SpaceX 面临软着陆的残酷现实——这很难实现

凭借其猎鹰 9 号助推器的两次部分成功着陆尝试,这家私营公司正朝着制造完全可重复使用的火箭的目标迈进

 

今天下午,在佛罗里达州卡纳维拉尔角将有效载荷发射到太空后,SpaceX 的猎鹰 9 号火箭的第一级在垂直降落在位于大西洋的一艘无人驳船上时,几乎被载入了史册。据 SpaceX 首席执行官埃隆·马斯克在发射后不久发布的推文称,问题在于,助推器击中靶心时力度过大。

 

   

该公司一直希望实现更平稳的垂直着陆,以便能够翻新和重复使用猎鹰 9 号助推器,马斯克曾表示,这种策略可以将发射成本“降低多达一百倍”。尽管这种着陆方式长期以来一直是科幻小说的标配,但迄今为止,没有火箭能够完成这一壮举。SpaceX 此前在今年一月的尝试也以猎鹰 9 号助推器撞上驳船而告终。


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此次发射的主要目的不是测试火箭回收,而是将该公司的龙飞船送往国际空间站。此次发射是 SpaceX 根据与 NASA 签订的价值 16 亿美元的合同向空间站发送的 12 次补给任务中的第六次。龙飞船装载着近 2000 公斤的补给品和科学实验,完美地与猎鹰 9 号的第二级分离,并部署了供电的太阳能电池板。它应该在周五与空间站对接,并计划在约五周后返回地球,运回空间站的垃圾和其他废弃物品。

开发可重复使用的火箭有显而易见的原因。目前的主流范式是在仅使用一次后就抛弃发射载具的大部分或全部,航空航天专家偶尔会将此比作在单次飞行后就将喷气式客机扔进废品场。使火箭可重复使用,您就可以像飞机一样一次又一次地飞行,有可能使太空旅行像跨大陆飞行一样经济实惠且常规化。随着更容易进入太空的保证,地球的经济领域可能会扩展到太阳系的其他地方,从而带来人类历史的新黄金时代。至少,这是几代太空时代梦想家所持有的理论。但在实践中,尽管进行了数十年的协同努力,但迄今为止,尚未出现经济上可行的可重复使用太空发射系统——即使是 NASA 的大部分可重复使用的航天飞机也被证明问题太多而无法继续飞行。与之前的许多公司一样,SpaceX 打算改变这一切。而且,尽管其两次不太成功的软着陆尝试,但它似乎比其所有高尚但失败的前辈更有机会。

该公司已经有近 50 次发射任务在清单上,代表着近 50 亿美元的商业卫星发射、科学航天器和空间站补给任务合同。该公司计划最终将其火箭从太空返回到陆基发射场,而不是返回到海上的无人船上。它与 Google 合作开发一项全球宽带互联网服务,该服务依赖于数百颗小型卫星。它还在开发一种更强大的火箭,猎鹰重型火箭,以及升级的人工级龙飞船,这两者可以搭载宇航员前往地球轨道及更远的地方。马斯克曾表示,他希望将人类变成一个多行星物种,并计划在退休后在火星上退出火箭发射游戏。开发可重复使用的火箭对于这一切至关重要,但许多专家表示,即使 SpaceX 展示了成功的软着陆,在实现其宏伟计划之前,它仍然还有很长的路要走。

乔治华盛顿大学太空政策研究所 (SPI) 的太空政策专家约翰·洛格斯登 (John Logsdon) 表示:“可重复使用性一直是太空发射行业几十年来追求的‘圣杯’”,并且是 NASA 航天飞机计划的主要动机。但是,尽管航天飞机轨道飞行器和固体燃料火箭助推器是可重复使用的,但翻新它们需要一小队技术人员花费数月的时间,并且整个系统的高成本复杂性是两次轨道飞行器及其机组人员灾难性损失的关键因素。平均而言,在航天飞机计划的整个生命周期内,每次飞行的成本约为 15 亿美元——与 NASA 与 SpaceX 的整个 12 次飞行合同的成本相同。“问题不仅仅是可重复使用性,而是以低成本实现可重复使用,”洛格斯登说。“SpaceX 需要做的是展示频繁重复使用相同的猎鹰 9 号第一级,而无需在两次使用之间进行昂贵的维修。成功的着陆只是第一步。”

据行业顾问和前 NASA 宇航员 Leroy Chiao 称,除了证明低翻新成本外,SpaceX 还必须表明它可以有效地回收和重新认证其火箭。“最终,SpaceX 计划将助推器飞回发射场进行回收”,而不是将它们降落在驳船上,Chiao 说。他补充说,一旦火箭被回收和翻新,还必须重新认证才能飞行。“与翻新一样,必须正确设置此项,否则成本可能会非常高。” 因此,在 SpaceX 回收、翻新和重新认证了不止一个,而是多个猎鹰 9 号助推器之前,没有人会真正知道其对可重复使用性的追求在成本效益方面如何。
 
自从首次软着陆测试以来,该公司已经取得了巨大进展,当时一枚猎鹰 9 号助推器在波浪上方短暂盘旋后直接坠入大海。在 1 月份,在其首次尝试降落在 SpaceX 的“自主太空发射场无人船”上时,助推器在下降过程中失去控制,倾斜着陆,并在驳船上爆炸,SpaceX 首席执行官马斯克开玩笑地称之为“快速计划外解体”。



该公司将该故障归因于助推器的“超音速格栅翼”(在着陆过程中稳定助推器)液压油耗尽。对于今天的着陆尝试,该公司增加了助推器的液压油储备,并对驳船进行了维修和改造,以承受更大的海浪和更高的风速。在进一步调查之前,硬着陆的确切原因仍然未知,但这次火箭以直立姿态接近无人驳船,显然只是在触地后倾覆。
 
SPI 主管斯科特·佩斯表示,尽管对进步至关重要,但 SpaceX 的所有测试和调整可能会给该公司的短期业务前景带来问题。佩斯说,在 1 月份的尝试中,返回的助推器撞到 SpaceX 驳船上时,暴露了猎鹰 9 号着陆缺乏“中止模式”的问题。“如果你知道你无法控制飞行器的姿态(而他们确实无法控制),那么为什么要尝试降落在驳船上?这无助于火箭,反而会伤害驳船。”
 
佩斯补充说:“我认为 SpaceX 正在进行一系列创新实验,以实现第一级可重复使用的目标。” “创新实验带来的主要挑战是对提供任务保证的影响。每次发射都改变配置,很难对使用该飞行器进行高价值有效载荷感到有信心……客户并不关心重复使用实验,他们只是想知道这样做的尝试不会损害有效载荷。”

SpaceX 将在今年 6 月 19 日,该公司下一次向国际空间站运送货物补给时,再次尝试软着陆猎鹰 9 号助推器。

Lee Billings is a science journalist specializing in astronomy, physics, planetary science, and spaceflight, and is a senior editor at 大众科学. 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 大众科学, 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 大众科学 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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