“复用”之路越走越宽

——航天史上首艘“二手”货运飞船升空/ 王宗玺

Space Exploration - - CONTENTS - □王宗玺

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——The First Second-hand Cargo Spaceship in History is Launched

北京时间6月4日清晨5点07分,美国太空探索技术公司(Spacex)利用旗下猎鹰9号火箭成功将同为该公司研发的“龙”飞船发射升空。该艘“龙”飞船执行的是第11次国际空间站货运补给任务。此次发射并不是一次平凡的发射,因为这次发射的“龙”飞船是人类航天史上第一艘重复使用的飞船。

一次不平凡的发射

在猎鹰9号火箭回收再利用之后, Spacex并没有满足于“二手”火箭的再次升空,他们又把一艘“二手”飞船送上了太空,而且还是一艘被海水浸泡过的飞船。这是一件前人从未做过的事情。

本次任务发射的“龙”飞船曾于2014 年 9月发射升空,与国际空间站对接并在太空停留34天后返回地 球,溅落在太平洋。

此次重复使用的是货运飞船的加压舱,非加压舱(也叫做Trunk)则是新的,因为它在每次任务结束后会在再入大气层时烧毁。

此次发射的“龙”飞船于6 月 5日与空间站交会对接,并于北京时间7月3日和空间站分离返回地球。“龙”飞船本次返航从站上带回了1850 千克货物,其中包括站上一项药物实验用的活体老鼠。这是Spacex 公司今年第二次飞往空间站的货运补给任务,也是猎鹰9号今年的第七次发射。

本次发射也是 LC-39A 发射台自“土星5号”登月火箭首飞以来的第100次任务,非常值得纪念,此前的发射包括11 次阿波罗任务、1973年发射的天空实验室、82架航天飞机(包括航天飞机首飞)和5 次 Spacex 的“猎鹰”火箭发射。

复用才是王道

说起复用,才是本文的正题。航天飞机作为复用领域的反面教材,无论是在其之前还是之后,人类航天史上众多的货运和载人飞船,除了苏联的VA飞船,都没有尝试过重复使用。

Spacex公司之所以敢“冒天下之大不韪”地再次吃螃蟹,将被海水浸泡过的飞船重新翻修使用,还是有其独家的视角的:其一为节约成本;其二为腾出人手和精力集中研发载人“龙”飞船(Crew Dragon);其三是因为马斯克本人对复用的执著信念。

说起省钱,相对于重新制造一艘全新的货运“龙”飞船而言,重复使用“龙”飞船,可以大幅度减少生产线的制造压力。这就好比相对于重新制造一辆汽车,翻修一辆泡过水的汽车能省下很多事情。复用飞船节省了大量人工和物料,虽然复用更换了部分被海水浸泡过的零件,但Spacex公司飞行可靠性副总裁汉斯表示这艘飞船绝大部分的零件都是“原装的”。众所周知,由于飞船发射和返回过程中要经受恶劣的震动、空间的辐射、再入的高温灼烧、还有海水的浸泡等,很可能在复用中导致设备和零件因疲 劳等原因失效。因此航天界之前对飞船的复用一直都相当谨慎,即使有类似计划,最终也都搁浅或者尚在开发中。但是汉斯表示,Spacex公司的工程师比对了 2014 年这艘“龙”飞船首次飞行中经历的结构载荷记录和组件在最初设计时留下的设计裕量,认为各个零部件仍具有足够的寿命和可靠性。Spacex公司技术人员在翻修中更换了几种被海水浸泡的零件,如电池和飞船的隔热大底,但船体、推进器、推进剂储箱、线路系统和一些导航电子设备都是原装的。从Spacex公司的表态来看,此次“龙”

飞船的复用比例相当高,尤其是飞船的发动机在经过海水浸泡后竟然能够再次使用。

美国宇航局的项目负责人在接受采访时并未透露此次任务价格相对于以往全新飞船是否有所下降(因为合同签订时并未约束采用全新飞船,所以理论上可以认为报价不变),这样一来 Spacex公司就可能攫取了更多的利润;或者也可能Spacex 公司像复用火箭一样给美国宇航局“妥协”了一个不可描述的折扣,那么如此一来,纳税人的钱也就得到了“拯救”。不过负责人表示,美国宇航局在“龙”飞船的翻修过程中与Spacex公司保持了紧密合作,两家对于此次复用都有信心。更有意思的是,项目负责人表示,如果未来复用火箭也能提供足够的安全记录的话,美国宇航局也可以考虑采用重复使用的火箭。这样一来,未来“二手”火箭+“二手” 飞船的组合将不再是梦想。除了节省经费之外,Spacex公司作为史上首个向国际空间站输送货物的私人航天公司,自2012年以来已经11次向空间站发射货运飞船。美国宇航局与SPACEX公司曾签订过CRS1与CRS2两个阶段的货运飞船发射合同,包括在 2024年前向空间站发射至少26艘货运飞船,这是美国现役货运飞船发射合同中次数最多的一家,也是 发射频率最高的一家。虽然与俄罗斯的“进步”系列飞船在总发射数上难以匹敌,但是从近几年来看,“龙”飞船已经撑起了国际空间站“快递小哥”中的“半壁江山”,与功勋卓著的“进步号”货运飞船平分秋色。此外,美国宇航局还与 Spacex 公司签署了另外一份合同,用于开发一种低成本、可载人载货通用、可复用的新式“龙”飞船,用来替代已经退役6年的航天

飞机,以摆脱俄罗斯“联盟号”飞船近乎“讹诈”的高昂船票。该项目名为“商业载人航天计划”。Spacex公司作为一家仅有5000 人的私营航天公司,未来同时维持两条飞船生产线太过艰难,为了腾出精力研发关键的载人“龙”飞船,Spacex公司只能精简掉货运“龙”的生产,而改用复用的方式。

或许5000人已经不算小公司了,但要知道,Spacex 公司面临着繁重的研制任务:一款以两周一发速度发射的现役运载火箭“猎鹰”9;一款有可能摘取现役运载火箭运力之王桂冠的新型火箭重型“猎鹰”;两款现役液体火箭发动机(Draco和Merlin);两款在研液体火箭发动机(Super Draco 和 Raptor);两座现役发射台(SLC-4E 和 LC39A);两座在建发射台(LC-40和德州新发射场);1款现役“龙” 货运飞船;1款在研的载人和货运通用飞船(载人龙和货运型通用);还有约 4500颗卫星组成的全球卫星互联网正在研发;当然,还有殖民火星使用的行星际运输系统正在设计迭代中。这样来看,Spacex 公司想要精简一条货运“龙”生产线也在情理之中。

马斯克的“执念”

Spacex公司在冒出复用这个想法的时候正好是人类历史上第一款可复用航天器——航天飞机退役后不久,也是人类对可复用航天器最绝望的一个时期,任何可复用太空运载系统的设计几乎都被怀疑。Spacex公司在可复用运载火箭这条道路上如此执著,一方面是因为航天飞机的思路暂时堵死了,可回收的运载火箭成了短期内唯一的救命稻草;另一方面,也是最 重要的,Spacex公司诞生的初衷是推动人类成为一个多星球物种,也就是说离开地球要像科幻电影中一样成为常态,火星则是他们设想中最靠谱的第一站。Spacex公司的终极目标是殖民火星,我们不去评判这个思路的可行性如何,以及未来能否有足够的资金支持这个疯狂的目标,但至少它的“掌门人”艾隆·马斯克对此十分执著。众所周知,可持续性的载人火星登陆任务堪称本世纪内载人深空探索领域皇冠上最耀眼的那颗宝珠,其巨大的技术难度和天文数字般的资金投入几乎不需多说。但是作为一个私营企业要完成这样一个近乎痴人说梦的目标,首先要做的就是想尽一切办法降低进入太空的成本,而且必须是根本性或者是数量级上的降低,这就注定了可复用的运载火箭是可持续性火星任务的最重要条件——没有之一。总之,重复使用航天器及其运载器是马斯克的执念。

此次“龙”飞船携带了合同规定的满载货物,其中包括为国际空间站准备的近 2724千克的物资和设备。Spacex公司曾经宣称后续CRS1 合同下的所有货运“龙”飞船均将采用复用飞船,但是最近改口称后续还有一艘全新飞船(预计于8月升空)。“龙”飞船的有效载荷清单包括美国宇航局的一个实验,研究快速旋转的中子星坍缩的超新星爆炸留下的超高密度恒星残骸。其他实验包括与啮齿类动物相关的实验,科学家们将用于帮助研究骨丢失和骨质疏松症的治疗方法,还有一种新的太阳能阵列,可以应用于未来的卫星,也可用于对地观测摄像平台。此外,还有北京理工大学的一项实验载荷,同时也是国际空间站上的首次中国实验。

总之,航天技术发展中“复用”这条路将越走越宽。毕竟,只有不惧风险,勇敢尝试的人才有资格征服太空!★

▲ " 猎鹰”9号托举“龙”货运飞船升空

▲商业载人计划标识

▲当年执行 CRS4任务时的“龙”飞船

▲姿态控制发动机

▲ “龙”飞船组成部分

▲载人“龙”飞船内部示意图

▲猎鹰9号火箭从 LC-39A 发射台升空

▲货运“龙”飞船的主体部分

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