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近地轨道永久驻留的飞船可能行动邦际空间站的“救生艇”

时间:2019-02-16来源:未知 作者:admin点击:
原标题:李会超:失去载人航天7年,美国为何把近地轨道交给商业航天 【文/ 科工力量专栏作者 李会超】 2011年7月8日,亚特兰蒂斯号执行了航天飞机计划中的最后一次飞行。自此之后,美国的国土上已经整整7年没有起飞过载人航天器。美国宇航员来往国际空间站需

  原标题:李会超:失去载人航天7年,美国为何把近地轨道交给商业航天 【文/ 科工力量专栏作者 李会超】

  2011年7月8日,亚特兰蒂斯号执行了航天飞机计划中的最后一次飞行。自此之后,美国的国土上已经整整7年没有起飞过载人航天器。美国宇航员来往国际空间站需要搭乘俄罗斯的联盟号飞船,并以每年水涨船高的价格购买“船票”。在暂时失去载人航天能力的7年多中,美国一直在积极进行下一代载人航天载具的研发。8月3日,NASA公布了参与商业载人航天任务的第一批宇航员名单,其载人航天的新策略也愈发明晰:将近地轨道交给商业航天,将自身的研发力量集中到星际载人飞行上。

  即将为NASA执行商业载人航天任务的两种飞船是波音公司研发的CST-100载人飞船和SpaceX公司的载人型龙飞船。

  相比于近几年频频抢占航天新闻头条的SpaceX,波音公司更为人熟知的业务是各类民航客机的研发。波音747、777、787、737等经典机型占据了国际民航业的半壁江山。然而在航天领域,波音公司也是老资格的“资深玩家”。早在阿波罗登月任务开展时,波音就作为承包商承担了重要的工作。土星5号火箭是登月成功的关键因素,苏联就因火箭设计不过关而输掉了登月竞赛。而提供土星5号起飞时高达35000千牛强大推力的火箭第一级,就是由波音公司制造的。后来,波音公司还兼并了曾经负责阿波罗飞船设计制造的北美公司、负责航天飞机轨道器设计制造的罗克韦尔公司等。

  目前,波音公司是美国“联合发射联盟”(ULA)的主要成员,其研发的Delta系列火箭承担了不少NASA和美国军方的发射任务。此次波音入选的CST-100飞船采用了比航天飞机简单得多的两舱式设计,其外观与不连接登月舱的阿波罗飞船十分相似。CST-100每次飞行最多可以搭载7名宇航员,每艘飞船可重复使用十次。在航天飞机之前,美国的阿波罗、双子座等载人飞船返回地球时均在海上被回收。而CST-100则首次采用了陆上回收的方式,由飞船在着陆时弹出的气垫提供缓冲。

  航天新秀SpaceX的龙飞船采用的也是两舱设计。龙飞船的货运型是第一种成功为国际空间站提供补给的商业航天。载人型龙飞船也被称为龙飞船2代,船一次最多可以搭载7名宇航员,具备十次左右的可重复利用能力。龙飞船的主要回收方式为海上着陆,但在预留了未来开发陆上着陆技术的空间。与CST-100相比,龙飞船的体态相对纤瘦,船舱直径较小,但船舱高度更高,因此船舱的实际容积与CST-100相差不大。此外,相比可以由多种美国现役火箭发射的CST-100,龙飞船未来将仅由SpaceX自己研发的猎鹰系列火箭发射。

  相比于将发射、货运、载人功能融为一体的航天飞机,CST飞船和龙飞船的结构要简单的多。这很大程度上来自于航天飞机计划中的教训:过于复杂的航天器将降低可靠性,增加每次发射前所需进行的工作量,使每次发射的费用飙升。在新一代飞船的设计中,设计师们意识飞船本身主要是航天员往返天地的运输工具,不要在载人功能之外为其赋予太多的其他功能。因此,NASA对新一代商业飞船提出的设计要求仅仅是能够安全的搭载宇航员来往于国际空间站。然而,结构简单的新一代飞船仍有一些超越航天飞机的指标。两种飞船均能在国际空间站上驻留210天以上,大大超过了航天飞机的12天。长期驻留的飞船可以作为国际空间站的“救生艇”,在紧急情况下撤回宇航员。

  在美国以往的航天器研发制造中,波音、格鲁曼等私营航天业巨头也会参与到项目中来,航天器的制造最终是由这些企业而不是NASA来完成的。但在研发过程中,NASA始终对航天器的设计保持控制,NASA的科学家和工程师会参与到研发、制造、测试和发射的各个过程中来,主导设计方案和技术路线的确定,并确保航天器的安全和可靠性。最终,制造出的航天器、其附带的知识产权和航天器的运营设施属于NASA,研发的全部预算也由NASA承担。

  由于航天活动的未知性和风险性,这种一切由政府买单的模式有助于推动新的航天技术发展,开辟新的探索领域。但在这种模式下,作为政府机构的NASA因官僚主义而导致的内耗增加了管理成本。由于项目的成败由NASA负责,承包商通过技术开发降低成本的动力不强,而几个大公司对航天业的垄断也使市场竞争的作用无法体现,使得NASA进行航天活动的成本不断增加,项目超支几乎成了一定要发生的事情。

  2009年,作为经济危机后美国重振法案的一部分,NASA开始了商业载人航天项目的运作。通过此项目,NASA不但可以再次获得去往国际空间站的载人发射能力,还能刺激本国的商业航天产业的发展。在这个项目框架下,NASA将选择性的资助一部分企业,开展近地轨道载人航天飞船的研发。与以往不同的是,企业拿到NASA的资助后,对飞船的设计拥有自主权,可以采用一切他们认为合理的设计方案和技术路线。同时,NASA只为自身的需求付费,且投资总额一般不足以完全支撑飞船研发,企业必须投入自身的资金到飞船项目中去。

  无论飞船研发最终的成本是多少,NASA的付费是固定的。在这种模式下,企业将自发的提高研发的效费比,并尽力进行成本控制。用NASA内部刊物的话说,“当花他们自己的钱时,企业往往会变得更加精明。“迄今为止,NASA已经在此项目上资助了波音约48亿美元、SpaceX约31亿美元。花完这些钱后,两家企业需要完成飞船的研发和各项测试,达到NASA对飞船提出的各项指标及安全可靠性的要求,执行去往国际空间站的一次载人测试飞行和至少两次一般载人飞行。

  同时,企业拥有飞船本身和飞船的附加知识产权。除了为NASA提供服务外,他们还可以使用飞船开展其他商业航天业务。波音在CST-100飞船上为未来可能出现的太空游客设置了座位,可以在执行NASA任务时顺便“捎”上付费的游客。而SpaceX则计划用龙飞船进行去往月球的太空旅游,载着旅客们飞行与地月之间的大椭圆轨道上,在飞掠月球时可以一睹与月球上的景致。

  目前,国际空间站等载人航天器都运行在距离地面约400公里的近地轨道(LEO轨道)上。对于美俄这两个拥有载人航天能力较早的国家,向LEO轨道发射载人飞船已是家常便饭,技术已比较成熟。在商业载人航天计划开始实施时,NASA提出的需求就是向LEO轨道上的国际空间站输送宇航员。在CST-100飞船和龙飞船研发的同时,NASA自己的猎户座飞船也在研发过程中,而这艘飞船则将目标瞄准了更远的星际飞行。

  猎户座飞船同样采用了两舱构型,可以搭载2-6名宇航员。未来,这艘飞船将主要承担去往月球、火星的深空飞行。在计划中的飞行任务中,猎户座将首先测试在地月转移轨道上的飞行能力和高速再入大气层时的防热能力。之后,它将承担起NASA的月球轨道空间站——深空门户的建设任务,运输航天员到月球附近。未来,NASA还计划将它与“深空栖息舱”进行组合,执行运载宇航员去往火星轨道的任务。在未来的计划中,NASA并没有安排猎户座飞船进行LEO轨道的飞行,表面NASA有信心将这部分任务完全交给商业航天。

  作为一艘深空飞船,猎户座需要实现不少LEO轨道飞行所不需实现的技术。例如,LEO轨道上飞行的航天器可以通过地面上的测控网和同步轨道上的天基测控卫星确定自己的位置,并与地面保持通信。而猎户座飞船一旦远离地球,就不得不依靠NASA的深空探测网络进行通信,使用深空测控手段来进行定位。为了以防万一,猎户座上还布置了一套应急的定位系统,宇航员们可以根据观测到的地球、太阳和恒星的相对位置独立确定自身位置。在深空飞行中,失去了地球磁场保护的飞船将承受比LEO轨道更加强烈的太阳高能粒子和宇宙线辐射。为了保证宇航员的飞行安全,猎户座飞船必须采用比LEO轨道飞船更先进可靠的辐射防护技术。 猎户座飞船的研发仍采用NASA的传统模式进行,目前已经花费了美国纳税人125亿美元经费。

  如果猎户座飞船计划和LEO轨道的商业航天计划均进展顺利的话,将为我们树立商业航天运作模式的示范:政府所属的航天机构可以将技术已经成熟的领域交给企业进行自负盈亏的项目运作,政府机构只根据需要采购航天服务、给予一定资助,而不再主导项目运作。这样一方面能够为政府节省开支,另一方面也能创造新的经济增长点,繁荣商业航天产业。此外,对于航天企业的扶持应该根据企业本身的技术能力有选择的进行。在NASA商业航天载人计划的CCDev1阶段中,共有多达36家企业提出了自己的方案,其中不乏一些PPT公司,而最终获得资助的仅有5家。在经过随后的CCDev2、CCiCap、CPC1、CPC2四个阶段的方案深化与遴选后,最终能够将飞船发射上天的只有资金和技术实力均相当雄厚的波音和SpaceX。

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