太空旅行不再神秘，SpaceX传奇助力美国再次领跑载人航天
* “中美友好互信合作计划”是由复旦发展研究院和丰实集团共同打造的中美关系研究的学术平台
8月2日，搭载美国宇航局宇航员鲍勃·本肯（Bob Behnken）和道格·赫尔利（Doug Hurley）的SpaceX载人“龙”飞船成功溅落墨西哥湾，标志着为期两个月历史性飞行任务的安全结束，为美国再次成为人类太空飞行的世界领导者铺平了道路。
此次飞行任务是SpaceX在获得美国宇航局（NASA）可进行国际空间站常规飞行认证前的最后一次重大测试，本肯和赫尔利在飞行期间检测了飞船的环境控制系统，显示器和控件以及机动推进器。如果NASA认证过程顺利，SpaceX将于9月下旬执行首个运行任务，将美国宇航局宇航员迈克尔·霍布金斯（Michael Hopkins），维克多·格洛弗（Victor Glover），香农·沃克（Shannon Walker），以及日本宇航员野口聪一（Soichi Noguchi）带到国际空间站。SpaceX还计划翻新此次测试成功的载人“龙”航天器，于2021年春季进行另一次载人飞行。
SpaceX传奇：
力图降低成本的太空“殖民”计划
SpaceX是一家提供商业和政府发射服务的美国太空探索技术公司。由南非企业家埃隆·马斯克（Elon Musk）于2002年创立，其目标是降低太空运输成本，实现火星的殖民化。SpaceX还是第一家实现在推进力下将火箭级定期返回地球重新利用的私人公司。它一直在进行定期往返国际空间站的货运，此次测试成功后将开始进行载人运输。该公司还在开发一种名为星际飞船的更大型载人飞船，以进行对火星的探索。
图 1 SpaceX“龙”飞船在墨西哥湾溅落。图片来源：NASA
SpaceX的成功与来自NASA的支持密不可分。在成立之初的几年，SpaceX是一个非常小的公司。马斯克曾在《商业内幕》的采访中说，2008年他投资的SpaceX和特斯拉都出现了资金短缺，他不得不在“拆分资产，但两家公司都有可能因为资金不足而倒闭”或者“投注给一家公司，让另一家公司破产”之间作出选择。幸运的是，2008年12月，Nasa向SpaceX授予了一份16亿美元向国际空间站运送货物和补给品的合同，马斯克的公司得以存活。
SpaceX向载人航天梦想的迈进则得益于NASA的商业载人项目（Commercial Crew Program）。2014年，NASA分别授予了SpaceX和波音公司价值数十亿美元的机组人员运输服务合同。尽管两家公司研发的航天器都已逾期多年，但SpaceX最终还是击败了波音，首先成功发射了载人航天器。波音公司曾于2019年12月首次试飞Starliner，但由于太空舱的机载计时系统出现故障，最终进入了错误的轨道，无法进行会合。
目前，SpaceX已经拥有了诸多明星产品：
猎鹰9号火箭（Falcon 9）
猎鹰9号火箭是由SpaceX设计和制造的可重复使用的两级火箭，用于将人员和有效载荷可靠，安全地运输到地球轨道及其他区域。猎鹰9号是世界上第一个可重复使用的轨道级火箭。可重用性使SpaceX能够重载火箭上最昂贵的部件，从而降低了太空访问的成本。
猎鹰9号的第一级包括9台Merlin发动机和铝锂合金储罐，其中装有液氧和火箭级煤油（RP-1）推进剂，该引擎最初为海上回收和再利用而设计。猎鹰9号在海平面上产生的推力超过170万磅。第二级则由单个Merlin真空引擎提供动力，以将猎鹰9号的有效载荷运输到所需轨道。第二级发动机在级分离后会点燃几秒钟，并且可以多次重启以将多个有效载荷置于不同的轨道上。级间是连接第一级和第二级的复合结构，容纳着允许第一级和第二级在飞行过程中分离的气动推动器。级间基座还装备有四个超音速格栅鳍，它们通过移动压力中心来在重新进入时定向火箭。
图 2 猎鹰9号在飞行中分离后的第一和第二阶段。来源：SpaceX
猎鹰重型火箭（Falcon Heavy）
猎鹰重型是现役推力最大的运载火箭。猎鹰重型火箭能够将近64公吨的重量举升到轨道上，其可承载的有效载荷是第二接近的运载火箭Delta IV Heavy的两倍以上。猎鹰重型火箭由三个猎鹰9号九引擎核心组成，其27个Merlin引擎在起飞时可产生超过500万磅的推力，相当于大约18架747飞机。
猎鹰重型火箭的第一级由三个核心组成。侧面核心或增强器连接在鼻锥，级间和八边形网上。起飞后不久，中央核心发动机将被节流。侧部核心分离后，中央核心引擎会节流回最大推力。猎鹰重型火箭充分利用了猎鹰9号的可靠设计，可最大程度地减少台架分离事件并提高可靠性。第二级的Merlin真空发动机在主发动机切断并且第一级核心分离之后将火箭的有效载荷送入轨道。
图 3肯尼迪航天中心的猎鹰重型火箭。来源：SpaceX
“龙”飞船（Dragon)
“龙”飞船最多可搭载7名乘客往返地球轨道及其他地方。它是当前飞行的航天器中唯一能够将大量货物返回地球的航天器，并且是第一个将人类带到空间站的私人航天器。
“龙”飞船的货舱不仅可以承载无压力的货物，还可以在上升过程中支撑飞船。货舱的一半覆盖着太阳能电池板，在飞行过程中以及空间站为“龙”飞船供电。直到进入地球大气层之前，货舱一直与“龙”飞船相连。“龙”飞船太空舱，也称为加压部分，可以运送人员以及对环境敏感的货物。 “龙”飞船配备了Draco推进器，可让飞船在轨道上保持机动，8个Draco液体发动机则作为发射逃生系统耦合在一起。
图表 6 “龙”飞船模型。图片来源：investors
星际飞船（Starship）
SpaceX的Starship太空船和超级重型火箭（统称为星际飞船）代表了一种完全可重复使用的运输系统，旨在将机组人员和货物运送到地球轨道，月球，火星及其他地方。星际飞船将成为有史以来功能最强大的运载火箭，能够将超过100公吨的卫星运载到地球轨道。
2018年9月17日，SpaceX宣布著名艺术策展人前泽佑作（Yusaku Maezawa）将成为公司2023年首位绕月飞行的私人乘客。这项为期一周的航行将为SpaceX星际飞船和超级重型火箭的开发提供资金，并成为普通人迈入太空的重要一步。
图 4 星际飞船底部的3个猛禽发动机。来源：SpaceX
商业载人项目：
美国航天史的转折点
经过几十年的发展，太空已经从冷战工具发展成为了一个私人公司如雨后春笋般涌现，新应用技术迅猛发展的领域。在此之前，只有NASA和其它政府机构掌握着通往太空的钥匙，但随着冷战的结束，NASA的经费一减再减，不再有足够的资金进行航天飞机这样的项目。政府的政策也开始发生改变。
“这全都与预算有关，”在1998年至2007年间执行了三次飞行任务的NASA宇航员詹姆斯·F·赖利（James F Reilly）解释说，“当我刚进入该计划时，资助我们所有研究和建造航天器的预算为320亿美元，1995年预算就从320亿美元削减到了250亿美元。仅仅几年后，它又被削减到大约185亿美元。”
2003年哥伦比亚航天飞机的爆炸进一步加剧了NASA经费的紧缺，美国载人航天计划发生了重大转变。2004年，乔治·W·布什总统宣布航天飞机将在国际空间站（ISS）建成后退役，美国将重新制造能够将宇航员送回月球的新型飞行器。让私营公司参与到国际空间站货物和人员的运输成为了NASA为了支付得起该计划必需采取的步骤。次年，时任美国宇航局局长的迈克·格里芬（Mike Griffin）宣布，国际空间站的建成将首次为常规货运和载人运输开辟商业机会。
2008年奥巴马上任后开始对载人航天计划进行审查，取消了布什重返月球的计划。但奥巴马政府仍然继续支持太空的商业化以及私人载人航天器的发展。2010年的《美国国家航天政策》为商业太空提供了有用的指导，这项政策的目标是激发有竞争力的国内产业参与到全球市场中，并促进卫星制造，卫星服务，空间发射，地面应用和创新创业的发展：“强大而有竞争力的商业航天部门对于太空的持续发展至关重要。美国致力于鼓励和促进响应美国需求，具有全球竞争力，并且能够提升美国在创造新市场和创新创业方面领导地位的美国商业航天产业的发展。
图 5 NASA商业载人计划早期的提供商和供应商。图片来源：NASA
在节省经费和促进商业航天部门发展的双重驱动下，NASA开始实施商业载人计划，在2011年航天飞机退役后不再自行制造航天飞机的替代品，而是将制造和运营近地轨道空间运输系统的活动移交给商业公司，从其购买服务。同年，NASA对商业载人项目进行了第一轮的50亿美元投资。
在NASA实施商业载人计划之前，载人航空器由雇用的航空承包商按照NASA的设计规范和运输系统标准进行建造。NASA的工作人员深入参与到航天器的处理，测试，发射和操作过程中，最终的航天器和运行基础设施由宇航局所有。包括“水星”，“双子座”，“阿波罗”等在内的载人航天器都以这样的模式制造和运行。
在商业载人计划下，NASA的工程师和专家与商业公司紧密合作开发安全、可靠且经济高效的低地球轨道载人运输系统。在开发和认证的合同阶段，每家公司被鼓励在满足NASA预定要求的情况下自由设计他们认为最有效的运输系统。在这一伙伴关系下，NASA的工程师可以洞察商业公司的建造和运营过程，同时合作公司可以获取NASA的技术专长和资源。最终的航天器和基础设施由商业公司所有和运营。
这一公私合作模式可以为NASA和美国带来良好的经济效益。市场竞争激励了竞标公司寻找低成本的设计和方案，商业公司向宇航局以外客户出售航班的做法则分摊了载人航天器的研发成本。同时，刺激市场的路径还可以通过开发新的宇宙市场促进美国经济的发展，将与该产业相关的工作带回美国。
此外，给予商业公司更多在制造和运行方面的自主性还有利于促进航天产业的创新，充分利用公私领域的优势资源。SpaceX的载人飞船就在用户体验、安全系数等方面有了很多创新。与先前的载人航天器不同，“龙”飞船用触摸屏替代了物理按键，设计了三种不同尺寸的座位，并使用塑形泡沫减轻起飞时的压力，同时还在设计上实现了“两项容错性”，在飞行计算机，推进器和航天器中任何两项发生故障时仍能将机组人员安全送回。
太空旅行不再神秘，
美国重新领跑载人航天
SpaceX飞船的顺利返航证明了NASA通过商业载人项目实现载人航天运输美国化的成功。美国有限电视新闻网（CNN）在《NASA－SpaceX飞行任务：宇航员在历史性任务结束后溅落》一文中指出，SpaceX的成功是NASA的一项重大胜利，NASA一直在争取建立更多的商业合作伙伴关系，这一成功证明了这是一种有效的签约路径。“龙”飞船成功降落后，马斯克在推特上表示：“当太空旅行变得和飞行一样普遍时，文明的未来将得到保证。”
SpaceX与NASA都对这一合作伙伴关系的重要性表示出认可。“龙”飞船返航后，马斯克即飞往休斯敦向宇航员致意。情绪激动的马斯克随后说道：“这是SpaceX和NASA全体工作人员令人难以置信的大量工作的结果”，“18年后，我们终于得以飞行”。
美国宇航局局长吉姆·布莱登斯汀（Jim Bridenstine）则在“龙”飞船成功溅落后的新闻发布会上说：“这对NASA来说是伟大的一天，对于美国来说也是如此。我们正在进入人类太空飞行的新时代，NASA不再是所有硬件的购买者，拥有者和运营者。我们将成为蓬勃发展的载人航天商业市场中诸多客户中的一个。
图 7 载人龙飞船及升空任务。图片来源：大公报
商业载人飞船载人的“首秀”还显示了人类太空运输的商业化转变，改写了国际商业航天市场的未来。本土航天企业的成功让美国重获载人航天能力，摆脱了对俄罗斯的依赖。自2011年“亚特兰蒂斯”号航天飞机退役之后，美国一直依赖俄罗斯联盟号火箭和航天器向国际空间站接送宇航员，每个座位的价格9000万美元。同时也让美国在经费和技术基础上向探索月球和火星更近一步。英国广播公司（BBC）通讯员乔纳森·阿莫斯（Jonathan Amos）在报道中写道，NASA与服务提供商签约的方式为政府节约了数十亿美元，这些经费可以用于包括阿尔忒弥斯计划在内的宇宙探索计划。英国独立报在《溅落！SpaceX和NASA宇航员创造历史》一文中指出，SpaceX的成功为将人类送往月球生活迈出了重要一步，从那里人类将继续向火星进发。
SpaceX低成本和高发射成功率的显著优势也让其在国际商用航天市场遥遥领先。以猎鹰9号为例，该系列全部火箭的发射成功率是97.1%，回收的成功率有83%，回收后的火箭复用成功率为100%。1970年至2000年间，向太空发射一公斤重量的成本大约在18500美元，当年美国航天飞机投入运行时，每公斤合54500美元。而对于SpaceX猎鹰9号来说，用于进入国际空间站的火箭成本仅为每公斤2720美元。如今新猎鹰9号发射一次需要6200万美元，如果用回收的火箭价格降至5000万美元，将远低于其他公司报价。在NASA对商业航天部门的支持下，未来还将涌现出更多像SpaceX一样具有竞争力的商业航天公司，这将有力地促进美国重新领头航天事业。
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