2014年5月18日15时5分,一艘名为“龙”(Dragon)的太空舱溅落在加利福尼亚半岛附近的太平洋海域,激起巨大的水花,随即被早已准备好的船只打捞上来。太空舱内携带的近1.6吨物资安然无恙,其中包括一些太空科学实验样本。
这是“龙”飞船第三次执行美国国家航空和航天局的国际空间站供给运送任务,返航之前已经在太空停留了28天。它是唯一完成任务后还能安全返回地球的商用飞船。之前也只有美国、俄罗斯和中国三国政府曾以举国之力完成过此类壮举,而别的商用飞船在返程时都会在大气层里烧毁。这实在令人惊叹!它从研发之初到成功发射,再到安全回收,其间所有环节均由私人太空技术探索公司SpaceX独立完成。
“龙”飞船载着308人的骨灰
SpaceX是一家具有硅谷精神的创业公司,致力于研发更便宜的火箭发射技术以及承接商业太空运输业务,终极目标是在不久的将来把人类送上火星。用创始人伊隆·马斯克(Elon Musk)的话说,就是要把人类变成“跨行星物种”,登陆火星只是第一步。如此巨大的野心在普通人看来似乎是“不可能的任务”,然而了解SpaceX的人知道,该公司正通过“龙”飞船、“猎鹰”火箭(Falcon)和“草蜢”火箭(Grasshopper)一步步向目标靠近。这三个产品共同的技术改进关键点就是实现可重复使用,降低发射成本。
“龙”飞船可算得上是SpaceX的明星产品,屡次创下里程碑式的发射纪录。2010年12月8日,“龙”飞船首次试航成功,成为航天史上首个试飞之后又从地球轨道安全折返的私人商用航天飞船,举世瞩目。2012年5月22日,“龙”飞船正式发射进入太空,并在飞行三日后成功与国际空间站对接,成为历史上首个与国际空间站对接的商用飞船。鲜为人知的是,这次飞行有一些特别的“乘客”,就是运载火箭里携带的308人的骨灰,其中包括曾在《星际迷航》系列电视剧中扮演工程师斯科蒂的演员詹姆斯·杜汉(James Doohan)和执行了美国“水星计划”的宇航员戈登·库珀(L.Gordon Cooper),还有一位生前是资深科幻迷的华裔老人。SpaceX帮他们实现了在太空安息的愿望。
事实上,“龙”飞船设计的初衷就是载人飞入太空,并可重复使用十次。飞船舱体结构主要由鼻锥体整流罩、加压舱和非加压舱三部分组成。鼻锥体整流罩主要保护飞船在升空时不被压力和高温损害;加压舱约有11立方米的空间,可搭载货物,或者最多搭载7名宇航员,有效荷载约为3310千克;非加压舱的可利用空间约有14立方米,可搭载一些无须加压的货物。
SpaceX刚刚发布的第二代“龙”飞船看起来更像一艘科幻感十足的外星飞船。它的舱体侧面安装了推进系统,底部配置了可弹出的着陆支架,在返回地球时可以像直升机那样精确降落在任何地点,而不像第一代飞船那样只能靠降落伞溅落在海面。舱体侧面还设有供宇航员向外观察的大舷窗。另外,第二代“龙”飞船的SuperDraco推进器由3D打印而成,这是世界上首款投入使用的3D打印飞船引擎。按照SpaceX与美国国家航空和航天局的协议,“龙”飞船最快将于2017年实现载人飞行。
“猎鹰”运力了不起,“草蜢”腾空很高超
其实,“龙”飞船这次还夹带了一点“私心”,在执行美国国家航空和航天局任务的同时,顺便对其发射所用的运载火箭“猎鹰”9号第一级的可重复使用性进行了首次测试。“猎鹰”9号曾与“龙”飞船共同创造了商用飞船对接国际空间站的历史性时刻。
人类目前使用的火箭,尤其是固态燃料火箭,基本上被设计为一次点火,在完成发射任务后会坠入大气层烧毁。
“猎鹰”9号火箭的设计初衷是实现可重复使用。它是一款两级液体燃料运载火箭,它的可重复使用性主要是通过多次点火技术实现的。具体步骤为:在升空后3分钟内,“猎鹰”9号底部第一级火箭在与上面的第二级火箭分离之后,重新点燃若干发动机,这样它在下降过程中就可以减速;再过几分钟,第一级火箭在距离水面不太远的地方再次点燃一台发动机,这样就能以更慢更稳的速度降落。
作为私人企业研发的运载火箭,“猎鹰”9号的运载能力相当惊人。在美国卡纳维拉尔角发射场,“猎鹰”9号的近地轨道运力为10.45吨,同步转移轨道运力为4540千克,这是一项了不起的成就,而且从SpaceX成立到“猎鹰”9号发射成功,只用了不到10年的时间目前,SpaceX正在研发“猎鹰”9号重型火箭,其近地轨道运力将达到30吨,超过了中国正在研发的“长征”5号运载火箭的25吨。SpaceX希望在2020年研发出近地轨道运力达75吨的运载火箭,目的是探索太空更深处的天体。
“草蜢”火箭是SpaceX正在研发的另一款运载火箭,采用的是全新的垂直起降(Vertical Takeoff and Vertical Landing)技术,即火箭在发射后完好无损地自动降落在预定地点,其中关键的技术点还是发动机的重复点火,也就是动力调节。简单地说,“草蜢”就好像“猎鹰”9号的测试机,这些技术最终都要应用到SpaceX的载人航天项目中去。从2012年9月至今,“草蜢”共测试了7次,腾空高度也由最初的2米蹿升到744米。与“猎鹰”9号不同的是,“草蜢”还实现了空中悬停和偏向转移动作。它的体型跟“猎鹰”9号的第一级火箭差不多,约有10层楼那么高,可以想象,控制这种级别火箭的垂直升降和灵活转向需要多么高超的技术。因此,飞行姿态控制是“草蜢”的另一个技术关键点。