SpaceX 面臨軟著陸的殘酷現實——這很難實現

憑藉其獵鷹 9 號助推器的兩次部分成功著陸嘗試,這傢俬營公司正朝著製造完全可重複使用的火箭的目標邁進

 

今天下午,在佛羅里達州卡納維拉爾角將有效載荷發射到太空後,SpaceX 的獵鷹 9 號火箭的第一級在垂直降落在位於大西洋的一艘無人駁船上時,幾乎被載入了史冊。據 SpaceX 執行長埃隆·馬斯克在發射後不久釋出的推文稱,問題在於,助推器擊中靶心時力度過大。

 

   

該公司一直希望實現更平穩的垂直著陸,以便能夠翻新和重複使用獵鷹 9 號助推器,馬斯克曾表示,這種策略可以將發射成本“降低多達一百倍”。儘管這種著陸方式長期以來一直是科幻小說的標配,但迄今為止,沒有火箭能夠完成這一壯舉。SpaceX 此前在今年一月的嘗試也以獵鷹 9 號助推器撞上駁船而告終。


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此次發射的主要目的不是測試火箭回收,而是將該公司的龍飛船送往國際空間站。此次發射是 SpaceX 根據與 NASA 簽訂的價值 16 億美元的合同向空間站傳送的 12 次補給任務中的第六次。龍飛船裝載著近 2000 公斤的補給品和科學實驗,完美地與獵鷹 9 號的第二級分離,並部署了供電的太陽能電池板。它應該在週五與空間站對接,並計劃在約五週後返回地球,運回空間站的垃圾和其他廢棄物品。

開發可重複使用的火箭有顯而易見的原因。目前的主流正規化是在僅使用一次後就拋棄發射載具的大部分或全部,航空航天專家偶爾會將此比作在單次飛行後就將噴氣式客機扔進廢品場。使火箭可重複使用,您就可以像飛機一樣一次又一次地飛行,有可能使太空旅行像跨大陸飛行一樣經濟實惠且常規化。隨著更容易進入太空的保證,地球的經濟領域可能會擴充套件到太陽系的其他地方,從而帶來人類歷史的新黃金時代。至少,這是幾代太空時代夢想家所持有的理論。但在實踐中,儘管進行了數十年的協同努力,但迄今為止,尚未出現經濟上可行的可重複使用太空發射系統——即使是 NASA 的大部分可重複使用的太空梭也被證明問題太多而無法繼續飛行。與之前的許多公司一樣,SpaceX 打算改變這一切。而且,儘管其兩次不太成功的軟著陸嘗試,但它似乎比其所有高尚但失敗的前輩更有機會。

該公司已經有近 50 次發射任務在清單上,代表著近 50 億美元的商業衛星發射、科學航天器和空間站補給任務合同。該公司計劃最終將其火箭從太空返回到陸基發射場,而不是返回到海上的無人船上。它與 Google 合作開發一項全球寬頻網際網路服務,該服務依賴於數百顆小型衛星。它還在開發一種更強大的火箭,獵鷹重型火箭,以及升級的人工級龍飛船,這兩者可以搭載宇航員前往地球軌道及更遠的地方。馬斯克曾表示,他希望將人類變成一個多行星物種,並計劃在退休後在火星上退出火箭發射遊戲。開發可重複使用的火箭對於這一切至關重要,但許多專家表示,即使 SpaceX 展示了成功的軟著陸,在實現其宏偉計劃之前,它仍然還有很長的路要走。

喬治華盛頓大學太空政策研究所 (SPI) 的太空政策專家約翰·洛格斯登 (John Logsdon) 表示:“可重複使用性一直是太空發射行業幾十年來追求的‘聖盃’”,並且是 NASA 太空梭計劃的主要動機。但是,儘管太空梭軌道飛行器和固體燃料火箭助推器是可重複使用的,但翻新它們需要一小隊技術人員花費數月的時間,並且整個系統的高成本複雜性是兩次軌道飛行器及其機組人員災難性損失的關鍵因素。平均而言,在太空梭計劃的整個生命週期內,每次飛行的成本約為 15 億美元——與 NASA 與 SpaceX 的整個 12 次飛行合同的成本相同。“問題不僅僅是可重複使用性,而是以低成本實現可重複使用,”洛格斯登說。“SpaceX 需要做的是展示頻繁重複使用相同的獵鷹 9 號第一級,而無需在兩次使用之間進行昂貴的維修。成功的著陸只是第一步。”

據行業顧問和前 NASA 宇航員 Leroy Chiao 稱,除了證明低翻新成本外,SpaceX 還必須表明它可以有效地回收和重新認證其火箭。“最終,SpaceX 計劃將助推器飛回發射場進行回收”,而不是將它們降落在駁船上,Chiao 說。他補充說,一旦火箭被回收和翻新,還必須重新認證才能飛行。“與翻新一樣,必須正確設定此項,否則成本可能會非常高。” 因此,在 SpaceX 回收、翻新和重新認證了不止一個,而是多個獵鷹 9 號助推器之前,沒有人會真正知道其對可重複使用性的追求在成本效益方面如何。
 
自從首次軟著陸測試以來,該公司已經取得了巨大進展,當時一枚獵鷹 9 號助推器在波浪上方短暫盤旋後直接墜入大海。在 1 月份,在其首次嘗試降落在 SpaceX 的“自主太空發射場無人船”上時,助推器在下降過程中失去控制,傾斜著陸,並在駁船上爆炸,SpaceX 執行長馬斯克開玩笑地稱之為“快速計劃外解體”。



該公司將該故障歸因於助推器的“超音速格柵翼”(在著陸過程中穩定助推器)液壓油耗盡。對於今天的著陸嘗試,該公司增加了助推器的液壓油儲備,並對駁船進行了維修和改造,以承受更大的海浪和更高的風速。在進一步調查之前,硬著陸的確切原因仍然未知,但這次火箭以直立姿態接近無人駁船,顯然只是在觸地後傾覆。
 
SPI 主管斯科特·佩斯表示,儘管對進步至關重要,但 SpaceX 的所有測試和調整可能會給該公司的短期業務前景帶來問題。佩斯說,在 1 月份的嘗試中,返回的助推器撞到 SpaceX 駁船上時,暴露了獵鷹 9 號著陸缺乏“中止模式”的問題。“如果你知道你無法控制飛行器的姿態(而他們確實無法控制),那麼為什麼要嘗試降落在駁船上?這無助於火箭,反而會傷害駁船。”
 
佩斯補充說:“我認為 SpaceX 正在進行一系列創新實驗,以實現第一級可重複使用的目標。” “創新實驗帶來的主要挑戰是對提供任務保證的影響。每次發射都改變配置,很難對使用該飛行器進行高價值有效載荷感到有信心……客戶並不關心重複使用實驗,他們只是想知道這樣做的嘗試不會損害有效載荷。”

SpaceX 將在今年 6 月 19 日,該公司下一次向國際空間站運送貨物補給時,再次嘗試軟著陸獵鷹 9 號助推器。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大眾科學. He is the author of a critically acclaimed book, Five Billion Years of Solitude: the Search for Life Among the Stars, which in 2014 won a Science Communication Award from the American Institute of Physics. In addition to his work for 大眾科學, Billings's writing has appeared in the New York Times, the Wall Street Journal, the Boston Globe, Wired, New Scientist, Popular Science, and many other publications. A dynamic public speaker, Billings has given invited talks for NASA's Jet Propulsion Laboratory and Google, and has served as M.C. for events held by National Geographic, the Breakthrough Prize Foundation, Pioneer Works, and various other organizations.

Billings joined 大眾科學 in 2014, and previously worked as a staff editor at SEED magazine. He holds a B.A. in journalism from the University of Minnesota.

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