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龍飛船回來了,它著陸的方式為什麼一點不“馬斯克”?

龍飛船回來了,它著陸的方式為什麼一點不“馬斯克”?

2020-08-03 Comments 0 Comment

白色機殼,黑色鉚釘,自帶後工業主義朋克風的SpaceX載人龍飛船回來了。兩個月前的5月30日,鮑勃·本肯和道格拉斯·赫爾利,兩位NASA宇航員成為了世界關注的焦點。他們搭乘SpaceX的載人龍飛船,從肯尼迪航天中心39A發射升空,經過19個小時的長途跋涉,順利抵達國際空間站。

SpaceX 的載人龍飛船成功濺落在墨西哥灣海面上| NASA

來自NASA 商業載人航天項目(NASA Commercial Crew)的宇航員鮑勃·本肯和道格拉斯·赫爾利| NASA

本肯跟赫爾利的主要職責,是進行任務代號為“Demo 2”的測試工作。從發射到空間站對接,再到乘坐返回艙返程,二人要對SpaceX 載人航天系統,做全程監測。

當然,他們上天不光做相對枯燥的工作。本肯還完成了兩次太空行走,更換了空間站外部的電池。

正在執行太空行走任務的鮑勃·本肯| NASA

赫爾利則在空間站的穹頂艙中,透過六扇明窗,用快門盡情抓拍湛藍的地球。從白天到黑夜,他把照片上傳到了Twitter ,分享給了全世界。

道格拉斯·赫爾利在國際空間站拍攝的地球照片| NASA

兩個月的太空漂泊無疑是漫長的。北京時間8 月2 日7 時35 分,本肯跟赫爾利操縱龍飛船與國際空間站分離。

02.gif

載人龍飛船啟動與國際空間站的脫離程序| NASA

離開空間站後,龍飛船還要在軌道上繞行18 個小時。之後,開啟推進器,離開軌道沖入地球大氣層,期間經歷了高達3500 華氏度的極端溫度,飛船外部隔熱板的安全性能受到了極大考驗。

啟程返回地球。這是測試中最危險的階段任務之一,大約要經歷19 個小時的未知旅程。

假設天氣狀況不理想,NASA 和SpaceX 會推遲載人龍飛船的脫軌點火。NASA 工作人員表示,載人龍飛船上的補給物資可維持三天。

幸運的是,兩位宇航員乘坐的龍飛船順利進入大氣層,降落傘打開。北京時間8 月3 日2 時48 分,龍飛船在墨西哥灣成功濺落。

順利濺落在墨西哥灣水域的載人龍飛船| NASA

航天,安全比酷炫更重要

不同以往SpaceX 火箭助推器回收過程中垂直著陸的驚艷,龍飛船採用的是最傳統、最保守的飛船再入返回模式,即傘式海上濺落。

為什麼一貫“喜歡冒險”的馬斯克,會採用有悖於自己風格的保守方式來回收飛船呢?

要知道,這並非馬斯克的本意。

在載人龍飛船最初的設計方案裡,除了要滿足可複用、可回收的基本原則,採用助推器軟著陸返回的方式,也是飛船最亮眼的標配設計。這基本等同於獵鷹九號垂直著陸的技術原理和呈現效果。

載人龍飛船的原始設計是通過SuperDraco發動機點火,進行垂直著陸的。這是之前原型機測試點火的照片| SpaceX

不過,就當SpaceX 在2017 年把引以為傲的設計方案遞給NASA 時,卻遭到了對方的堅決抵制。因為載人龍飛船的這些新功能,如果集成在一起,不確定性因素太多了。

儘管龍飛船在推進懸浮、發射中止逃生、垂直著陸等多次測試都沒有出現事故,但都未能消除NASA 決策層的疑慮。

1986 年1 月28 日發射的航天飛機挑戰者號,在升空後73 秒爆炸解體| NASA

和大多數人一樣,他們認為技術革新相比載人航天的安全性來說,顯然沒那麼重要。畢竟,NASA被之前航天飛機的兩次事故嚇破了膽,不得不做保守派。

當然,SpaceX 同樣看重保證宇航員的生命安全。助推器著陸原本是SpaceX 為載人飛船登陸火星的最好方式,但它需要從安全角度對質量做出保證。SpaceX 最終轉變了思維,取消了龍飛船助推器著陸的功能。

載人龍飛船的終版設計Demo,取消了著陸架的設計,但依然保留了SuperDraco 發動機的配置,用於發射時緊急逃逸功能的實現| SpaceX

閹割後的載人龍飛船,雖依然保留著助推器,但砍掉了著陸架。取而代之的降落方案就是我們今天看到的海上傘降濺落和海上搜救。

飛船傘降濺落的返回過程,雖然在視覺上不及發射的場面震撼,但它遠遠超過了入軌發射時的難度。因為發射依靠的的獵鷹火箭,無論是運載能力還是可靠性,已在過去3 年的高頻發射中獲得了認可。

而龍飛船的載人回收,還是頭一回。它考驗的不是火箭,而是飛船自身。

首先,載人龍飛船脫離軌道進入大氣層時,會與空氣摩擦產生巨大的熱量,最高可達3500 華氏度。這對飛船的防熱系統是一項巨大的挑戰,當然,這也是測試的其中一項。

其次,過載環境和振動環境對船上電氣控制系統也是一種考驗,高溫將造成飛船與地球之間的通信中斷,預計將持續約6 分鐘,因此飛船返回艙的再入角度必須要控制好。

脫離規定進入大氣層,龍飛船的返回艙會與空氣摩擦產生巨大的熱量,最高可達3500 華氏度| SpaceX

以往,幾乎所有的飛船都是在陸地著陸。龍飛船之所以不在陸地著陸,SpaceX 考慮到氣象風場等測量偏差導致的著陸落點偏移較大的問題。在海上著陸顯然不用擔心地面人員安全性的問題。

航天不能總是一味地追求酷炫。雖然發動機反推垂直降落能提供極佳的落點精度,但代價是對反推發動機的可靠性要求很高,一旦出現問題後果不堪設想。

最後一考

事實上,“Demo 2”執行的任務不是單單的某項測試,而是看載人龍飛船從發射到回收的整體表現。儘管這艘飛船的完美升空得到了NASA 的官方認可,但飛船從太空返回地球的路上,還有許多風險。

在濺落前,龍飛船要用降落傘對抗地球引力,以達到平穩著陸的目的。

它有兩套錐管降落傘,在海拔18000 英尺的高空展開,此時的飛行速度約為每小時350 英里。當飛船位於6000 英尺左右的高度時,飛行速度可以將至每小時119 英里,然後四個主降落傘將全部展開,為飛船著陸最最後的減速。

考慮到飛船降落角度可能帶來的著陸點偏移,官方給出的降落地點,分別是彭薩科拉、坦帕、塔拉哈西、巴拿馬城、卡納維拉爾角、代托納和傑克遜維爾這7 個佛羅里達海岸附近的區域。

在龍飛船與國際空間站分離前的6 小時,SpaceX 和NASA 根據具體情況共同決定了本次首選濺落區為彭薩克拉。

救援船“Go Navigator”很早就開往可能濺落的水域| NASA

SpaceX 的工作人員已先前抵達這七個降落地點,並派出兩艘救援船“搜尋者”(Go Searcher) 和“領航員”(Go Navigator) 在佛羅里達海岸附近的墨西哥灣和大西洋海域進行搜救。

這兩艘飛船上有40 多名來自SpaceX 和NASA 的飛船工程師、水上回收專家、醫療專業人員、飛船船員、NASA 貨運專家以及其他協助回收工作的人員。

最終,龍飛船在北京時間8 月3 日2 點48 分濺落墨西哥灣。兩位飛行員稱“目前很好”。

03.gif

龍飛船返回艙被打撈至救援船的甲板上| NASA

濺落髮生後,搭載SpaceX 人員的兩艘救援船立即從主回收船上撤離。第一艘船主要負責檢查太空艙的完整性,並測試龍飛船周圍區域是否存在自燃推進劑蒸汽。一旦清理完畢,船上的人員開始為打撈飛船做準備。第二艘快船負責回收已經從太空艙脫離並在水中的降落傘。

此時,主回收船可以進入並開始將龍飛船的船員艙吊到主甲板上。一旦返回艙進入主回收船,它先是被轉移到一個穩定的位置,以便打開艙門,等待醫務人員進行初步檢查,並協助本肯和赫爾利離開飛船。

04.gif

工作人員打開艙門,將兩位宇航員小心翼翼從返回艙中挪出| NASA

從飛船濺落到宇航員出艙,整個過程持續了一個多小時。北京時間8 月3 日4 點整,龍飛船艙門打開,兩位宇航員出艙。

離開龍飛船太空艙後,本肯和赫爾利將立即被送往回收船上的醫療區進行初步評估。這一程序跟乘坐聯盟號的宇航員返回地球的方式類似。

經過初步的醫療檢查後,本肯和赫爾利將立即搭乘直升機前往肯尼迪航天中心醫院,接受全套的醫療服務,最後回到德州休斯頓的約翰遜航天中心。

宇航員本肯和赫爾利在龍飛船“進取號”(Endeavour)艙門打開後,微笑著對著鏡頭豎起了大拇指| NASA

與此同時,龍飛船將被送回SpaceX 公司位於佛羅里達州的Dragon Lair 接受檢查和處理。SpaceX 的團隊將對本次測試飛行中龍飛船的各項數據和功能表現進行評估,以完成NASA 商業載人航天(NASA Commercial Crew)以及國際空間站項目對執行任務的飛行系統的認證。

至此,龍飛船Demo-1 的全部任務總算圓滿謝幕了。

停泊在國際空間站的龍飛船| NASA

SpaceX 向NASA 證明了載人龍飛船完全有能力,作為運送美國宇航員往返於地球與國際空間站的常規運輸工具。

用於執行“Crew-1”任務的SpaceX 獵鷹9 火箭一級助推器已經在2020 年7 月14 日抵達肯尼迪航天中心| SpaceX

接下來,SpaceX 將為即將到來的正式任務——“Crew-1”做準備。具體任務執行前,SpaceX 需要獲得NASA 的正式授權認證。

成功的話,下一次正式飛行任務將由指揮官Michael Hopkins, 飛行員Victor Glover,任務專家Shannon Walker 這三位來自NASA 的宇航員,以及來自日本宇宙航空研究開發機構JAXA 的任務專家野口聰一組成。

正式任務的代號為Crew-1,將依然從肯尼迪航天中心的39A 發射台啟程,四位機組成員預計會在國際空間站逗留6 個月的時間。

目前,官方尚未給出下次發射的確切時間,因為完成認證大約需要六週的時間,初步預計至少要等到9 月底。

不過現在,NASA 和SpaceX 的工作人員應該先開瓶香檳,乾了這杯慶功酒。

51 年前的今天,阿波羅11 號濺落,從月球成功返回。而45 年前的今天,Apollo-Soyuz 測試項目的飛船濺落,這也是Apollo 系列飛船的最後一次飛行。

時隔45 年,載人飛船重回美國本土| NASA

歷史仍在繼續創造中。

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