SpaceX 火箭升空!從發射細節、技術 demo 到周邊產業一次全解析

【為什麼我們挑選這篇文章】全世界都在關注第一次的商業太空飛行, SpaceX 的首次發射成功,更代表以後無限的可能「商機」。這篇文章整理了發射細節、前因後果,以及相關產業的介紹。身處在這時代的我們,正目睹一件歷史性的事件發生!(責任編輯:鍾佳瑀)

5 月 30 日下午,美國佛羅里達州甘迺迪航天基地,太空人 Douglas Hurley 和 Robert Behnken 與家人隔空擁抱,然後走入龍飛船的駕駛艙。美東時間下午 3 點 22 分,搭載龍飛船的獵鷹 9 號運載火箭穿過雲和煙,遠離延綿的地平線。兩名太空人踏上前往國際空間站的旅途。

3 點 29 分,度過受力最複雜、最容易發生事故的 最大動壓點(Max-Q,最大空氣動力應力點) 後,火箭的一級推進器熄火,一二級完成分離。一級推進器自動導航返回地表,而二級推進器點火,繼續送龍飛船前往既定軌道。

右側視窗為第一級火箭重返大氣層點火 Entry Burn

3 點 32 分,一級推進器成功降落在寫有「我當然依舊愛你」(Of Course I Still Love You)的回收平台上。

3 點 38 分,將龍飛船送入既定軌道後,二級推進器也和飛船完成分離。這次發射任務宣告成功。

4 點 30 分,Hurley 和 Behnken 完成對飛船的檢查和軌道的調整後,終於可以鬆一口氣休息一下。在此次發射前,為避免將病毒帶入空間站,他們已經隔離了兩周。

在全體人類的目光注視中,這一天的星空看起來十分不同。

這次飛行將載入人類宇航史冊,因為龍飛船和獵鷹 9 號運載火箭均由 SpaceX 公司自主研制, 這是首次由私營航天公司載送太空人進入國際空間站。

完整發射過程,可觀看 NASA 直播紀錄:

前所未有的發射工具

本次發射在佛羅里達州卡納維拉爾角的甘迺迪航天基地的 LC-39A 發射台進行。

本次發射的正式命名為 Crew Demo-2,也即 NASA 和 SpaceX 合作的載人龍飛船第二次演示任務 (Crew Dragon’s second demonstration mission)。

Demo-2 將採用 SpaceX 自主研發的 獵鷹 9 號(Falcon-9)火箭 。這枚火箭得名於《星球大戰》的千年隼飛船(Millenium Falcon)和可重復使用的火箭一級推進器的 9 個發動機,在 2,000 公里以下高度的載荷可以超過 22 噸。

獵鷹 9 號有多種代次和配置型號,本次 Demo-2 執飛的將會是最新的 Block 5 型號。

獵鷹 9 號在航天史上也佔據著重要地位,有著多個「第一」:

人類設計的第一枚 可多次重復使用 的液體燃料火箭;
第一枚 完全由私營航天企業設計生產 的火箭;
第一枚 完全於 21 世紀開發和設計 的火箭。

根據發射和回收窗口的情況不同,獵鷹 9 號可以在陸地上或者相對靜止的海上進行回收。SpaceX 已經對火箭進行過多次回收測試,成功次數多於失敗。

執行 Demo-2 載人飛行任務的龍飛船,同樣由 SpaceX 自主研發,不過研發過程中引入了多家其它公司,均為私營公司。龍飛船於 2010 年首次試飛成功,2012 年首次成功運輸貨物交給國際空間站,至今已經執行 22 次飛行任務,只有一次失敗。

龍飛船採用了航天領域較為多見的鈍錐形彈道膠囊造型,起飛載荷可達 6 噸,可以被國際空間站的遙控系統自動抓取並實現對接。龍飛船還有多種配置:貨運、實驗室、人貨同載、可在其它行星/衛星著陸的紅龍飛船,以及加大碼的貨運用途龍飛船 XL。

龍飛船同樣有著多個「第一」:

第一枚 完全由私營航天公司開發 的近地軌道太空飛船;
第一枚 可重復使用 的貨運/載人飛船;
第一枚 具備下行運輸能力 (從空間站向地球運回物資)的飛船。

龍飛船執飛任務的編碼為 SpX.

去年 3 月,NASA 和 SpaceX 已經完成了龍飛船的第一次演示任務 Demo-1,將一枚沒有太空人乘坐(放了一支假人)的龍飛船送上太空、和國際空間站實現無人接軌,並且成功返回地球。

更多任務細節

1. 推遲發射–「零窗口」發射任務

SpaceX 載人發射任務第一次發射時間,本該是是美東時間 5 月 27 日下午 4:33(台灣時間 28 日 上午 4:33),但因天氣原因,推遲到了 5 月 30 日下午 3:22(台灣時間 5 月 31 日凌晨 3:22)。

NASA 局長吉姆・布里登斯廷(Jim Bridenstine)後來解釋說,氣象人員擔心,由於大氣層中的電荷過多,升空可能「觸發閃電」。

事實上,下午 4:33 前是有發射時機的,但本次任務發射時間無法調整,因為這是一個額「零窗口」發射任務(instantaneous launch window)。

每次火箭發射任務,都有一個窗口期,有的以小時計,有的僅有幾秒。而所謂零窗口,即發射時間必須分秒不差,定好了 5 月 27 日下午 4:33 分,火箭就必須 4:33 分升空。

而之所以這次任務是零窗口發射,是因為載人龍飛船最終需要與國際空間站交會對接。

國際空間站每時每刻都在移動,地球也在自轉,要想以最省燃料的方式,讓飛船和空間站對接上,就得提前計算好,空間站何時會路過與發射場位置「重合」的上空,然後分秒不差地執行發射任務。

天公不作美,這次發射任務只能遺憾錯過第一次零窗口時間。

2. 去程

發射後,獵鷹 9 號將在接近一分鐘時達到受力最複雜、最容易發生事故的最大動壓點(Max-Q,最大空氣動力應力點)。2 分半左右開始,一級推進器熄火、一二級分離、二級推進器點火。

到了 8 分 47 秒左右,二級推進器也將熄火,再過半分鐘左右一級推進器已經將落在地面上;12 分鐘時,搭載有兩名太空人的龍飛船將從二級推進器上分離,然後開始繞地球飛行並接近國際空間站軌道高度。

Demo-1 任務

龍飛船將在接近預定軌道高度時與國際空間站建立通訊連接,並逐步提升高度,最終在距離國際空間站大約 200 公尺(Keep Out Sphere, KOS)時建立同步聯繫,使得飛船可以和同步飛行並最終實現對接。

對接過程是完全自動化的,當然,兩邊的太空人都會密切監控飛船的接近和對接,在必要的時候隨時接管控制。

等到對接完成,國際空間站的在軌天數已經達到了 7,860 天,已經繞地球完成了接近 12.34 萬圈繞飛行。

兩名太空人在太空中停留多久?這個問題,直到飛船和國際空間站對接之後才會有答案。目前的計劃是最短一個月,最長 119 天,也即四個月左右。

為什麼現在決定不了到底要停留多久?除了本次執飛的龍飛船之外,NASA 還要考慮下一次四名太空人上國際空間站的 Crew-1 任務所用的另一枚龍飛船的狀態。需要考慮、分析和籌劃的有很多,NASA 也需要讓這次 Demo-2 任務的效用最大化,所以回程的時間還沒定下來。

3. 回程

整個回程也是由程序控制完成的。自動接觸對接之後,龍飛船上的推進器將會啓動,讓飛船遠離國際空間站。

Demo-1 任務

飛船將繞地球飛行並降低軌道高度,調整方向,對準著陸點。

到了預定的軌道高度和對應地面位置,飛控電腦將會拋棄掉龍飛船的貨倉,減輕落地重量並節省推進燃料。然後推進器將會啓動長達 12 分鐘,將飛船送回地球大氣層,在引力的作用下朝著著陸地點前進。

進入大氣層後,飛船會遭遇到巨大的空氣阻力,會顯著降低其降落速度。兩個減速降落傘會首先在 5.48 公里(18,000 英尺)高度展開,隨後四個主降落傘會在 1.98 公里(6,500 英尺)高度展開,讓飛船的下落速度降低到 7.62 公尺/秒(25 英尺/秒),最終降落在佛羅里達州附近的大西洋洋面上。

Demo-1 任務

4. 至關重要的火箭回收

這次發射一大看點,自然是 SpaceX 非常得意的「火箭垂直回收」技術。

獵鷹 9 號之前的垂直回收

在火箭發射大約 10 分鐘後,獵鷹 9 號的一級火箭降落在海上回收平台「Of Course I Still Love You」,順利完成垂直回收。

本次任務火箭回收階段,直播視頻信號短暫丟失,讓人擔心是否回收失敗了

火箭垂直回收是指,火箭飛行到一定高度後,最底下的第一級和上面部分分離,並且返回指定地點,最終以垂直姿態平安降落。回收的第一級火箭經過維護後,下次發射時可重復利用。

研究火箭回收的機構其實不少,但只有 SpaceX 真正實現了較高成功率。他們曾如此比喻該任務的困難程度:朝天空發射一根鉛筆,然後這根鉛筆必須飛越過紐約帝國大廈樓頂(高約 443 m),然後還要讓這根鉛筆在狂風中返回並落在一個鞋盒上屹立不倒。

5. 回收過程大體可概括為:

火箭起飛後 2 分 40 秒左右,高度到 78 公里左右,此時第一級火箭的主發動機關關閉,和其餘部分分離,這一節點被稱之為 MECO(Main Engine Cutoff 主發動機關機)。

分離後,第一級火箭會進行反推點火,調轉方向,讓其發動機的噴口朝著回收點方向。

反推點火結束後,發動機將關閉,而一級火箭將沿著一個高拋線軌跡,爬升至高點(具體高度每次任務不一樣),隨後火箭自由掉落;火箭發射後 7 分 20 秒左右,發動機會進行持續約 20 秒的第二次點火(即重返大氣層點火 Entry Burn),以減慢一級火箭掉落的速度,否則會被大氣層燒毀。

在最終著陸前,火箭發動機會第三次點火(即「著陸點火」),持續時間大約為 30 秒,將火箭下降速度從 1000 m/s 降低至 0m/s。下降前 10 秒,火箭著陸架打開。

左側視窗為第一級火箭成功著陸

火箭著陸地點分為陸上和海上。選擇陸上著陸,第一級火箭要轉向返回發射場,難度比較大。這次選擇的是海上著陸,第一級火箭只需順勢前向降落,難度相對較小。

SpaceX 實現火箭回收,直接改變了美國火箭發射市場的格局。

航天飛機 2011 年退役後,美國一方面依靠俄羅斯聯盟號火箭和飛船,把航天員送上國際空間站。另一方面,依靠美國本土的「聯合發射聯盟」(ULA),發射衛星升空。聯合發射聯盟成立於 2006 年,合併自洛克希德·馬丁和波音的軍事航天器發射業務。兩家公司分別是全球第 1 和第 2 的軍火巨頭,曾經各自為戰,競爭美國的軍事衛星發射任務。

在競爭階段,雙方盈利能力都受到影響,後來把相關業務合併成聯合發射聯盟後,對外統一報價。

當時美國想發射衛星,基本沒有別的選擇,只能選擇聯合發射聯盟。因此,2006–2016 年里,美國空軍、NASA 和美國國防部等機構的發射任務,都被該聯盟所壟斷。面對高昂的發射報價(1.7 億~ 4.5 億美元),也只能接受。

2016 年,SpaceX 給出遠低於聯合發射聯盟的報價——不高於 1 億美元。當年 4 月,美國空軍把一份 8270 萬美元的衛星發射合同給了 SpaceX,終結了聯合發射聯盟十年的壟斷。而 SpaceX 實現低報價的基礎,就是火箭回收重復利用。

就單次發射而言,成本主要集中在火箭的箭體、發動機和導航制導控制等設備上,燃料只佔很小一部分。因此,實現了主要成本部分可回收,SpaceX 在單次發射成本上,就比聯合發射聯盟有很大優勢。

在實現第一級火箭回收後,SpaceX 還在嘗試回收並重復利用第二級火箭。他們中期目標是,通過火箭重復利用,把獵鷹 9 號單次發射價格降低到 600–700 萬美元,相當於現在報價(6100 萬美元)的約十分之一。

本次 Demo 2 由兩位經驗豐富太空人執飛

龍飛船將會搭載 Douglas Hurley 和 Robert Behnken,兩名來自 NASA 的男性太空人。

Hurley 是飛船上的指揮官。他出生於 1966 年 10 月 21 日,之前曾兩次進入太空,停留時間 683 小時,是亞特蘭提斯號航天飛機 STS-135 任務,也即 NASA 航天飛機計劃最後一次執飛的駕駛員。Hurley 曾擔任 NASA 太空人訓練教官、商業飛行計劃助理總監等職位。

Douglas G. Hurley

Behnken 出生於 1970 年 7 月 28 日,擁有機械工程博士學位,之前曾兩次進入太空,停留時間達 708 小時,其中包括太空行走 37 小時。Behnken 曾擔任 NASA 太空人、工程師和太空人辦公室主任,於 2018 年入選 Demo-2 任務。

Robert L. Behnken

Hurley 和 Behnken 將成為國際空間站的第 229 和第 230 位訪客。

為什麼最終選擇了這兩名太空人?因為 Demo-2 準確來講仍然是一次「試飛任務」,首次採用龍飛船真正載人進入太空的任務。

甘迺迪太空中心主任 Robert Cabana 透露,Hurley 和 Behnken 都是 NASA 最頂級的試飛員,他們最擅長的就是執飛全新機型 ——事實上,他們在加入 NASA 之前在各自的軍旅生涯中都有過豐富的新機型試飛經驗。

這次發射任務也將會是 SpaceX 設計的太空服,首次投入實戰使用:

私營航天的時代已經到來?

前面提到,本次 Demo-2 任務是私營航天公司首次使用自主研發的火箭和飛船送真人太空人進入國際空間站。

SpaceX 是截至目前最知名的,在私營航天(private spaceflight)領域作出最多突破的公司。不過,它的成績也要依託於前輩們的傑出貢獻。私營航天最早可以追溯到上世紀 60 年代,SpaceX 創辦的整整 40 年前。

1961 年 12 月 12 日,OSCAR 一號成為了第一顆進入近地軌道的業餘無線電衛星,在軌 20 天。雖然加上了「業餘」倆字,其實衛星的開發者們並不「業餘」——他們大部分都是美國航天軍工公司 TRW(現屬於諾格公司)的員工。

1962 年 7 月 10 日,貝爾實驗室開發,交由 AT&T 使用的電星 1 號(Telstar 1)升空,通過太空從美國向法國轉播了電視圖像,實現了首次跨大西洋電視直播。不過遺憾的是,由於美國在電星 1 號發射的前一天在其軌道高度上引爆了一枚核彈,導致後來的衛星使用了半年左右就完全停止工作。

電星 1 號

電星 1 號升空不久後,熱衷於太空發展的美國前總統約翰・F・甘迺迪簽署了 1962 年通訊衛星法案,為私營公司擁有和運營衛星提供了最初的法律基礎和監管框架。

1984 年,里根前總統簽署了商業太空發射法案,認可了私營航天技術的商業價值和增長前景,要求持續鼓勵私營航天事業。

執飛人類首次成功登月任務的火箭土星 5 號,就是由私營公司建造的。 它的設計者是 NASA,但是主要建造承包商均來自私營部門,包括波音、北美航空、道格拉斯(後來的麥道)和 IBM。

土星 5 號搭載阿波羅 11 號登月艙

1990 年,軌道科學公司(Oribital Science)自主研發的飛馬座,一種小型的空中發射火箭,成功試射,成為第一顆在沒有政府資助開發出來並進入近地軌道的火箭。

進入 21 世紀,私營航天的發展迎來一個很多人都不願意承認的里程碑:美國航天科學家和富商 Dennis Tito 自費近 2,000 萬美元,通過各種關係找到俄羅斯,乘坐火箭進入國際空間站,成為第一位太空旅客,旅程長達 7 天 22 小時 4 分鐘。

NASA 高層一度認為 Tito 花錢找俄羅斯上天的行為「背叛了美國」,甚至不願意為他提供本應提供給他的訓練——尷尬的是,在五架在役航天飛機損毀了兩架之後,美國於 2011 年退役了整個航天飛機計劃,之後美國太空人上天也得求助俄羅斯的聯盟號……

直到 SpaceX 的出現。

進行 Demo-2 任務的獵鷹 9 號火箭等待發射

2012 年 5 月 25 日,SpaceX 的龍飛船執飛 NASA 的物資任務,成為首個登陸國際空間站的商業飛船。在那之前,只有各國政府下設官方航天機構的飛船曾經造訪過距離地表 350 公里的國際空間站。

但是 SpaceX 並不只聚焦於美國政府訂單 (雖然它最主要的收入來自於政府合同), 只要付得起在行業里並不算昂貴的發射費用,SpaceX 願意為任何人發射衛星。

它的客戶包括本國的企業,比如 Facebook(很遺憾炸壞了祖柏克的衛星)、銥星公司、地理測繪公司 Maxar,也包括外國政府和公司,比如哈薩克斯坦政府、泰國政府、土庫曼斯坦政府、歐洲公司 Eutelsat、亞洲衛星控股、KT(韓國電信)、以色列公司 Spacecom 等。

事實上,SpaceX 的私營訂單和美國政府/軍事訂單的比例,幾乎達到 1:1;其發射的其它公司載荷的次數,比自家的星鏈衛星還要更多。

本次 Demo-2 發射任務,將會是自 2011 年美國正式退役航天飛機的 9 年以來,美國太空人首次在本土乘坐火箭進入國際空間站。

兩名太空人在 SpaceX 發射演示任務控制中心

當然,這並不是 2011 年以後美國人首次乘坐本土生產的太空交通工具上太空。去年 2 月,五名太空人乘坐私營航天公司維珍銀河(Virgin Galactic)的 VSS Unity 飛機進入了 51.4 公里高度的太空。

雖然這次飛行遠未達到所謂的軌道高度,不過倒是比 NASA 認證的太空起始點高了 1.4 公里。

說起私營航天公司,人們往往會提起 SpaceX、維珍銀河、藍色起源等,但從發射經驗上來看,實際上很少有其它公司可以和 SpaceX 相提並論。

維珍銀河(Virgin Galactic)

由維珍集團創始人理查·布蘭森爵士於 2004 年創辦。從公司架構上,維珍銀河是面向消費者的品牌公司,技術研發公司則叫做 The Spaceship Company(TSC),和另一家公司 Scaled Composites 合資開發了維珍銀河目前所用的飛船。

維珍銀河的方向和 SpaceX 不太一樣。

正如公司名稱所指,SpaceX(全名 Space Exploration)是一家太空探索公司,它能夠自主研發推進器,並且已經成功發射正規尺寸的運載火箭和太空船,未來的目標是登陸月球、火星,拓展載人宇航的邊界。

維珍銀河更像是一家太空旅遊公司,按照常用的界定方式,稱其為 spaceliner company。

截至目前,該公司的機隊規模只有兩架,而且正如前述,只能進行亞軌道飛行,也即衝出大氣層,到達不算太高的高度,畫出一個拋物線,再回到地球,無法執飛軌道任務。你也可以說這種只算觸到了太空的「皮毛」,不能算「真正」的太空飛行。

同時,維珍集團旗下還有一家小型衛星公司,名叫維珍軌道(Virgin Orbit),業務比較有限,疫情期間還開小差研制了一款呼吸機。

藍色起源(Blue Origin)

是另一家常被提起的私營航天公司。創辦於千禧年,比 SpaceX 還早兩年,而且創始人也是科技業大佬,亞馬遜的老闆傑夫·貝佐斯。

不過,藍色起源發了幾枚火箭和登月概念車(這裡的「發」,更多指的是發佈,而不是發射……),實際業務並沒什麼太大起色。該公司的發射經驗不算多,所有現役火箭型號都沒有實戰經驗。

藍色起源旗下擁有小型可回收火箭載具新謝潑德(New Shepherd),設計可以載人,八次無人測試,均成功發射、著陸和回收,;重型可回收火箭新格倫(New Glenn),2016 年發佈,對標 SpaceX 的獵鷹重型火箭,計劃 2021 年首次試飛。

去年五月,藍色起源發佈了斥巨資多年低調開發的大型模塊化登月飛船藍月亮(Blue Moon),具有載人能力,計劃在 2024 年之前讓太空人可以重返月球。

人類首次登月已經過去了半個世紀,為什麼要重返月球?貝佐斯指出,不管人類想要去太空中的任何地方,月球都應該成為第一站,成為人類太空活動的基地。他說的沒錯,畢竟月球的引力更小,沒有複雜的大氣環境,比地球發射更容易,而且月球上存在大量可製成氫燃料的永凍冰。

除了 SpaceX、維珍銀河、藍色起源之外,行業里還有一些不可小覷的私營公司,比如:

畢格羅宇航

成立於 1998 年,方向是民用空間站,或者可以說是太空酒店(創始人 Robert Bigelow 是美國廉價酒店連鎖老闆),以及商用空間站,用於接替原計劃於今年退役的國際空間站。該公司已經成功發射兩枚空間站組件 1)創世一號,2006 年發射,設計壽命 5 年,目前在近地軌道上;2)創世二號,2007 年發射,設計壽命 12 年,目前仍在軌道;

火箭實驗室(Rocket Lab)

成立於 2006 年,總部在加州,在新西蘭擁有自己的發射基地。其開發的輕型火箭電子號(Electron),可以將最高 150 千克載荷發射到最高 500 公里的軌道,已經執飛過多次商業發射任務。

當然, 以及波音集團旗下的波音綜合國防系統, 目前和 SpaceX 共同作為 NASA 最大的發射載具承包商。

(本文經 品玩 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈人类又一大步 SpaceX 商业载人发射全解析 〉。首圖來源:NASA Flickr

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