揭开了商业载人航天的帷幕,商业航天走进新时代。

图注:未来SpaceX星舰飞船在火星上起降(艺术图)探索和开发外太空是人类的共同愿望。今年,阿联酋的“希望”号火星探测器,我国的“天问一号”火星探测器和美国的“毅力号”火星车相继发射,目前正在飞往火星的漫漫旅途中。对于SpaceX创始人马斯克来讲,载人登陆火星也是他的终极梦想,本次载人发射和成功返回也将促进梦想的早日实现

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