马斯克再创航天历史!SpaceX首次载人航天圆满闭环,龙飞船海面溅落


北京时间8月3日凌晨2:48分, SpaceX 载人龙飞船在完成了首次载人飞行后成功溅落海面,商业载人项目的试验阶段正式宣告成功。

北京时间5月31日凌晨,SpaceX 在美国肯尼迪航天中心成功发射了载人龙飞船,实现了首次载人飞行任务,载着两名宇航员鲍勃 · 贝肯 (Bob Behnken)、道格 · 赫尔利 (Doug Hurley)前往国际空间站。

在空间站停留了63天之后,龙飞船载着两名宇航员于8月1日与国际空间站脱离,开始重返地球。

大约飞行19小时后,龙飞船开始执行脱轨程序,进行约11分钟的点火减速,重新进入地球大气层。最终在墨西哥湾海域溅落在太平洋上。

在长达2个月的任务中,SpaceX 载人龙飞船完成了基本的空间站对接任务、安全实现了载人往返国际空间站,宇航员也在这期间进行了多达4次的太空行走任务。

图 | 离开空间站前,宇航员打包好所有“行李”

事实上,直到飞船离开空间站,NASA 也还未定下飞船最终进入大气层、返回地球的具体时间。为了确保任务能够最终顺利完成,NASA 在最初的计划中设置了7个海域作为备选的降落地点,而具体的溅落时间也需要根据具体的天气而定。

也正因此,飞船在离开空间站前已经带足了3天的食物和水,为长时间的归家之旅做足了准备。除了宇航员和必要的补给,飞船里还装着此前带上空间站的两个人偶,以及一面见证了美国载人航天诸多历史的国旗。

图 | 马斯克出现在地面控制中心关注龙飞船返回

龙飞船最终安全返回,意味着 SpaceX 在载人飞船的开发中达到了新的里程碑,正式完成了试验阶段的所有任务。SpaceX 和 NASA 计划在今年9月进行新一轮的载人发射任务,将4名 NASA 的宇航员送上国际空间站执行太空任务,那也将是载人龙飞船在完成所有试验后,开始执行正式的商业载人飞行任务。

再入:载人飞行的最终考验

作为整个飞行任务的最后一环,载人飞船在重返地球进入大气层时,迎来最为惊险、刺激的挑战。

马斯克自己也说过,重返大气层是他“最大的担忧”。

图 | 重返地球详细过程

飞船在下落过程中的极端速度、与空气摩擦带来的高温是对飞船的一大考验,也是飞船返回过程中最危险的部分。

飞船返回的第一关是角度精准。当飞船在地球上方飞行、未进入大气层的时候,需要找到合适的角度 “钻” 进地球周围包裹的大气层。飞船高度降低的过程,也是重力不断增加的过程,如果再入角度过于陡峭,高度下降速度过快,可能直接影响宇航员的生命,巨大的空气阻力也可能威胁飞行器本身的安全。

而如果角度过小,飞船则可能在短暂接触大气层后,被大气层 “弹” 出去,回到地球轨道,意味着返回地球失败。

找好再入角度,龙飞船将以每小时2.8万公里(每秒7.5公里)的速度冲进大气层,这是音速的20多倍。在这样的速度下,飞船周围空气会被极度压缩、升温。

图 | 鲍勃 · 贝肯和道格 · 赫尔利执行太空行走任务

在进入大气层之后,飞船需要借助与空气的摩擦力,在短短几分钟内将速度从降至每秒数百米。

减速的同时也是温度急剧上升的过程,在最极端的情况下,周围空气的温度将接近2000摄氏度。

虽然这个过程没人能看到,也没有设备能将其记录下来。但从理论上说,飞船在这个温度下飞行,高温将让飞船开始发光发亮,像个大火球一样砸向地球。

而人类宇航员就坐在这样的 “大火球” 当中,与数千度的高温相隔一个飞船的外壁。SpaceX 采用了最新型的 PICA-X 材料作为隔热罩,在数千度的高温中保障舱内的环境安全,在此前的无人测试飞行里,经历了再入大气层的飞船,外观看起来像是烧焦了一般。

从原理上来说,飞船周围的空气分子也会在高温下分解成带正电荷的原子和自由电子,这就是所谓的等离子体。当一些分子重新组合时,多余的能量则会以光子的形式释放出来,让飞船周围的空气散发出琥珀色的光芒。

虽然看起来很漂亮,但这个发光现象带来的威胁不仅仅是高温,还会让整个飞船陷入断网的状态,这是真正的“飞行模式”。

这是因为飞船表面形成的高温等离子区会反射、削弱地面与飞船通信的无线电波,当无线电信号衰减至中断的时候,飞船和地面将在数分钟时间里完全失去联系,无从进行遥控和导航,这也被称为黑障现象。

处在黑障区内的飞船也将迎来返回阶段最危险的时刻。苏联曾在1971年6月执行一次载人飞行任务,飞船在返回时因压力阀门被震开导致密封性能被破坏,返回舱在进入大气层后发生泄漏,最终三名宇航员在急性缺氧、体液沸腾中死亡。如今的宇航员在返回阶段会穿上航天服,以求在发生泄漏的情况下,为宇航员提供最后一道生命保障。

最后的着陆阶段也同样有着潜在的安全风险。在返回的最后阶段,飞船按计划将同时展开四个降落伞,在美国佛罗里达州海岸以外的大西洋缓缓降落,最终溅落在海面上。宇航员的性命也被紧密地系在降落伞上。如果降落伞打开异常,飞船最终也可能以过高的速度 “砸” 在海面上,这和直接砸在地面上相差无几。事实上,波音正在开发的载人飞船 Starliner 就曾在测试中出现过降落伞打开异常的情况。

在龙飞船的降落伞环节,SpaceX 进行了有意的冗余设计,共四个降落伞,只要其中三个同时展开即能保证最终降落的安全性。与此同时,SpaceX 在飞行前已经对降落伞进行了数十次测试,保证飞船最终的安全降落。

SpaceX 拿下夺旗之战

飞船安全溅落在海面的一刻,意味着 SpaceX 首次载人飞行任务顺利结束,同时也意味着 SpaceX 最终在与波音的商业载人飞船竞赛中取得了最终的胜利。

在曾经的航天飞机退役后,美国为了重新开发载人飞船,重获载人飞行能力,NASA 在2010年启动了“商业乘员开发”(CCDev)计划,资助数家公司开发载人飞船。在这项计划的后期,SpaceX 和波音最终走到了最后,在开发商业载人飞船方面处处较劲。

而当年 NASA 官方为了增加竞争的趣味性和象征意义,还宣布第一个将宇航员送上国际空间站的公司将会得到一份大礼——一面美国国旗,这当然不是一面普通的美国国旗,而是一面见证了美国载人航天几十年发展的珍贵纪念物。

这场夺旗之战最终以 SpaceX 的胜利告终。

这面著名的旗子曾在1981年的首次航天飞机飞行任务中登上了太空。在近30年的航天飞机服役期间,空间站的建设任务也逐渐完成。

2011年,最后一次航天飞机任务中,这面旗子被重新带上了空间站,贴在了空间站的门口,旗子上写着:只有从美国本土出发登上空间站的宇航员,才能把旗子取下,从那时起,这面装在塑料袋中的美国国旗在空间站停留了9年时间,期间甚至还失踪了一段时间,后来才在空间站里被找到。

有意思的是,本次执行龙飞船载人飞行任务的道格 · 赫尔利恰好是最后一次航天飞机任务的宇航员,2011年,他所在的机组乘坐 “亚特兰蒂斯号” 进入太空,执行航天飞机退役前的最后一次任务,并亲手将这面旗子留在了国际空间站。

时隔九年,在开启了全新的商业载人航天时代之后,道格 · 赫尔利也亲手摘下了这面自己当年挂上去的旗子。

赫尔利说:“我们非常自豪,能够把它带回家”。

虽然现在这枚旗子已经归 SpaceX 所有,但道格和鲍勃 · 贝肯也都在这次载人飞行任务中写下了自己的历史,两人亲自将这艘载人龙飞船命名为 “奋进号(Endeavor)”,与美国第五架服役的航天飞机同名。他们表示,这是为了纪念2011年后美国重返太空的努力,也是为了纪念他们曾经的航天经历——两人第一次去往太空乘坐的都是“奋进号” 航天飞机。

“美国航天器最后一次与国际空间站对接以来已经九年了,能成为这九年奋进号飞船的一小部分,我感到非常荣幸。”道格 · 赫尔利说。

对这枚具有历史意义的旗子,SpaceX 也已经等候多时。早在9年前,SpaceX 就已经发推宣布开始夺旗。而在此次载人任务发射成功后,马斯克还重新转发了这条内容。

9年之后,SpaceX 终于如愿获得了这面旗子,不过按照目前的计划,旗子只会被 SpaceX 保存一段时间,美国已经在为接下来的登月任务作准备,届时,这面旗子还将在阿耳忒弥斯登月计划中继续前往月球。

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(责任编辑:赵亚萍_NN9005)

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