SpaceX首次載人龍飛船成功返回地球!一文讀懂所有細節

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北京時間2020年8月3日凌晨2點53分左右,執行首次載人試飛任務的SpaceX龍飛船成功濺落在大西洋麵上,標誌著世界商業載人航天新時代的開始。

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本次試飛主要是為了對載人龍飛船進行各項驗 證,透過評估之後,龍飛船將正式執行NASA與SpaceX簽訂的“商業載人專案”,預計首次正式載人飛行將在今年9月份進行,屆時將有四名宇航員飛赴國際空間站。

一、龍飛船返回地球的步驟有哪些?

二、龍飛船返回地球的最大難點是什麼?

我們知道,龍飛船在距離地面400公里的高度上繞地球高速運動,速度大約 7.66公里每秒,接近第一宇宙速度7.9公里每秒。

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你想想看,龍飛船在400公里高度上以如此之快的速度運動,要想讓它穩穩降落在地球上將是一件多麼 困難的事情,這也是所有從太空返回地球的航天器要經受的嚴峻考驗,尤其是載人返回,還是具有極高風險 的。

當龍飛船脫離國際空間站後,首先摒棄服務艙,然後擇機進行返 回制動點火,在地球引力的作用下返回地球。

這裡要簡單說一句,所 謂的服務艙,SpaceX使用的是Trunk一詞,而不是Service module,但從作用上看有點類似於服務艙,目前 尚無統一的翻譯。龍飛船的服務艙是非加壓的,可以搭載對氣壓不敏感的貨物。

在飛船返回地球的時候,首先要靠飛船自身的氣動阻力減速,這就要求其切入地球大氣的角 度非常重要。如果飛船進入地球大氣層時的角度過小,有可能像打水漂一樣重新彈回太空;如果進入地球大 氣層的角度過大,有被燒燬的可能,這種情況非常可怕。

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在飛船進入地球大氣層後,由於強烈壓縮其前面的空氣,造 成溫度急劇升高,溫度接近2000度,也就是說,飛船被一層高溫的等離子體包圍著。等離子體有一個特性, 能夠遮蔽電磁波,這就造成了飛船與地面控制人員無法進行通訊,這種情況可持續6到7分鐘,通常比喻為黑 色恐怖的7分鐘。

當我國“天問一號”著巡器明年初在火星上 降落時,也會同樣經歷恐怖的黑障時間。目前,人類對黑障時間仍無解,只能祈求多福了。

三、兩位宇航員是誰?去國際空間站幹了啥?

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參加本次試飛的兩位宇航員是:道格拉斯G赫爾利和羅伯特L貝恩肯,分別出生於1966年和1970年。

他們都是曾經三次進入 過太空,而且還都是執行過太空梭任務的老手。其中,赫爾利在太空中有超過683個小時的經驗,還執行過 2011年7月最後一次太空梭任務。

貝恩肯作為航 天飛機任務專家,曾先後執行2008年的和2010年的任務,累計在太空飛行時間超過 708小時,其中包括37小時的太空行走時間。

這次在國際空間站期間 ,貝恩肯也沒閒著,他和另一位在國際空間站上的美國宇航員Chris Cassidy一起進行了四次太空行走,為國 際空間站更換了6塊鋰離子電池,替換了老化的鎳氫電池,這些鋰離子電池是此前由日本貨運飛船運送來的。

其實,作為一次試飛,並沒有安排太多工,只要能平安返回地球, 就是最大的成功。

四、太空中的最大建築物:國際空間站

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國際空間站總質量達420噸,長109米,寬73米,是目前太空中的最大建築物。執行在距離地面大約 400公里的近地軌道上,速度為每秒7.6公里。

國際空間站是一個擁有 現代化科研裝置、可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室,為在微重力環境下開展科學實 驗研究提供了大量實驗載荷和資源,支援人在地球軌道長期駐留。

國 際空間站專案由16個國家共同建造、執行和使用,是有史以來規模最大、耗時最長且涉及國家最多的空間國 際合作專案。自1998年正式建站以來,經過十多年的建設,於2010年完成建造任務轉入全面使用階段。

目前,國際空間站主要由美國宇航局、俄羅斯國家航天集團、歐洲航 天局、日本宇宙航空研究開發機構和加拿大空間局共同運營。

五、具備自動對接能力的載人龍飛船

此前 ,我們已經瞭解,載人龍飛船屬於SpaceX研製的第二代龍飛船,具備可重複使用的能力。第二 代龍飛船可分為載人龍飛船和貨運龍飛船兩種,其前身是第一代貨運龍飛船。新飛船可以自動 與空間站完成對接,而不像第一代飛船那樣,需要藉助空間站上的機械臂的幫助。當然,載人龍飛船也保留 了人工對接的選項。

本次使用的載人龍飛船,直徑4米,高8.1米,最多可搭載7位宇航員,這與太空梭搭載的宇航員數量 相同,也與我國今年5月5日測試的“新一代載人飛船”設計上能夠搭載的宇航員數量相同。

六、具備全程逃逸能力的載人龍飛船

載人龍飛船整合有8個推力強大的“超級天龍座”火箭,火箭兩兩分組,安裝 在飛船的側壁,作為逃生使用,每個發動機的推力可達71千牛,換算成大家有直觀感覺的表示方式就是相當 於7.1噸的推力。此外,還裝有16個推力相對較小的“天龍座”發動機噴口,用於姿態控制和軌道機動。

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熟悉載人航天的朋友,可 能會留意到,無論是阿波羅登月火箭,還是我國的長征2F載人運載火箭,在火箭頂部都有個逃逸塔。逃逸塔 的作用就是在火箭發射起始階段,如果發生意外,可以啟動逃逸塔火箭,把飛船帶離到安全的高度,然後著 陸。如果發射一切順利,等火箭飛到一定的高度,逃逸塔會分離,然後丟棄。而載人版龍飛船相當於把逃逸 塔整合在船身上,這樣做有什麼好處呢?

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這種方式能夠使飛船具備“全程逃逸”的能力!也就是說,在飛船飛行的任何階段出問題, 都具備逃生能力,而逃逸塔只能保證火箭發射初始階段的逃生。這也是未來載人飛船逃逸的新方式。

七、龍飛船未來的載人飛行計劃

按目前的計劃,龍飛船的第一次正式飛行將安排在2020年9月份,屆時將 有四名宇航員搭乘龍飛船飛赴國際空間站,他們在那裡將停留6個月。

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如果一切按計劃進行,2021年上半年還將安排第二次正式飛行,那次飛行將使用 本次載人測試飛行的這艘龍飛船。

八、為什麼美國急切恢復 載人航天能力?

眾所周知,美國在1969年就完成了人類首 次登月,代表人類踏上了另一顆星球。阿波羅期間,總共完成7次載人登月發射,其中6次成功把12名宇航員 送到月球。唯一的阿波羅13號雖然沒有成功,但3名宇航員毫髮無損返回地球。

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1981年,美國又成功發射了第一架航 天飛機“哥倫比亞”號,一次就能把7名宇航員送上近地軌道。美國總共建造了5架太空梭,強大的運輸能 力為建設國際空間站立下了汗馬功勞!

但遺憾的是,挑戰者號航天飛 機和哥倫比亞號太空梭分別在發射和返回時發生了事故,導致總共14名宇航員罹難。5架太空梭失去了2 架,真是非常慘。其中的故事想必大家都已非常瞭解,特別是1986年挑戰者號太空梭爆炸的事件早已經編 入了教科書,這裡就不多贅述了。

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2011年7月21日,隨著阿特蘭蒂斯號太空梭在肯尼迪航天 中心的降落,整個太空梭全部停飛,從此,強大的美國失去了載人航天的能力。

今後飛國際空間站咋辦呢?這時,昔日的宿敵俄羅斯伸出了橄欖枝,俄羅斯有成熟可靠的載 人“聯盟”飛船。當然,這可不是免費的午餐。

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據說,剛開始的費用是每位宇航員2000多萬美元,最近NASA購買的2020年秋 天發射的一個座位,價格已經暴漲到了9000多萬美元。據統計,自從太空梭停飛以來,NASA已向俄羅斯累 計支付超過35億美元。

因此,NASA非常希望包括SpaceX在內的國內私 營企業能夠挑起大梁,讓美國再次獲得在本土發射載人飛船的能力。

九、NASA商業載人專案還有哪個公司參加?

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2014年9月,NASA選定SpaceX和波音公司參加商業載人 專案,分別獲得26億美元和42億美元的資助。波音公司製造了“星際航班”飛船運送宇航員, 但總體上進度稍落後於SpaceX。下面我們來簡單比較一下星際航班飛船與龍飛船有何異同:

1、容量相同:這兩個飛船具有相似的設計功能——每個飛船最多可以容納七 個人。

2、發射火箭不同:星際航班是用聯合發射聯盟公司的宇宙神五火箭發射升空。SpaceX公司正在使用自己的火箭獵鷹9號發射載人版 龍飛船。

3、返回場地不同:星際航班選擇透過氣囊輔助傘陸地降落; 龍飛船是在海上降落。

4、價格不同:SpaceX的發射更便宜。NASA監 察長11月釋出的一份報告指出,SpaceX公司載人飛船的每個座位發射成本約為5500萬美元,波音公司為9000 萬美元。從價格上看,購買波音公司座位的費用和購買俄羅斯聯盟飛船差不多,但畢竟波音是美國自己的公 司,這點比較重要。

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2019年12月20日,波音進行了一次星際航班飛船無人發射,目標 是與國際空間站對接。在飛行中,船箭分離正常。但令人遺憾的是,由於飛船在入軌機動過程中燃料消耗比 預期要多,與國際空間站交匯失之交臂,兩天後成功返回地球。

根據 計劃,2020年10月份,波音將再補一次星際航班飛船的無人測試發射,目標仍然是國際空間站。如果透過將 來這次測試,2021年將進行首次載人發射。

十、首次載人龍 飛船時間線

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北京時間5月31日3點22分:從佛羅里達卡納維 拉爾角航天中心發射升空。

升空後1分鐘:火箭達到最大氣動壓力。

升空後2分40秒:一級火箭分離,同時二級火箭點火。

升空後8分50秒:二級火箭熄火。

升空 後9分31秒:一級火箭降落在大洋漂浮平臺上。

升空後12分08秒:龍飛船與二級火箭分離,開始追逐國際空間站。

升空後19小時05分:龍飛船與國際空間站對接成功。

升空後21小時39分:對接艙蓋開啟。

升空後21小時59分:赫爾利和貝恩肯進入國際空間站。

升空後27天:第一次太空行走。

升空 後32天:第二次太空行走。

升空後47天:第三次太空行走。

升空後52天:第四次太空行走。

升空 後63天:龍飛船脫離國際空間站。

升空後64天:龍飛船返回地球,濺落在大西洋洋麵。

龍飛船首次載人試驗飛行的意義是什麼?

本次是NASA與SpaceX簽訂的“商業載人項 目”的組成部分。意義至少可以從三個層面來理解:

第一個層面,對於SpaceX公司來講,重要性毋庸置疑,本次試驗飛行是該公司的首次載人發 射,成功就意味著拿到了商業載人航天的入場券,未來前景無可限量;

第二個層面,對於美國和NASA來講,意味著自從2011年太空梭退役以來,再次恢復載人航天能力

第三個層面,對於整個世界商業航天來講,意味著揭開了商業載人航 天的帷幕,商業航天走進新時代。

探索和開發外太空是人類的共同願 望。今年,阿聯酋的“希望”號火星探測器,我國的“天問一號”火星探測器和美國的“毅力號”火星車相 繼發射,目前正在飛往火星的漫漫旅途中。

對於SpaceX創始人馬斯克 來講,載人登陸火星也是他的終極夢想,本次載人發射和成功返回也將促進夢想的早日實現。

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