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1、商业航天飞船成功对接国际空间站商业航天飞船成功对接国际空间站 2012-5-25 20:48 阅读(14.01 万)赞(7)转载(197)分享(41)评论(62)复制地址举报更多 上一篇 |下一篇：针锋未必相对的巴.2012 年 5 月 22 日美国太空探索公司(SpaceX)将在卡纳维拉尔角(Cape Canaveral)肯尼迪航天中心使用猎鹰九号火箭将龙式飞船送入太空，并在 5 月 26 日与国际空间站对接，这是美国航天局商业货运服务项目下太空探索公司的 第二次发射(Dragon COTS2)，还是私营航天公司首次进行航天对接活动，在人 类航天史上具有里程碑式的历史性意义。5 月月 19
2、日日 Dragon C2 飞船自卡角的飞船自卡角的 LC40 成功发射成功发射 龙式飞船是太空探索公司自行研制的太空飞船，这次发射的是第一艘全功能的龙式飞船。龙式飞船研制开始于 2005 年，是太空探索公司为竞争美国航 天局商业轨道运输服务项目研制的新型飞船，最初设计时计划为地球轨道上的 空间站提供增压和非增压货物运输，也可改进为载人飞船。龙式飞船长度 6.1 米直径 3.7 米，主要由三个部分组成：头罩，用于在火箭飞行的上升段保护飞 船尤其是前部的对接装置；飞船主体部分，包括增压货舱和服务舱，服务舱又 包括电子设备、姿态控制系统、降落伞等支持设备；非增压货舱，用于携带非 增压货物，同时外部包
3、括太阳能电池板和散热器。龙式飞船的主体部分是完全 重复使用的，而非增压货舱会在飞回再入前抛弃，这样的设计将极大降低飞船 的使用成本，是太空探索公司以较低价格竞争美国航天局合同的基础。 组装中的龙式飞船，可以看到正在向圆柱形的非加压货舱上安装太阳翼组装中的龙式飞船，可以看到正在向圆柱形的非加压货舱上安装太阳翼龙式飞船不仅具有高度的复用能力，其基本性能指标也相当出色。龙式飞 船自带推进剂 1290 千克，反作用控制系统包括 18 个甲基肼/四氧化二氮为推 进剂的天龙座发动机，这套系统既用于姿态控制，也用于轨道控制，未来增加 超级天龙座发动机，还将整合逃逸系统的功能。目前龙式飞船选用国际空间站 使用
4、的 CBM 对接系统，它对比俄罗斯的杆-锥或是异体同构周边系统，具有内 部通道直径大的优点，但需要机械臂协助驳接，未来载人版的龙式飞船将选用 美国自行研制的异体同构周边式 LIDS 对接系统，可独立对接。作为货运飞船， 龙式飞船的加压货舱体积 10 立方米，非加压货舱体积 14 立方米，具备上行最 高 6 吨、下行最高 3 吨的运输能力，其上行运力指标达到了 ATV 和 HTV 货运 飞船的水平，下行货运能力更是远超只有 150 千克下行货运能力的联盟号载人飞船。它的大体积增压货舱可以改为载人舱，做载人用途时龙式飞船可容纳最 多 7 名航天员，不过正常运输时只有 34 人。飞船的防热系统性能也
5、很出色， 使用了先进的酚醛浸渍碳烧蚀材料(PICA)材料，PICA 材料是美国星尘号探测器 首次使用的新型防热材料，太空探索公司改进后命名为 PICA-X。2010 年末龙 式飞船的第一次飞行(Dragon COTS1)的再入试验中，防热大底的 PICA-X 涂层 经受住了考验，实际烧蚀结果表明龙式飞船防热大底的设计余量很大，未来地 球轨道的飞船很可能使用更薄的涂层以减重。虽然龙式飞船选用了国际空间站 标准的对接机构，但具体的对接系统上仍有自主创新，设计制造了飞船的龙眼 (DragonEye)对接传感器和空间站的对应传感器，并自行研制了对接算法和软 件系统，不过自行研制的对接软件也成为这次发射
6、不断延期的罪魁祸首，好在 最后飞船捕获对接成功。龙式飞船内部容积比联盟或是神舟飞船大得多，对其容积这张图片给人以很直观的印象龙式飞船内部容积比联盟或是神舟飞船大得多，对其容积这张图片给人以很直观的印象龙式飞船具有很强的货运能力，尤其是下行货运能力是美国航天局偏爱龙 式飞船的重要因素，它可执行对空间站的多数货运任务，不过龙式飞船也有不 足之处，主要表现在非增压货舱容积较小，无法运输较大的货物。Dragon COTS2 是一次演示飞行而不是正式商业运输发射，但龙式飞船仍将携带包括食 品在内的 520 千克物资对国际空间站进行补给，返回时可能带回 620 千克货物。卡角的卡角的 SpaceX 公司机
7、库中，龙式飞船已经装配到猎鹰九号公司机库中，龙式飞船已经装配到猎鹰九号 F3 火箭火箭龙式飞船性能优越，发射它的猎鹰九号运载火箭的指标也相当不错。猎鹰 九号火箭是太空探索公司独立研制制造的中型运载火箭，目前使用的猎鹰九号 火箭为第二批次，长度 54.9 米直径 3.6 米，起飞推力 4940 千牛，起飞质量 333.4 吨，在卡纳维拉尔角发射可将约 10 吨的载荷送入 28.5的近地轨道，火 箭运载系数接近 3%。在现有商业火箭中猎鹰九号火箭的运载系数是相当出色 的，不过猎鹰九号火箭设计中的首要指标是可靠性，太空探索公司网站的介绍 中，提到“我们认识到没有什么比将客户的卫星或是其他航天器安全送
8、到预定轨 道更为重要”。为了满足这样的需求，猎鹰九号火箭设计上裕度很大，如箭体结 构强度的安全余量超过飞行要求 40%，比普通运载火箭的 25%高的多。为了提 高可靠性，猎鹰九号火箭还使用了多发并联的冗余设计，第一级并联九台默林 一型发动机。这样的设计有其理论依据，纵观过去数十年的发射，发动机直接 爆炸甚至引炸火箭导致任务失败的情况很少，而发动机推力下降等工作异常的 情况则多得多。太空探索公司认为多发并联发动机可以通过冗余设计实现更高 的可靠性，单台发动机失效时发射任务失败的概率更低。默林一号发动机是使 用燃气发生器循环设计的液氧煤油发动机，虽然比冲等性能低得多，但显著降 低了发动机爆炸等极端
9、情况发生的可能，高性能但也更加危险的高压补燃液氧 煤油发动机屡次爆炸，正是著名的三十台发动机并联设计的苏联 N-1 火箭失败 的主要原因。不过话说回来，太空探索公司研制燃气发生器循环的默林一号发 动机，更多还是着眼于降低成本的考虑，高压补燃循环的液氧煤油发动机的研 制和生产费用远远高于燃气发生器循环发动机。为了进一步降低成本，太空探索公司从设计之初就计划重复使用猎鹰火箭的箭体，原始设计中就带有回收用 的降落伞，不过目前两次回收都没有成功，重复使用仍然遥遥无期。目前一次 性的猎鹰九号火箭发射报价仅为 5400 万美元，在国际市场上具有很强的竞争 力。Elon Musk 是是 SpaceX 的创始
10、人，图为的创始人，图为 2009 年站在猎鹰九号火箭尾部附近的年站在猎鹰九号火箭尾部附近的 Elon Musk 作为龙式飞船和猎鹰九号火箭的研制和生产商，太空探索公司的创建颇具 传说色彩。创始人、公司现任总裁 Elon Musk 当年卖掉 PayPal 的原始股后已 经是亿万富翁，但他认为这个遍布核武器的世界过于危险，人类无法地外殖民， 文明灭绝的可能性很大。换而言之太空殖民不仅是人类扩展生存空间更是人类 能否存续的决定性因素。可惜各国航天机构都太过无能，远期的太空殖民和近 期的廉价进入太空，自然舍我其谁了，于是 2002 年他创立了太空探索公司。 不积跬步无以至千里，宏大的梦想也只能从基本的
11、项目做起。太空探索公司最 初只能依靠 Elon Musk 的私人资金艰难求生，曾用猎鹰一号火箭竞争过美国空 军快速反应办公室(ORS)不确定交付数量(IDIQ)发射合同，但合同金额不多而且 最终没能进行发射，为公司带来转机的，是美国航天局的商业轨道运输服务项 目。太空探索公司参与并在 2006 年得到了美国航天局的商业轨道运输服务项 目合同，不过太空探索公司的技术并非来自美国航天局。猎鹰系列火箭属于该公司独立设计的火箭，最早的猎鹰一号起飞质量只有 27 吨左右，地球低轨道 最大运载能力约 1 吨。猎鹰九号火箭地球低轨道运载能力虽然达到了 10 吨， 但发动机仍然是 50 吨推力、开式循环方式的
12、默林一号发动机，无论是火箭还 是发动机而言，都难入美国航天局的法眼。太空探索公司的默林一号发动机采 用了针栓式喷注器设计，这是美国汤普森-拉莫-伍尔德里奇公司(TRW)公司的 标志性设计， TRW 公司曾提供针栓式喷注器的小型发动机作为阿波罗登月舱 的下降段发动机，这大概是默林一号发动机和美国航天局技术上最直接的联系。 TRW 乖哦盖尼斯早在 2004 年就被诺思罗普格鲁曼公司收购，不过此前部分推 进系统的工程师跳槽到太空探索公司，以 TRW 公司预研的低成本发动机为基 础设计出默林一号火箭发动机。虽然技术上直接受益很少，但以太空探索公司为代表的一系列私人航天公 司仍得到了美国航天局的大力扶植
13、。2006 年美国航天局正式授予太空探索公司 和基斯特勒(Kistler)公司商业轨道运输服务项目的研制合同，其中太空探索公司 的合同金额为 2.78 亿美元，用于研制火箭和飞船。2007 年基斯特勒公司由于 进度滞后等技术问题频频亮红灯被取消资格，其研制合同被授予轨道科学公司。 太空探索公司的发展并非一帆风顺，猎鹰一号火箭 5 次发射的前 3 次宣告失败， 2008 年 9 月 28 日的第 4 次发射才首次获得成功，虽然太空探索公司 2008 年 4 月就宣布签订了 14 份商业发射合同，但发射预付款十分有限，首次成功发射 前 Elon Musk 的资金甚至到了山穷水尽的地步。2008 年
14、 12 月 23 日太空探索 公司获得了美国航天局的商业补给服务(CRS)合同， 12 次货运补给任务总价 值高达 16 亿美元，由于完成补给任务后美国航天局才会根据合同付款，这 16 亿美元对太空探索公司来说远水难解近渴，公司主要收入还是美国航天局授予 的开发合同。美国航天局最初与其签订的研制合同总价值 2.78 亿美元，根据研 制任务节点的完成情况进行付款，此外太空探索公司还得到了后续商业轨道运 输服务开发项目总价值 1.18 亿美元的研制合同。此前完成了 40 个节点后太空 探索公司已经拿到了 3.81 亿美元，如果本次发射和对接成功，美国航天局将支 付剩余的款项。鉴于这种生存状况，很多
15、人嘲笑太空探索公司只会通过完成研 制任务节点赚钱，言外之意是讽刺它以太空商业化为旗号，但却完全依赖政府 的政策性合同为生。从太空探索公司的发展，我们可以看出在航天等高技术高 投资的产业，即使是工业基础最雄厚、金融手段最发达的美国，新兴公司的发 展壮大也需要政府的直接扶植而不仅仅是创造一个良好的商业环境。美国政府的扶植是一方面，太空探索公司的表现也体现了自己的价值。尽 管它在商业发射市场上能否大获成功还有待时间的证明，但太空探索公司创立 仅仅 10 年、花费约 6 亿美元就研制出猎鹰九号中型运载火箭和龙式飞船，这 家私人公司的效率是足以让美国和其他国家的航天企业汗颜。猎鹰九号火箭的 发射报价要远
16、低于目前联合发射联盟(ULA)的 Delta II 火箭，而性能则有过之而 无不及。龙式飞船更是尽显这家公司的效率，美国航天局管理、洛克希德马丁 公司正在研制的多用途载人飞船(MPCV)研制总耗资将超过 60 亿美元，和龙式 飞船首次飞行测试内容基本一致的 MPCV EFT-1 飞行要到 2014 年才能进行。 更早的星座计划在取消前耗资超过 70 亿美元，但只造出一个地面测试的猎户 座飞船，进行了一次代号 Ares I-X 的演示飞行，而太空探索公司实现猎鹰九号 火箭的轨道发射和龙式飞船的轨道飞行与再入，耗资还不到星座计划的 1/10。 这种对比过于鲜明，美国航天爱好者们和部分媒体狂热追捧太空探索公司也就顺理成章了。美国政府禁止美国制造以及含有受美国 ITAR(国际武器交易规则)控制的部 件的卫星用中国火箭发射，导致中国长征火箭在国际商业发射市场被边缘化。 由于长征火箭的发射报价较低，欧洲泰勒斯阿莱尼亚卫星公司研制了完全使用 欧洲部件的通信卫星，搭配长征三号乙火箭参与竞争，但太空探索公司的出现 很可能给这种方式画上句号。太空探索公司的猎鹰九号火箭发射报价
