【文汇报】“炸了”一枚猎鹰9火箭！SpaceX以最“暴力”方式考验宇航员逃生系统
随着飞船脱离 ， 猎鹰9号火箭空中爆炸解体 ， 载人飞船的飞行终止测试顺利完成 ， SpaceX 已经扫除了所有关键障碍 ， 无限接近成为史上首个私营载人航天发射商 。
北京时间 1 月 19 日晚 11 点 30 分 ， SpaceX 的载人航天计划迎来了发射前的最重要一次测试——载人龙飞船的飞行终止测试 ， 确保在正式载人任务时 ， 飞船能在火箭出现意外时紧急脱离 ， 保证人类宇航员安全着陆 。
一枚四手猎鹰9号火箭搭载着载人龙飞船在肯尼迪航天中心发射场点火升空 ， 经过约 1 分 26 秒飞行后 ， 火箭发动机停车 ， 龙飞船按计划在超音速的条件下启动逃逸系统 。 龙飞船上 8 台发动机在近 20 公里左右的高度同时启动 ， 在短短 2 秒内迅速脱离猎鹰 9 号火箭 。
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▲火箭升空
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▲载人龙飞船脱离火箭
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▲猎鹰 9 号爆炸瞬间
而同样在超音速情况下飞行的猎鹰 9 号则在飞船脱离的瞬间失去姿态 ， 在数秒内解体爆炸 ， 上百吨燃料在空中炸成一团火焰 ， 为龙飞船的终止测试上演了一幕最极端、也是最为真实的“意外情况” 。
在随后载人飞船着陆过程中 ， 一个小型降落伞先打开 ， 稳定住不断旋转的飞船 。 随后 4 个主降落伞展开让飞船缓慢落在海上 ， 最终 ， 此次意义重大且视觉感受满分的飞行终止测试仅过了不到 10 分钟便宣告成功 。
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【文汇报】“炸了”一枚猎鹰9火箭！SpaceX以最“暴力”方式考验宇航员逃生系统。▲飞船伞降
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▲飞行终止测试效果图
值得一提的是 ， 在今天的测试中 ， 飞船上还带了一个装有传感器的测试假人 ， 目的是在测试过程中收集所有必要数据 ， 以确保未来人类宇航员的绝对安全 。
经过数年开发 ， 以及过去两年时间里的密集测试 ， 此次飞行终止测试已经是载人龙飞船正式走马上任前的最后一个关键测试 。
随着今天测试圆满成功 ， SpaceX 龙飞船将有望在今年上半年将两名NASA宇航员送上国际空间站 ， 届时 SpaceX 将成为首个进行载人发射的私营航天企业 ， 正式开启私营载人航天大时代 。
在马斯克充满野心的廉价航天版图中 ， 载人飞船的可重复使用是十分重要的一环 。 如今 ， 火箭的重复使用已经常态化 ， 下一步就是迈向载人飞船的可重复使用 。
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▲载人龙飞船
SpaceX 龙飞船：可重复使用的载人飞船
业界标杆 SpaceX ， 总是不走寻常路 。
载人龙飞船的逃生系统设计 ， 再次跳脱传统 ， 抛弃了主流的逃逸塔 ， 而是让飞船本身兼具有自主逃生功能 。
这样设计有什么道理呢？这背后 ， 寄托着马斯克的一个重要梦想 。
载人飞船的发射逃逸系统是载人航天任务中必备的应急系统 。 在运载火箭或曾经的航天飞机点火升空过程中 ， 若发生不可逆转的故障 ， 从而威胁到宇航员生命安全时 ， 逃逸系统会帮助宇航员迅速脱离火箭并返回地面 。
在过去进行的载人发射任务中 ， 美国、中国和俄罗斯的火箭均配备了逃逸塔 。 在每次载人发射任务中 ， 这个尖尖的逃逸塔就像一个小型火箭一样接在火箭的最顶端 。
在发射阶段出现意外时 ， 逃逸塔上部的发动机能迅速启动 ， 将坐在里面的航天员从运载火箭上拉走 ， 脱离事故火箭并最终通过伞降的方式回到地面 。 但由于飞船上升到一定的高度后 ， 同样可以利用飞船自身的变轨发动机将飞船推离危险区 。 因此 ， 逃逸塔通常在发射约 2 分钟左右会被抛离 ， 以减轻重量 。
在人类航天史上 ， 逃逸系统被使用的次数屈指可数 。
2018 年 10 月 11 日俄罗斯的联盟号载人飞船执行常规的载人发射任务 ， 计划将两名分别来自美国和俄罗斯的宇航员送上国际空间站 。 但火箭一二级在分离过程中发生撞击造成发动机故障 。 指挥中心随即宣布任务失败并指挥宇航员逃生 。
由于逃逸塔已经在发射 2 分钟时被抛弃 ， 逃生系统被激活后 ， 首先是激活飞船的推进系统 ， 实现与火箭分离 ， 紧接着载有两名宇航员的返回舱与推进舱分离 ， 返回舱通过伞降系统和着陆反推系统最终实现安全着陆 。
再往前看则是在 1983 年 9 月 ， 苏联进行一次载人发射任务时 ， 火箭在发射前意外起火 ， 逃逸系统紧急启动 ， 逃逸塔迅速点火将飞船拉走 ， 成功救下宇航员 。
这也是迄今为止 ， 人类航天史上唯一一次成功使用逃逸塔 。
由此可见 ， 昂贵的逃逸塔使用频率极低 ， 但载人航天任务在安全至上的诉求下 ， 这又成为一个标配 ， 不得不在每次发射中都丢掉一个逃逸塔 。
与此同时 ， 过去使用的载人飞船 ， 包括上面的返回舱、轨道舱都是一次性的 。 而已经实现火箭重复使用的 SpaceX ， 又打起了载人飞船的主意 ， 如果实现其可重复使用 ， 这将大幅降低载人发射的成本 。
这在航天史上亦是一个颠覆性的设计 。
要实现重复使用 ， SpaceX 的载人龙飞船第一步就是舍弃逃逸塔 ， 在飞船四周配备了 8 台 SuperDraco 发动机 ， 实现了“自带逃逸系统” ， 在逃逸甚至是返回落地时可以随时启动 。
其中每台 SuperDraco 发动机都可产生 1 万 5 千磅的推力 。 8 台 SuperDraco 同时点火产生的推力可在 1.2 秒内将飞船从 0 加速至 100 英里/小时 ， 最高速度可达到 345 英里/小时 。
与此同时 ， 载人龙飞船配备了可更换隔热罩 。 其他飞船在返程进入大气层时 ， 必须借助隔热罩摩擦减速和烧蚀降温 ， 导致飞船无法重新使用；而载人龙飞船则重新设计了飞船隔热罩 ， 实现了模块化更换 ， 为飞船重复使用打下基础 。
此外 ， 为了降低成本 ， 载人龙飞船还通过材料技术上的突破 ， 让飞船自己在大气中飞行时具备足够的保护能力 ， 摆脱了对整流罩的依赖 。
但这种追求低成本的大胆设计同样会带来可靠性问题 。 原因是逃逸发动机和推进剂贮箱就安装在宇航员的加压舱周围 ， 由于逃逸发动机贴近宇航员座位 ， 发动机或是推进剂稍微出现异常便会直接威胁到宇航员的安全 。
趋于保守的 NASA 对此方案并未完全信任 ， 要求 SpaceX 以及同样采用了类似方案的波音进行更加严格的测试 。
2019 年 4 月 ， SpaceX 在美国肯尼迪航天中心对刚回收不久的载人龙飞船进行静态点火测试时出现意外 ， 在飞船发射系统内 ， 氧化剂泄漏进入到航天器的推进系统中 ， 造成止回阀失效并在高压下引发爆炸 ， 直接摧毁了整个飞船 。
SpaceX 通过数个月时间的调查和改进 ， 最终将那次意外暴露出来的设计问题解决 。
从进度上说 ， 此次飞行中止测试是 SpaceX 进行正式载人发射任务前的最后一个关键测试环节 ， 从 2013 年载人飞船项目启动至今 ， SpaceX 距离最后的载人发射终于只有一步之遥 。
在爆炸中成长
值得一提的是 ， 今天执行发射任务的猎鹰 9 号火箭是第 4 次执行发射任务 。 早在 2018 年 5 月 ， 它就在正式发射任务中登场 ， 在今天发射进行前 ， 这枚火箭已经 3 次发射并全部实现回收 。
为了更好模拟真实载人发射时的情况 ， 在此次不会进入太空的发射任务中 ， SpaceX 仍将这枚火箭灌满了燃料 ， 甚至在完全不会使用的二级火箭上也将燃料加满 。
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▲准备发射
【文汇报】“炸了”一枚猎鹰9火箭！SpaceX以最“暴力”方式考验宇航员逃生系统。不过在关键的发动机上 ， 由于二级火箭在此次任务中不需要点火 ， SpaceX 将二级火箭上的梅林发动机全部拆下 ， 换上了同样重的替代品 ， 这同样是为了模拟实际任务中火箭的真实重量 。
对猎鹰 9 号火箭来说 ， 9 台发动机一秒钟就能消耗 540 加仑燃料 ， 为了能够“喂饱”这些发动机 ， 猎鹰 9 火箭携带的燃料质量达到数百吨 ， 足以通过两级火箭将超过 20 吨的荷载送上数百公里的近地轨道 。
而此次发射任务仅进行了不到 2 分钟 ， 火箭内部剩余了大量燃料 ， 就是一颗巨型炸弹 。 SpaceX 在测试前也预测 ， 当载人飞船离开火箭后 ， 火箭的正常飞行状态会被打破 ， 而失去姿态导致火箭在空中爆炸则是可能性最大的结果 。
也正因此 ， SpaceX 关闭了往常会开放给爱好者观看发射的看台 ， 但这依然抵挡不住人们的热情 。 大批火箭爱好者被这一消息吸引 ， 前来观看发射 ， 除了期待能看到飞船进行逃逸测试 ， 他们也想看看这个上百吨重的大油罐最终会炸出什么样的景象？
此外 ， SpaceX 也为了此次火箭爆炸做好了充分的善后工作准备 ， SpaceX 表示 ， 不管这枚运载火箭是在何种状态下爆炸 ， SpaceX 都会有专门的团队将爆炸留下残骸从海上清理干净 。
这一“计划中”的火箭爆炸 ， 也将成为 SpaceX 发展史上值得铭记的一次爆炸 。
众所周知 ， 猎鹰 9 号是目前全球唯一一型成功进行回收并实现重复使用的火箭 。 作为如今市面上最当红的火箭型号 ， 猎鹰 9 号火箭凭借着非常廉价的发射费用和超高的可靠性成为了一款明星火箭 。
但 SpaceX 走到这一步并不简单 。 从 SpaceX 成立至今 ， 在各种测试和发射任务的失败都从未间断 ， 而失败则常常与爆炸相伴 。
例如 2014 年 ， SpaceX 为了研究可回收火箭技术的早期火箭 F9R 在一次悬停测试中出现异常 ， 在空中直接自爆 。
2016 年 9 月 ， 猎鹰 9 号火箭在发射前的常规静态点火测试中爆炸 ， 事故造成一枚全新的猎鹰 9 号火箭和价值 2 亿美元的 Spacecom Amos-6 通讯卫星损毁 。 为了研究事故原因 ， SpaceX 在 4 个月后才重新开始了发射任务 。
2019 年 4 月 ， SpaceX 载人龙飞船在一次静态点火测试中发生剧烈爆炸 ， 飞船被直接摧毁 。
有人戏称 SpaceX 每年一次花式爆炸已经成为了一个优良传统 。 甚至 SpaceX 自家也专门做了一期“爆炸集锦” ， 收集了几乎所有 SpaceX 在发射任务和火箭回收瞬间的失败画面 。
可以预见的是 ， SpaceX 的爆炸集锦视频未来还会持续更新下去
尤其是马斯克已经发布的瞄准星际旅行的 Starship 飞船 ， 作为“最强宇宙飞船” ， Starship 计划有效载荷最高可达 150 吨 ， 这一数字已超过登月使用的土星 5 号超重型运载火箭——它是史上运载能力最强的火箭 。
如今 ， Starship 飞船的原型机已经从工厂里一个一个地生产出来 ， 迎接它们的将是最严苛的测试 ， 以及难以避免的爆炸 。
比如 ， 2019 年 11 月 ， Starship 的原型箭 MK1 在贮箱加注测试中顶部被崩飞 。
就像马斯克曾经说的 ， 没有失败 ， 就没有创新 ， 如果你没有经历失败 ， 那说明你还不够创新 。 也就是说 ， 如果没有一次又一次的爆炸 ， 那么 SpaceX 今日所展示出来的创新能力可能都无从谈起 。
有望夺下私营载人航天大旗
美国失去载人上天能力 ， 已经超过 8 年时间 。 NASA 急需 SpaceX 和波音两家商业公司能够扛起美国载人航天事业的大旗 。
在 NASA 的美好愿景中 ， 一旦波音、SpaceX 的载人飞船正式上任 ， NASA 将会逐渐减少通过俄罗斯联盟号进行载人飞行任务 。 同时 NASA 官员也曾表示 ， 将反过来向俄罗斯销售船票 ， 让俄罗斯宇航员乘坐波音和 SpaceX 的飞船 。
为此 ， 从 NASA 在 2010 年启动的“商业乘员开发”（CCDev）计划 ， 资助私营航天公司开始进行新一轮的载人航天飞船研究 ， 至今已经撒下近 84 亿美元 。
这其中 ， 波音获得的资助超过了 49 亿美元 ， NASA 在这一计划中 ， 半数以上资助进了波音公司的口袋 。 相比之下 ， SpaceX 获得的支持要少得多 ， 约 31 亿美元 。
而 SpaceX 开发的载人龙飞船已经在 2019 年 3 月成功进行无人首飞 ， 运送货物往返国际空间站 。
因此可以说 ， 被悉心照料、巨资喂大的波音 Starliner 并没有体现出其应有的水平 。
首先在时间上 ， SpaceX 的载人龙飞船和波音的 Starliner 原本都计划在 2017 年实现载人飞行 。 两者已经进行了不止一次的延期 。
而且 ， 两家公司在载人发射的价格上也有明显差距 ， 从一份美方报告可知：SpaceX 载人龙飞船的报价为每个座位 5500 万美元 。 但波音给出的报价则要 9000 万美元 ， 比前者贵了 60% 以上 。
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▲波音、SpaceX 载人飞船对比
而对波音来说 ， 一个月前的发射失败带来的打击才是更加严重的 。
2019 年 12 月 20 日 ， 一枚宇宙神 5 号火箭在美国肯尼迪卡纳维拉尔角空军基地中心发射升空 ， 波音公司的 Starliner 载人飞船开始了首次无人测试飞行 。
运载火箭将飞船送上预定高度后船箭正常分离 。 但 Starliner 飞船在后续利用自身发动机点火的过程中出现意外 ， 在火箭升空 1 小时后 ， 任务组表示飞船未能进入与国际空间站对接所需的预定轨道 。 Starliner 载人飞船的首次无人飞行测试提前宣告失败 。
这一失败意味着 Starliner 载人飞船在经过多次延期后 ， 不得不将发射时间表再一次向后推迟 。
反观 SpaceX ， 虽说载人飞船的研发并不是一路顺风顺水 ， 但在进度上则明显比波音走的更快 。
2019 年 3 月 ， SpaceX 开发的载人龙飞船在首次进行无人首飞任务时即获成功 ， 运送货物往返国际空间站 。
虽然在随后的一次测试中 ， 载人龙飞船的爆炸引起了不少来自外界的担忧 ， 但后来 SpaceX 在修复了发动机问题 ， 以及在降落伞等测试中的出色表现 ， 重新赢回了不少信心 。
随着此次载人飞行中止测试的成功完成 ， SpaceX 终于具备进行正式载人飞行任务的资格 ， 私人载人航天时代已然到来 。
编辑：王星
责任编辑：顾军
来源：DeepTech深科技
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