创造历史！SpaceX载人飞船返地球 一文读懂十大细节

首次载人试飞任务的SpaceX龙飞船成功溅落在大西洋面上，标志着世界商业载人航天新时代的开始。

视频：SpaceX龙飞船从国际空间站返回顺利入海 实拍着陆精彩瞬间，时长约3分12秒腾讯太空 文/乔辉北京时间2020年8月3日凌晨2点53分左右，SpaceX载人龙飞船成功溅落在大西洋面上，这是龙飞船首次执行载人飞行任务，这也标志着世界商业载人航天新时代的开始。（注：在海洋上的降落称为“溅落”，对应英文splashdown）。



图注：在四个减速伞的作用下，龙飞船缓缓降落在洋面上。



本次试飞主要是为了对载人龙飞船进行各项验证，通过评估之后，龙飞船将正式执行NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”（Commercial Crew Program ），预计首次正式载人飞行将在今年9月份进行，届时将有四名宇航员飞赴国际空间站。



图注：龙飞船被打捞到救援船甲板上。一、龙飞船返回地球的步骤有哪些？



1、宇航员进入龙飞船，飞 船舱门关闭。



2、国际空间站上的舱门关闭。



3、龙飞船自动脱离国际空间站。



4、龙飞船调整飞行轨道。



5、龙飞船丢弃服务舱。



6、龙飞船顶部的天龙座发动机点燃，进行脱轨制动。



7、龙飞船的鼻锥盖关闭。



8、龙飞船开始进入大气层，利用气动减速。温度可接近2000度。



9、在大约5.4公里的高度，两个引导伞打开，把速度降低到560公里每小时。



10、在大约2公里的高度，四个主减速伞打开，把速度降低到190公里每小时。



11、飞船溅落到海洋上，等待救援队到来。二、龙飞船返回地球的最大难点是什么？我们知道，龙飞船在距离地面400公里的高度上绕地球高速运动，速度大约7.66公里每秒，接近第一宇宙速度7.9公里每秒。



你想想看，龙飞船在400公里高度上以如此之快的速度运动，要想让它稳稳降落在地球上将是一件多么困难的事情，这也是所有从太空返回地球的航天器要经受的严峻考验，尤其是载人返回，还是具有极高风险的。当龙飞船脱离国际空间站后，首先摒弃服务舱，然后择机进行返回制动点火，在地球引力的作用下返回地球。这里要简单说一句，所谓的服务舱，SpaceX使用的是Trunk一词，而不是Service module，但从作用上看有点类似于服务舱，目前尚无统一的翻译。龙飞船的服务舱是非加压的，可以搭载对气压不敏感的货物。在飞船返回地球的时候，首先要靠飞船自身的气动阻力减速，这就要求其切入地球大气的角度非常重要。如果飞船进入地球大气层时的角度过小，有可能像打水漂一样重新弹回太空；如果进入地球大气层的角度过大，有被烧毁的可能，这种情况非常可怕。



图注：龙飞船进入地球大气层，峰值温度可接近2000度（ 艺术图）在飞船进入地球大气层后，由于强烈压缩其前面的空气，造成温度急剧升高，温度接近2000度，也就是说，飞船被一层高温的等离子体包围着。等离子体有一个特性， 能够屏蔽电磁波，这就造成了飞船与地面控制人员无法进行通讯，这种情况可持续6到7分钟，通常比喻为黑色恐怖的7分钟。



图注：明年，我国“天问一号”火星探测器进入火星大气层时的情景（艺术图）。当我国“天问一号”着巡器明年初在火星上降落时，也会同样经历恐怖的黑障时间。目前，人类对黑障时间仍无解，只能祈求多福了。三、两位宇航员是谁？去国际空间站干了啥？



图注：罗伯特L贝恩肯（Robert L. Behnken）和道格拉斯G赫尔利（Douglas G. Hurley）（左）在龙飞船内部。参加本次试飞的两位宇航员是：道格拉斯G赫尔利（Douglas G. Hurley）和罗伯特L贝恩肯（Robert L. Behnken），分别出生于1966年和1970年。他们都是曾经三次进入 过太空，而且还都是执行过航天飞机任务的老手。其中，赫尔利在太空中有超过683个小时的经验，还执行过2011年7月最后一次航天飞机任务（代号：STS-135）。贝恩肯作为航天飞机任务专家，曾先后执行2008年的（STS-123）和2010年的（STS-130）任务，累计在太空飞行时间超过708小时，其中包括37小时的太空行走时间。这次在国际空间站期间 ，贝恩肯也没闲着，他和另一位在国际空间站上的美国宇航员Chris Cassidy一起进行了四次太空行走，为国际空间站更换了6块锂离子电池，替换了老化的镍氢电池，这些锂离子电池是此前由日本货运飞船运送来的。其实，作为一次试飞，并没有安排太多任务，只要能平安返回地球， 就是最大的成功。四、太空中的最大建筑物：国际空间站



国际空间站总质量达420吨，长109米，宽73米，是目前太空中的最大建筑物。运行在距离地面大约400公里的近地轨道上，速度为每秒7.6公里。国际空间站是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室，为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源，支持人在地球轨道长期驻留。国际空间站项目由16个国家共同建造、运行和使用，是有史以来规模最大、耗时最长且涉及国家最多的空间国际合作项目。自1998年正式建站以来，经过十多年的建设，于2010年完成建造任务转入全面使用阶段。目前，国际空间站主要由美国宇航局、俄罗斯国家航天集团、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构和加拿大空间局共同运营。五、龙飞船具备自动对接能力和全程逃逸能力此前 ，我们已经了解，载人龙飞船属于SpaceX研制的第二代龙飞船（Dragon 2），具备可重复使用的能力。第二 代龙飞船可分为载人龙飞船和货运龙飞船两种，其前身是第一代货运龙飞船（Dragon 1）。新飞船可以自动 与空间站完成对接，而不像第一代飞船那样，需要借助空间站上的机械臂的帮助。当然，载人龙飞船也保留 了人工对接的选项。



本次使用的载人龙飞船，直径4米，高8.1米，最多可搭载7位宇航员，这与航天飞机搭载的宇航员数量相同，也与我国今年5月5日测试的“新一代载人飞船”设计上能够搭载的宇航员数量相同。载人龙飞船集成有8个推力强大的“超级天龙座”火箭，火箭两两分组，安装在飞船的侧壁，作为逃生使用，每个发动机的推力可达71千牛，换算成大家有直观感觉的表示方式就是相当 于7.1吨的推力。此外，还装有16个推力相对较小的“天龙座”发动机喷口，用于姿态控制和轨道机动。



图注：2020年1月19日， SpaceX成功进行了“飞行中止测试”试验。熟悉载人航天的朋友，可能会留意到，无论是阿波罗登月火箭，还是我国的长征2F载人运载火箭，在火箭顶部都有个逃逸塔。逃逸塔的作用就是在火箭发射起始阶段，如果发生意外，可以启动逃逸塔火箭，把飞船带离到安全的高度，然后着陆。如果发射一切顺利，等火箭飞到一定的高度，逃逸塔会分离，然后丢弃。而载人版龙飞船相当于把逃逸塔集成在船身上，这样做有什么好处呢？



图注：阿波罗飞船的逃逸塔。这种方式能够使飞船具备“全程逃逸”的能力！也就是说，在飞船飞行的任何阶段出问题， 都具备逃生能力，而逃逸塔只能保证火箭发射初始阶段的逃生。这也是未来载人飞船逃逸的新方式。六、龙飞船未来的载人飞行计划按目前的计划，龙飞船的第一次正式飞行（SpaceX Crew-1）将安排在2020年9月份，届时将有四名宇航员搭乘龙飞船飞赴国际空间站，他们在那里将停留6个月。



图注：龙飞船的第一次正式飞行（SpaceX Crew-1）将安 排在2020年9月份，届时将有四名宇航员搭乘龙飞船飞赴国际空间站。如果一切按计划进行，2021年上半年还将安排第二次正式飞行（SpaceX Crew-2），那次飞行将使用本次载人测试飞行的这艘龙飞船。七、为什么美国急切恢复 载人航天能力？众所周知，美国在1969年就完成了人类首次登月，代表人类踏上了另一颗星球。阿波罗期间，总共完成7次载人登月发射，其中6次成功把12名宇航员送到月球。唯一的阿波罗13号虽然没有成功，但3名宇航员毫发无损返回地球。



图注：1986年挑战者号航天飞机升空后爆 炸。



图注：2003年哥伦比亚号 航天飞机空中解体（艺术图）。1981年，美国又成功发射了第一架航天飞机“哥伦比亚”号，一次就能把7名宇航员送上近地轨道。美国总共建造了5架航天飞机，强大的运输能力为建设国际空间站立下了汗马功劳！但遗憾的是，挑战者号航天飞 机和哥伦比亚号航天飞机分别在发射和返回时发生了事故，导致总共14名宇航员罹难。5架航天飞机失去了2 架，真是非常惨。其中的故事想必大家都已非常了解，特别是1986年挑战者号航天飞机爆炸的事件早已经编 入了教科书，这里就不多赘述了。



图注：阿特兰蒂斯号航天飞机的返回标志着航天飞机时代 的谢幕。2011年7月21日，随着阿特兰蒂斯号航天飞机在肯尼迪航天中心的降落，整个航天飞机全部停飞，从此，强大的美国失去了载人航天的能力。今后飞国际空间站咋办呢？这时，昔日的宿敌俄罗斯伸出了橄榄枝，俄罗斯有成熟可靠的载人“联盟”飞船。当然，这可不是免费的午餐。



图注：俄罗斯的联盟号飞船发射。据说，刚开始的费用是每位宇航员2000多万美元，最近NASA购买的2020年秋天发射的一个座位，价格已经暴涨到了9000多万美元。据统计，自从航天飞机停飞以来，NASA已向俄罗斯累计支付超过35亿美元。因此，NASA非常希望包括SpaceX在内的国内私营企业能够挑起大梁，让美国再次获得在本土发射载人飞船的能力。八、NASA商业载人项目还有哪个公司参加？



图注：SpaceX的龙飞船和波音的星际航班飞船与国际空间 站（艺术图）2014年9月，NASA选定SpaceX和波音公司参加商业载人项目，分别获得26亿美元和42亿美元的资助。波音公司制造了“星际航班”（Starliner）飞船运送宇航员， 但总体上进度稍落后于SpaceX。下面我们来简单比较一下星际航班飞船与龙飞船有何异同：1、容量相同：这两个飞船具有相似的设计功能——每个飞船最多可以容纳七 个人。2、发射火箭不同：星际航班是用联合发射联盟公司（波音和洛克希德马丁公司的合资企业）的宇宙神五火箭发射升空。SpaceX公司正在使用自己的火箭猎鹰9号发射载人版龙飞船。3、返回场地不同：星际航班选择通过气囊辅助伞陆地降落； 龙飞船是在海上降落。4、价格不同：SpaceX的发射更便宜。NASA监察长11月发布的一份报告指出，SpaceX公司载人飞船的每个座位发射成本约为5500万美元，波音公司为9000 万美元。从价格上看，购买波音公司座位的费用和购买俄罗斯联盟飞船差不多，但毕竟波音是美国自己的公司，这点比较重要。



图注：2019年12月，波音的星际航班飞船在沙漠降落场降 落。2019年12月20日，波音进行了一次星际航班飞船无人发射，目标是与国际空间站对接。在飞行中，船箭分离正常。但令人遗憾的是，由于飞船在入轨机动过程中燃料消耗比预期要多，与国际空间站交汇失之交臂，两天后成功返回地球。根据计划，2020年10月份，波音将再补一次星际航班飞船的无人测试发射，目标仍然是国际空间站。如果通过将 来这次测试，2021年将进行首次载人发射。九、首次载人龙 飞船时间线



北京时间5月31日3点22分：从佛罗里达卡纳维拉尔角航天中心发射升空。升空后1分钟：火箭达到最大气动压力。升空后2分40秒：一级火箭分离，同时二级火箭点火。升空后8分50秒：二级火箭熄火。升空 后9分31秒：一级火箭降落在大洋漂浮平台上。升空后12分08秒：龙飞船与二级火箭分离，开始追逐国际空间站。升空后19小时05分：龙飞船与国际空间站对接成功。升空后21小时39分：对接舱盖打开。



图注：国际空间站上的三位宇航员与龙飞船上的两位宇航员（黑色上衣）相聚时的情景。升空后21小时59分：赫尔利和贝恩肯进入国际空间站。升空后27天：第一次太空行走。升空 后32天：第二次太空行走。升空后47天：第三次太空行走。升空后52天：第四次太空行走。升空 后63天：龙飞船脱离国际空间站。升空后64天：龙飞船返回地球，溅落在大西洋洋面。十、龙飞船首次载人试验飞行的意义是什么？本次是NASA与SpaceX签订的“商业载人项 目”（Commercial Crew Program）的组成部分。意义至少可以从三个层面来理解：第一个层面，对于SpaceX公司来讲，重要性毋庸置疑，本次试验飞行是该公司的首次载人发射，成功就意味着拿到了商业载人航天的入场券，未来前景无可限量；第二个层面，对于美国和NASA来讲，意味着自从2011年航天飞机退役以来，再次恢复载人航天能力；第三个层面，对于整个世界商业航天来讲，意味着揭开了商业载人航天的帷幕，商业航天走进新时代。



图注：未来SpaceX星舰飞船在火星上起降（艺术图）探索和开发外太空是人类的共同愿望。今年，阿联酋的“希望”号火星探测器，我国的“天问一号”火星探测器和美国的“毅力号”火星车相继发射，目前正在飞往火星的漫漫旅途中。对于SpaceX创始人马斯克来讲，载人登陆火星也是他的终极梦想，本次载人发射和成功返回也将促进梦想的早日实现。