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吊打老牌巨头波音、开辟载人航天新时代,马斯克的新飞船有多厉害?

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 黄琨 • 2020-08-06 10:00:05 来源:前瞻网 E4395G0
100大行业全景图谱

载人龙

北京时间8月2日7:35,美国国家宇航局(NASA)宇航员鲍勃·本肯(Bob Behnken)和道格·赫尔利(Doug Hurley)轻轻在面前的巨大显示屏上一点,向他们乘坐的“载人龙”(Crew Dragon)飞船发出了确认指令。同时,在国际空间站上的NASA第63号远征队指挥官克里斯·卡西迪(Chris Cassidy)也敲响“舰钟”。

随后,在舱内人几乎毫无察觉的情况下,飞船松开了和国际空间站连接了2个月的锁扣,点燃推进器,开始向地球飞行。

北京时间8月3日2:48,飞船成功进入大气层,撑开4朵红白相间的降落伞,溅落在墨西哥湾的海水中。飞船内原来备有3天的应急物资,以供万一出事时,乘员的不时之需。但是这些物资最后并没用上。

在周围一圈土豪的游艇围观下,早已做好准备的SpaceX救援船迅速到达现场,将其打捞上甲板。救援人员花费了约20分钟清理了飞船外四氧化氮等有毒物质,最终在3:59,他们打开了飞船舱门,并在大约10分钟后将2名宇航员撤离。

游艇

SpaceX“载人龙”飞船在太空停留63后成功返航,可以说是意义非凡:

对于SpaceX自己,彻底证明自家技术的先进性,给竞争对手带来了巨大压力;对于美国,则是他们在9年空窗期后再次获得了完整的载人航天技术,终于可以摆脱对俄罗斯的“依赖”;对于全球航天行业来说,这次飞行彻底证明了商业低成本运载火箭方向的可行性,未来整个业态或许都将为之一变。

乘风而起

众所周知,1986年和2003年,美国“挑战者号”和“哥伦比亚号”航天飞机相继发生了2次震惊世界的航天飞机空难事故,14名宇航员在全球关注下丧生火海。这让航天飞机的安全性以及NASA的安全管理能力备受质疑。

此外,航天飞机的使用成本高昂,单次飞行成本达到了十几亿美元,且随着机体老化,其维护、翻修成本也在水涨船高。

与此同时,适逢冷战结束,过去各国发展航天技术主要目的——向全世界展示炫耀科技实力和综合国力——也随之消失,整个世界航天行业都进入了低潮。

在种种因素的作用下,NASA放弃了航天飞机。2011年7月19日,美国航天飞机计划第135次任务,也是最后一次任务,正式结束。这也宣告着,未来能够把宇航员送到国际空间站的,就只剩下俄罗斯的“联盟号”飞船了。

既然全球独此一家,别无分号,那么涨价就是很自然的事。

价格

可以看到,之前“联盟号”的载人价格只是在缓慢上升着,直到2011年上半年,俄罗斯给出的报价也只是每个座位2770万美元。但是下半年美国航天飞机最后一飞后,“联盟号”座位价格马上提到了4340万美元,几乎翻了1番。

价格翻番之后,俄罗斯并没有见好就收,而是变本加厉,以物价上涨、人工上涨和油费上涨为由,在之后几年持续涨价。在这张图没有体现的地方,到2018年,俄罗斯方面的报价已经提高到了每个座位8100万美元。

身为全球航天科技最强、唯一送人上过月球的国家,美国自然是不甘心受到俄罗斯如此“敲竹杠”的。但是在很长一段时间内,他们也没什么办法。

在冷战之后,美国航天业一下失去了发展的动力。NASA本打算通过官方项目,将两大巨头波音和洛克希德.马丁培养成在国际航天市场顶尖的企业。没想到,巨额订单反倒让2家企业失去了发展动力。

此后,他们一直躺在政府和军方订单带来的巨额利润上,凭借着垄断市场的半国企身份坐吃山空,报价比俄罗斯的还高。根据去年底的新闻,在把宇航员送到国际空间站的服务上,美国宇航局将向波音公司支付每座位9000万美元的费用,引起了SpaceX创始人马斯克的抗议。

更令NASA失望的是,2005年,为了应对市场寒冬,波音与洛.马又将火箭业务合并,成立联合发射联盟公司(ULA)。原来的2家寡头还有竞争,现在变成了彻底垄断,这下更没有发展动力了。据其自己公布的数据,ULA发射一枚火箭平均价格在4.35亿美元,远超其他国家的企业。

好在,NASA一直是“两条腿走路”,在扶植巨头的同时,也注重对新兴私人资本航天企业的挖掘。

从1994年到2010年,NASA多次出台政策,要将航天技术和基础设施开放给私营企业。2010年的政策更是明确提出,美国政府的航天技术和基础设施要最大限度地以可补偿、无干扰、公平的方式供商业使用。

这是如此大力度的政策扶持下,让美国私营航天企业在这十几年如雨后春笋一般出现,SpaceX、轨道科学公司、蓝色起源等都是借此“东风”发展起来的。很多人说SpaceX之所以发展那么快,是因为用了NASA的技术,就是因为这一点。

2004年,小布什政府正式推出了商业载人航天飞行项目(Commercial Crew Program),将以往航天飞行的“举国体制”转为业务外包给国内私营公司,刺激商业航空行业竞争,这也成了SpaceX的转折点。

2002年成立后很长一段时间,SpaceX在大多数人眼中的形象和贾跃亭的乐视相似,是个“骗子”公司。对于马斯克提出的可重复使用低成本火箭,绝大多数人认为是吹牛画饼,不可能实现。

之后,SpaceX首先推出的“猎鹰1号”火箭发射5次,只成功2次,40%的成功率一时成为业界笑柄,就连中国互联网唱衰的声音都不绝于耳。不过从2010年推出后来大获成功的“猎鹰9号”开始,SpaceX的实力凸显,口碑迅速扭转。马斯克开始从众人眼中的“骗子”变成了“人类的希望”。

到竞标结束的2014年,“猎鹰9号”已经发射13次,成功12次。虽然在航天领域,92%的成功率依然算不上高,但其发展的势头是非常明显的。除此以外,“猎鹰9号”和他们的第1代“龙”飞船也为NASA执行了多次货运航天飞行订单,帮助一度陷入破产境地的SpaceX起死回生。

SpaceX的实力最终为他们赢得了项目。他们的“龙2”(也就是后来的“载人龙”)飞船方案和波音的“星际航线”(CST-100,后来的Starliner)一起,击败此前呼声最高的2个对手——Sierra Nevada的“追梦者”(Dream Chaser)和贝佐斯旗下蓝色起源的“太空车”(Space Vehicle),瓜分了总计68亿美元的载人航天项目合同。

不过在当时,NASA显然还是更看好有着丰厚底蕴的波音,在68亿美元合约中,43亿美元给了波音,SpaceX只拿到25亿。加上之前的合约,波音从NASA拿到了48.2亿美元的合同,SpaceX拿到了31.4亿美元。

让人意想不到的是,SpaceX在这件事上又创造了冷门。

他们以极快的进度,先是在2015年5月成功进行发射台逃逸试验,然后在当年11月完成了“载人龙”飞船的悬停飞行试验,非常早地完成了设计工作。

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”。为了验证返回舱逃逸系统的安全性,SpaceX甚至在发射过程中主动炸掉了价值3.4亿的火箭。

相较而言,波音就非常“拉胯”。他们拿着NASA更多的资助,试飞时间却比SpaceX晚了半年多。不仅如此,在去年12月的试飞中,飞船还发生了软件问题(时间偏差了11个小时)导致严重偏离轨道,没有抵达太空站位置,最终因为燃料不足被迫返回的奇葩事故。

不仅如此,据NSF报道,飞船在任务中因为密封面的螺栓连接和空气循环系统的问题,加压舱其实一直在轻微漏气。

今年早些时候,美国宇航局对有缺陷的试飞进行了审查,确定了波音公司将在Starliner上解决的61项“纠正措施”。7月7日,美国国家航空航天局(NASA)宣布,经过第二次审核后,该数字又增加了19次,共计80次。

这次“载人龙”飞船载人试验的圆满成功,后续影响是很大的。在NASA的合作伙伴列表中,SpaceX如今已经明显领先于波音,有望在未来的大合同中拿走大头。而NASA的登月项目中标没有了波音的身影。更为打击的是,NASA宣布要对波音进行全面的安全审核。

值得一提的是,这次试验还完成了一件有意义的事。

2011年,美国最后一架航天飞机退役时,NASA将一面美国国旗留在了国际空间站里,上面写着“这面国旗只有从美国本土起飞的宇航员才能取下带回地球”。也就是说,只能等到美国下一款载人航天器把宇航员从美国本土送上国际空间站时,这面美国国旗才能重返地球。或许美国人也没想到,这一等就是9年时间。

国旗

另外,9年前亲手把这面国旗留在国际空间站上的,正是本次试验飞行的宇航员赫尔利。

真正的物美价廉

那么,到底是什么原因,让“载人龙”飞船获得了NASA的青睐呢?

1、便宜

前面说到,俄罗斯“联盟号”目前的报价是8100万美元,波音的“星际航线”更高,要9000万美元,而马斯克在获悉波音的报价后表示,“载人龙”飞船1次载人任务报价预计仅为1.6亿美元,每个座位的价格只需要5500万美元,低了40%。

为了做到这一点,SpaceX做了很多大刀阔斧的改变。

首先是大胆砍掉了过往载人火箭使用的逃逸塔。在传统载人飞船上,头顶都会有尖尖的一块,这就是逃逸塔。它主要负责发射前和发射后2分钟左右的宇航员安全,在成功升空后,作为死重,这块要被抛掉。显然,每次都重新制造这么一个使用率不高的大件,非常影响成本控制。

SpaceX选择取消了这一设计,转而直接在飞船上布置了8个发动机一旦点火将瞬间产生巨大推力,将飞船带离火箭。这种设计下,逃逸用的发动机可以随飞船返回地球,经过检修即可继续使用,极大节省了成本。

此外,这种发动机在返回地球时,还可以作为反推发动机使用,其每个发动机7吨的推力完全够用,甚至就算失效一半也能降落。一旦发动机出现异常,则启动传统降落伞作为着陆方式,载人龙设计有4个降落伞,伞伞之间互为备份,即使1个到2个伞失效仍可降落。

事实上,一开始SpaceX就是如此打算的,但是被航天飞机吓坏的NASA要求SpaceX协商后砍掉了这项设计,转而使用传统、成熟的伞降落海回收。

另外还要考虑到,其运载火箭“猎鹰9号”也是成熟的复用产品,“二手火箭”+“二手飞船”的组合无疑是省钱的最佳利器。

节约成本的另一项举措是通用化设计。事实上,“载人龙”飞船只是“龙2”飞船的其中一个型号,另外一个则是“货运龙”(Cargo Dragon)。二者有什么区别呢?“载人龙”飞船的座椅拆掉就是“货运龙”。

2、运力强大

“载人龙”飞船的内部加压空间有9.3立方米,集中在一个舱段里,非加压货运舱段也有12.1立方米。飞船有7个座位(载人龙飞船NASA版本的只有4人座位),和航天飞机搭载的宇航员数量相同。我国5月5日测试的“新一代载人飞船”也将搭载7名宇航员。

一张图片可以看得非常清楚:

运力

(来源于微博@Memorian-QN)

在改装成货运飞船后,其9.5吨的运力高于我国此前的“神舟”飞船,虽然低于“星际航线”的13吨,但考虑到成本,性价比还是很高的。

3、安全

NASA对商业载人航天项目的安全性提出了要求:每500次任务,飞船最多只能损失1位宇航员,也就是损失比不超过1:500。考虑到最长210天的任务周期和各种太空意外,总指标是1:270。对比起之前的产品,航天飞机项目要求为1:90(实际2/135),俄罗斯联盟号飞船要求是1:110(实际1/87)。

由于砍掉了逃逸塔,转而采用在返回舱安装逃逸发动机的做法,“载人龙”飞船的安全性此前一度受到质疑。在去年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发生剧烈爆炸,飞船全毁,更是让这一设计备受批评。

不过,在针对性改进后,问题基本上已经得到了解决。为了证明这一点,SpaceX还曾主动炸掉了一枚火箭。在今年1月的逃逸测试中,飞船主动启动紧急逃逸飞离火箭,随后运载火箭“猎鹰9号”在空中凌空解体爆炸。

4、全新设计

之所以说“载人龙”飞船是全球航天系统的里程碑,除了上述一些大的改动,在一些细节上,飞船也使用了引领未来的创新甚至颠覆性设计。

比如在操作界面上,“载人龙”一改传统飞船(甚至波音的“星际航线”也采用了)大量仪表加按钮、开关结合的复杂设计,全面采用大尺寸触控界面操作方式。航天员面前的3块大屏幕,将几乎所有内容井井有条地呈现在其面前,显示内容可自由切换,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。

与乘员操作界面大幅简化适配的,是乘员需要操作的内容大幅减少。“载人龙”使用了有历以来最安全,也是最先进的系统。“载人龙”可以实现由电脑操纵的的完全自动驾驶,全自动对接空间站、全自动处理各种意外状况,这一切全部是在飞行控制中心与宇航员监控下的,同时也可以切换成为手动操纵。

另外一个显著革新是在航天服上。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,马斯克还亲自参与设计了,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。

总的来说,SpaceX此次任务标志着人类载人航天一个崭新的时代开始:一个商业航天公司成为第4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。

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