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SpaceX第三7回送往空间站的快递到了,解读天舟壹

文章作者:9159金沙游艺场 上传时间:2019-05-19

  随着MS-10飞船的事故,国际空间站再一次的被众人所关注。本次的MS-10飞船事故导致国际空间站的人员更替上出了不小的麻烦,但是正常的物资运输和在轨运行尚不会受到影响。

3月2日,SpaceX的载人飞船——龙号,在猎鹰9Block5火箭的搭载下,在肯尼迪航天中心发射升空,并于3月3日,和国际空间站对接。

解读天舟一号:不仅是送货那么简单

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  国际空间站是人类历史上最大的太空结构,也是史无前例的国际合作产品,它也因为耗费了一千五百亿美元而在人类历史上以昂贵著称。绝大多数的人都知道国际空间站的存在,但是人们却很少了解这个巨大而复杂的人工太空结构正在做什么,是什么维持着它的运行。

最近马斯克搞事情不断,继去年把特斯拉电动跑车送去火星后,这次他又将一个假人用自家的航天飞船——龙飞船,送上了空间站。

中新社海南文昌4月19日电 题:解读货运飞船:不仅是送货那么简单

北京时间5月6日19时,空间站的机械臂抓住了龙飞船。

图中的小黑点就是SpaceX的龙飞船。这是在日出时刻拍摄的。

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中国自主研制的首艘货运飞船“天舟一号”计划在4月20日至24日择机发射。在这位“太空快递员”启程前,相关专家受访时指出:货运飞船,不仅是送货那么简单。

来源:NASA TV

据外媒Cnet报道, 美国宇航局宇航员Anne McClain 周日在Twitter上发布了一张令人叹为观止的图像,并配文称:“人类太空飞行新时代的曙光。” 这张图像是在SpaceX载人龙飞船 Demo-1首次接近国际空间站进行对接时所拍摄的,展示了这个创造历史的测试任务。

  图为国际空间站的体型图(来源:NASA)

龙飞船又名天龙号飞船,是美国太空探索技术公司——SpaceX牵头研发的载人和货运飞船。当然,这次的试飞成功,并非马斯克一人的功劳,事实上,这是NASA和SpaceX共同合作的结果。NASA向SpaceX提供的相关技术和标准,更是传授了过去以来在安全方面的经验,这才促使了SpaceX的快速发展。相应的,私人企业的灵活性和优良的成本控制,为NASA提供了相对便宜的货运、载人和科学服务。为此,NASA与SpaceX签订了一份价值16亿美元的合同,未来龙飞船至少为NASA执行12次无人飞行任务,并为太空站运送补给物资。

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在多次推迟之后,SpaceX于2019年5月4日终于成功发射了龙飞船(Dragon spacecraft)。北京时间今晚19时,龙飞船载着超过5500磅的货物,被空间站的机械臂捕获。

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  国际空间站正在做什么?

龙飞船的试飞,可谓意义深远。自美国航天飞机2011年退役后,美国就失去了自主的载人航天能力,龙飞船的试飞成功,标志着美国在时隔8年后,再次拥有的天地运输能力,重新回到第一梯队。

4月17日7时30分,承载着长征七号遥二运载火箭与天舟一号货运飞船组合体的活动发射平台驶出总装测试厂房,平稳行驶约2.5小时后,垂直转运至发射区。闫宁 摄

北京时间傍晚17时30分,NASA TV直播了龙飞船和国际空间站的对接画面,安装报道定于北京时间晚21时开始。国际空间站上的宇航员将使用空间站的机器臂接住龙飞船,然后将它安装在空间站的和谐号节点舱(Harmony module)上。

McClain的照片揭示了地球的弧形水平线,载人龙飞船 Demo-1完美地成为光芒的阴影。自2011年航天飞机计划结束以来,美国就没有再从本土进行载人航天发射。而此次测试成为NASA商业载人计划的一个重要里程碑。

  运行了七千多天的国际空间站仍然在承担着科研任务,在NASA的官网介绍中,国际空间站拥有六个主要的工作方向。

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“货运飞船开创人类太空长期驻留时代。”国际宇航联空间运输委员会秘书长、中国航天科工集团公司二院二部研究员杨宇光说。

SpaceX第17次空间站货运补给

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  一是生物学和生物技术,在国际空间站的微重力环境下,细胞和组织的生长将于地球上不同。二是地球与空间科学,位于地球低轨道的空间站可以同时观测地球和太空,收集有用的数据。第三是物理学的,微重力也会提供独特的物理学研究效果,目前宇航员们正在研究无重力环境下的等离子体变化。第四个方向是工程学的,国际空间站通常会作为新的太空装置和技术的实验平台。

多年以来,美国向国际空间站运送人员和货物,均需要购买俄罗斯的载人航天服务。为此,美国需要为每个太空座位,花费8000多万美元。据了解,龙飞船可搭载7人,而俄罗斯的联盟号飞船和中国的神州飞船,座位数均为3个。龙飞船的座位数和当年的航天飞机旗鼓相当,又因为美国自我研制,可以想见,每个太空座位相较于俄罗斯的服务,便宜将不是一点两点。

1978年1月20日,苏联拜科努尔航天中心成功发射人类首艘货运飞船“进步一号”,并在发射两日后与在轨运行的礼炮六号空间站对接,为两名航天员送去1.3吨的食物、给养、零件备份和科学仪器,以及带去1吨的推进剂和氧气。

来源:SpaceX

作为SpaceX 载人龙飞船Demo-1测试任务的一部分,三名停留在国际空间站上的宇航局周日首次在太空中进入SpaceX乘员舱。

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现如今太空产业的蓬勃发展,得益于2009年,奥巴马决定鼓励美国民营企业进军太空市场,推动太空活动商业化,进而有了NASA和SpaceX的合作。随后,各私人航空航天公司如雨后春笋般冒了出来,形成了国家力量和私人公司共同开发的新局面。

杨宇光说,载人空间站运行轨道高度较低,大气产生的阻力会使空间站不断减速,导致轨道降低。以往空间站在耗尽自身携带的推进剂贮存量后便难以为继。

在2019年5月4日美国东部时间凌晨2:48(北京时间14:48),SpaceX开始了补给空间站的第17次商业货运任务,发射使用的是SpaceX 猎鹰9号运载火箭,发射地位于佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地(Cape Canaveral Air Force Station)的航天发射操作台40号(Space Launch Complex 40)。

虽然NASA发布了从发射到停靠的所有内容,McClain在国际空间站拍摄的SpaceX载人龙飞船 Demo-1图像应该是此次测试飞行中最令人难忘的画面之一。

  图为在BASSII(固体的燃烧和抑制)中拍摄的图像(来源:国际空间站指导手册)

在未来,天地运输的成本将进一步降低。目前,另一家太空技术公司维珍航空已经开始预售太空旅行的船票,一张票25万美元。而亚马逊创始人贝索斯的蓝色起源公司也开展了太空旅游服务。而他们的飞船,均可以提供6个座位。据某投资人表示,近地轨道的太空旅行的成本,预计到2030年左右会降到3万美元左右,这样的价位,相信对很大一部分人来说,都具有吸引力了。

“另一方面,直到今日环控生保系统也没有实现消耗品100%回收利用,意味着人类在太空长期驻留需要不断补充给养。”杨宇光说,自从进步号货运飞船出现,苏联便不断刷新人类在太空驻留的纪录,比如和平号空间站创造人类在太空连续驻留423天的“奇迹”。

在发射后的新闻发布会上,美国航空航天局休斯顿的约翰逊航天中心(Johnson Space Center)国际空间站运营与整合(International Space Station Operations and Integration)经理肯尼?托德(Kenny Todd)解释说:这次发射的成功远远超越了凌晨发射带来的疲惫。

这是一张将任务的所有部分联系在一起的美丽照片:地球、载人龙飞船Demo-1和国际空间站。

  第五个方向是研究人体学,其实就是研究航天员们自己,研究人类在太空环境下长期生活所产生的生理和心理变化,并基于此促进人类对自身的了解,并研发更多的实用医疗器械。

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中国航天科技集团五院研究员庞之浩说,最初的货运飞船都是从载人飞船演变过来,苏联对联盟号载人飞船进行改装,“拆掉座椅、环境控制与生命保障、返回着陆和应急救生等系统”,使进步号货运飞船每次飞行可送去2吨左右的物资。

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载人龙飞船Demo-1计划在国际空间站停留共五天,然后返回地球溅落在大西洋。如果一切顺利,那么NASA和SpaceX将会在年中尽早进行载人测试飞行。

  最后一个方向则是教育,国际空间站会进行一些简单的实验并向地面直播,这样的直播将有助于学生了解物理学和无重力环境。事实上,中国的神舟十号和天宫一号的对接时也展开了这样一次的太空小课堂。

而这,仅仅是开始,今年1月,马斯克在自己的微博上,晒出了SpaceX目前正在德克萨斯州博卡奇卡发射基地组装的星际飞船测试版的概念图,该飞船被命名为starship——星际飞船,即可实现星球之间旅行的宇宙飞船。

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从左到右:NASA新闻联络处的约书亚?尚托拉(Joshua Santora);NASA约翰逊航天中心国际空间站运行与整合经理肯尼?托德(Kenny Todd);以及SpaceX建造和飞行可靠性的副总裁汉斯?柯尼希斯曼(Hans Koenigsmann)。在5月4日SpaceX CRS-17发射之后,他们参加了肯尼迪航天中心(Kennedy Space Center)的新闻发布会,龙飞船将会在5月6日周一的时候抵达国际空间站。

NASA为什么这么热衷于扶持私人航天?

  国际空间站的补给从哪里来?

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4月17日7时30分,垂直转运的顺利完成,标志着“天舟一号”飞行任务正式进入发射阶段。张文军 摄

版权:NASA

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。

  国际空间站与地面的补给主要分为两个部分,一个是常规货物,包括食物、水、空气和研究设备,另一个则是人员交换,国际空间站的日常运行人数为两个远征小组共六人,宇航员们每三人一班的通过载人飞船进行运输。

在去年的国际宇航大会上,马斯克就发布过一款大推力火箭,名叫Big Falcon Rocket,简称BFR,意为“大猎鹰火箭”,命名真是简单粗暴。本次推特上所说的starship其实是BFR的上面那一级,而下面的火箭助推器叫做Super Heavy——超级重型,BFR并不过去火箭和飞船系统的放大版,而是更像火箭和飞船的融合体,仅上面的starship那一级,就可以实现地月飞行,加上super Heavy,可以实现地球——火星的飞行,以及更远的太空飞行。

此外,进步号飞船为空间站送去维修用的部件和新的科学实验仪器,使人们可以更灵活多样地安排新的科学实验,成为空间站效能的“倍增器”。

“如果你想要振奋起来,我想不出比看一次火箭发射更好的方法了,这绝对令人叹为观止,”托德说道,“我们真的很高兴能让龙飞船在这几天内成功升空。”

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。据说,刚开始的费用是每位宇航员2000多万美元,今天的价格已经暴涨到了8000多万美元。

  我们经常能在电视或者网络媒体上看到国际空间站能够种植蔬菜或者通过排泄物收集水分,这些虽然是真的,但是国际空间站的大部分食物和水都是来自于飞船。除此之外,货运飞船还会运输氧气、氮气、用于清除二氧化碳的化学原料等等。

BFR系统将取代SpaceX的支柱火箭——猎鹰9号。SpaceX公司每发射一枚猎鹰9号火箭收费约6200万美元,这枚火箭可以将重达25吨的有效载荷送入近地轨道。而马斯克预测,同样大小的有效载荷,starship的成本将“至少便宜90%”。同时,BFR一次可以搭载100名乘客,或者100吨货物,折算下来,每名乘客去火星的费用,将降至50万美元,甚至是10万美元。

进步号货运飞船经历多次改型,服役至今。统计称,从1978年的“进步一号”到2017年2月22日发射的“进步MS—05号”,苏联/俄罗斯累计发射了156艘进步号货运飞船。

成功进入太空之后,龙飞船已经位于既定的轨道上,飞船上的太阳能电池阵列也已成功部署,并开始获取太阳能。

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  所有的飞船发射进入空间站轨道之后都需要一段时间来调整姿态和速度并靠近空间站,最终他们将会被空间站的机械臂模块捕获,随后进行轨道对接。

我们可以看到,航天航空产业的主导者将不再只有国家力量,未来,更多的民营航天技术公司也将参与其中,无数像马斯克一样有着远大梦想的企业家,也将投身到无限前景的太空产业当中。在不久的未来,以BFR为代表的火箭发射成功,将成为人类历史的一个重大节点,届时大航天的时代,将真正向我们全体人类走来。

庞之浩特别提到,进步号货运飞船在1993年、1999年先后两次进行“人造月亮”实验:打开它携带的直径达22米的太阳伞,在距离地球350千米高的地方向地面反射一道亮光,其亮度相当于月球的两三倍。

“今天我们完成了一个漂亮的发射,这真的棒极了,” SpaceX构建和飞行可靠性(Build and Flight Reliability)的副总裁汉斯?柯尼希斯曼(Hans Koenigsmann)说道,“龙飞船已经就位,轨道飞行器状态很好,所有的花费都是值得的。”

因此,美国宇航局非常希望包括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。当然,SpaceX也是收费的,但价格比俄罗斯“联盟”飞船便宜,况且能够肥水不流外人田。除了SpaceX之外,美国宇航局还支持了波音公司的飞船建设工作。

  货运飞船的来源很多,多个国际空间站参与国家和商业伙伴可以发射货运飞船,其中包括俄罗斯的进步号、日本的HTV、欧空局的HTV、SpaceX公司的龙飞船、ATK公司的天鹅座飞船等等。

不过,单靠进步号货运飞船无法满足重量超过400吨、拥有6名常驻乘组的国际空间站运营所需。为此,欧洲航天局研制自动转移飞行器,日本宇宙航空研究开发机构研制空间站转运飞行器。

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因此,美国宇航局在各方面都给予SpaceX等私营企业的大力支持,在未来,也期望通过市场竞争,使载人航天的价格回到合理水平。这样,美国宇航局也能够腾出更多精力进行深空探索等更前沿的研究。

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杨宇光说,ATV的货运能力是“进步号”的三倍左右,但从2008年至2014年仅执行5次任务便“弃而不用”,只是将其推进舱用在美国新一代猎户座飞船上。HTV每次可为国际空间站运送6吨货物,其特点是在“货运飞船界”拥有最大舱门。从2009年9月至2016年12月,HTV成功完成6次任务,接下来将发展出低成本的HTV—X。

龙飞船运载的物资概览

  图为龙飞船结构图(来源:国际空间站指导手册)

美国政府在21世纪初提出“商业轨道运输服务”计划,旨在让私营公司研发用于空间站货运及乘组运输的航天器。美国太空探索技术公司的“龙飞船”、美国阿联特技术系统公司和轨道科学公司的天鹅座货运飞船、美国内华达山脉公司的追梦者航天飞机等“应运而生”。

版权:NASA

  这些飞船大多数是一次性的,因此他们坠毁在大气层之前还要执行另外一个任务——携带国际空间站的产生的各种废物,定点坠落进入太平洋来将其销毁。

杨宇光说,“龙飞船”与天鹅座飞船是目前仅有的正在使用的商业货运飞船,它们的共同特点是类似于HTV——被空间站机械臂抓捕再靠泊在国际空间站。

龙飞船将为轨道实验室提供科学数据、物资以及硬件,相关的科学实验包括NASA的二氧化碳在轨天文台3号(Orbiting Carbon Observatory 3,OCO-3)以及太空测试计划-休斯顿6号(Space Test Program-Houston 6,STP-H6)。

  另一方面则是人员的补给,不幸的是,本次失事的联盟号系列飞船是国际空间站使用的唯一的载人飞船系列。

庞之浩注意到,“龙飞船”采用热防护罩,是目前唯一可以重返地球并运回物品的货运飞船,因此备受青睐。截至2017年2月,“龙飞船”已进行10次商业补给任务发射。

OCO-3将被机器人安装在空间站日本实验舱曝露设施单元(Japanese Experiment Module Exposed Facility Unit)的外部,它将在那里测量并绘制来自太空的二氧化碳含量图,让我们能更深入地理解碳与气候之间的关系。

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对于中国来说,重约13吨、货运能力约为6吨的天舟货运飞船将开启空间站时代的黎明。“天舟”充分继承了“天宫一号”、“天宫二号”和“神舟”积累的技术基础,具备为空间站补加推进剂的能力,还具备较长时间独立自主飞行能力。

STP-H6则是一种X射线通信探究,将用于在太空中演示一种产生调制X射线(modulated X-rays)束的新技术。这项新技术或许有助于提供和深空探测器间的有效通信;或与高超音速太空设备(hypersonic vehicles)进行通信,因为传统的无线电通信会被等离子体保护套阻隔。

  图为联盟号飞船的结构图(来源:国际空间站指导手册)

航天专家还将视线投向更远的未来,例如建设月球基地或火星基地,必然需要降低货物运输的成本。“将月球基地的货物运输成本降低到近地轨道货运的水平,”杨宇光说,那将使人类进入“开发太阳系的新纪元”。

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  国际空间站最初设计时很大程度上都依赖于航天飞机进行人员运输,在航天飞机退役之前,国际空间站的载员也一直是七人。而随着航天飞机时代因为安全性和成本问题等问题落幕之后,俄罗斯的联盟号飞船成了唯一的运输手段。

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将用机器臂捕获龙飞船的两位宇航员

  不过,把鸡蛋放在一个篮子里显然是个错误的决定,NASA除了自己研发之外,也在试图让更多的商业公司参与到载人航天中。NASA研发了猎户座飞船,并在几年之后能够投入载人使用,SpaceX的载人龙飞船则有望在明年年初投入使用。

版权:NASA

9159金沙游艺场,  在本次失事事故之后,联盟-FG火箭被停用,空间站短期内无法获得新的联盟飞船,不过不用担心——国际空间站上永远会装备有足够所有成员离开的联盟飞船作为逃生舱。

龙飞船将花费大约四周的时间完成与空间站的对接,然后返回地球,并运回超过4200磅的研究数据、硬件以及宇航员用品。

  出品:科普中国

参考:

  作者:矛隼工作室

  监制:光明网科普事业部

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