星际客机：小火箭聊美国波音公司的载人飞船计划
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小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共5735字，71图。预计阅读时间：40分钟。
公元2018年4月6日，美国宇航局NASA发布消息，正在与波音公司商议更改载人飞船合同的事情。
具体内容是：原定于在2018年11月份进行的搭载2名宇航员进行太空试验飞行的任务将推迟到2019年或者2020年再实施。不过，这个推迟是善意的，因为原来计划的是2人，进行为期2周的太空飞行试验。而1年或者2年后，试验升级为3人，为期6个月的太空飞行，另有大量的附近任务。
哈！3人，6个月！典型的国际空间站正式载人任务。
这让小火箭和所有熟悉国际空间站运营流程的好友们猜测到：NASA等不及了，或许要让波音的载人飞船在首次试飞的时候就执行国际空间站的正式载人任务！
本文，小火箭将要和大家一起探讨美国波音公司的星际客机计划。主要探讨如下几个方面：
星际客机的计划是怎么来的？
星际客机的总体设计情况；
星际客机的发动机；
星际客机的生产和试验情况；
小火箭对波音的技术成熟度的分析。
昂贵
公元2011年7月21日，美国所有的航天飞机完成了历史使命，全部退役。
小火箭在《小火箭讲述人类军用与商业航天发展简史》一文中，和大家分析过，换算成2018年的美元，航天飞机项目的总花费为为2285亿美元。
这是什么概念呢？
第二次世界大战期间的曼哈顿工程，召集了盟军方面几乎所有的顶尖科学家，完成了人类工程技术史上的壮举，造出了3枚原子弹，其总花费换算成今天的美元，为272亿美元；
将12位宇航员送上月球表面并平平安安地带回来，同时从月球挖回了380公斤土壤和岩石样本的阿波罗计划的总花费，换算成当前的美元为1608亿美元。
发现了什么？
航天飞机的总花费比造原子弹的曼哈顿计划与载人登月的阿波罗计划的总和还要多出405亿美元。这些钱足够再开挖4条巴拿马运河了。
航天飞机机队总共执行了135次太空飞行任务。其设计乘组数量为6人到8人。我们取平均数7人，将2285亿美元的总价平摊到每一位宇航员身上，得到：
航天飞机每个座位的成本为：2.42亿美元。
乘坐航天飞机进入太空要比乘坐飞船-火箭组合上太空舒适得多，因此在航天飞机依然在服役的时候，很多没有飞行员体格的人，只要身体健康并经过训练，也能够上太空。
在美国蒙大拿州的印第安人保留地的一所小学任教的女教师芭芭拉·摩根于2007年搭乘奋进号航天飞机进入太空，并讲授了人类有史以来第一堂太空科学课，当时她56岁。
不过，考虑到2.42亿美元的票价，美国宇航局还是动起了让俄罗斯帮忙送宇航员进入国际空间站的主意。
苏联-俄罗斯的联盟载人飞船与进步货运飞船系出名门，可靠性极佳。上图为小火箭绘制的苏联-俄罗斯系列飞船的谱系表。
而且，俄罗斯在接触到美国宇航局的时候，给出的宇航员天地往返的报价实在是太诱人了！
2006年，俄罗斯采用联盟火箭和联盟飞船为美国宇航局运送1位宇航员进入国际空间站，在太空等候6个月，再使用该飞船的返回舱将宇航员送回地面的一揽子任务，总报价为：
2500万美元！
对，你没看错！俄罗斯在2006年开始，就已经在以航天飞机发射单价的十分之一的报价来为美国宇航员提供天地往返的运送服务了。
当然，后来的事情很多人就知道了。2011年那个炎热的夏日里，航天飞机全部退役，温柔地迈入了历史的良夜。
从那时起，直到今日，放眼全球，能够将人类送入太空的国家，只剩下俄罗斯和中国了。要想让国际空间站继续维持在太空的长期有人值守作业，美国宇航局必须和俄罗斯的联盟飞船或者中国的神舟飞船进行合作。
美国人选择了依然和俄罗斯人合作。
正值俄罗斯与哈萨克斯坦就拜科努尔发射场的运营问题谈判的时候。执着的俄罗斯人一咬牙，与哈萨克斯坦签署了一个为期50年的租借合同，把拜科努尔发射场续租了下来，每年的租金高达1.15亿美元！
作为当时俄罗斯仅有能够将宇航员发射到国际空间站上的基地，这实属无奈之举。
背负这样的租金，而且手里握有准垄断资源的俄罗斯，对美国宇航局的发射报价拥有至高无上的定价权。
小火箭此时仿佛听到了刀砍砧板和镰割韭菜的声音。
上图是我根据小火箭数据库的统计，制作的俄罗斯联盟飞船对美国宇航局的报价。
单名宇航员（1个座位）的报价，从2007年的不到2500万美元，在2012年也就是美国航天飞机退役后的1年，翻番了，飙升为5000万美元。到了今年（2018年），这报价已经在上探8000万美元了！
嗯，涨成了十年前的3.2倍。
马克·吐温老爷子在他的成名作《汤姆·索亚历险记》里面，有过这样的说法：
“人类的行为有这么一个法则：那就是，为了要使一个大人或小孩极想干某样事情，只需要设法把那件事情弄得不易到手就行了。”
不知酷爱阅读的俄罗斯人有没有读过这段话，不过他们的确是这样做的。联盟飞船的价格连年飞涨，但是美国对俄罗斯飞船的依赖程度却又与日俱增。
联盟飞船内的凝视：2014年9月11日，一名宇航员从联盟TMA-12M飞船的舱内向外凝视。
这窘迫狭小的空间，容纳的却是人类往返天地间的伟大梦想。
也就是在这一年，NASA终于下定了决心，给了波音公司42亿美元的意向订单，同时也给了SpaceX公司26亿美元的意向订单。
NASA要求这两家公司各自拿出一款足够可靠的、足够经济的载人飞船。
SpaceX的货运版和载人版龙飞船，小火箭已经在去年《龙飞船：第一艘私人公司研发的宇宙飞船》和《厉害！龙飞船复活美国尘封多年太空圣地》还有《啥？龙飞船与空间站对接要靠麒麟臂？！》等系列文章中进行了详细分析。
在交待完毕波音公司的载人飞船项目的背景之后，我们接下来就看看NASA这42亿美元（小火箭联合会美国分部查证，已经落实的金额为6.209亿美元）和波音这家老牌儿军火巨头的技术基因的融合之下，将会诞生一款怎样的飞船吧！
总体
上图是小火箭前一段时间跨过大洋去拜会波音好友时在他们的地盘儿拍摄的照片。摄影：邢强，于2017年。
有别于其他第三方做的概念图，这是波音公司官方对星际客机StarLiner的展示，体现出了很多细节。
我们可以从地球的大小和视线的角度反推出场景描绘的是星际客机正飞行在400公里的空间站轨道上，其顶部用于和国际空间站对接的接口赫然在目，这正体现了该飞船未来的主要用途。
波音的星际客机飞船高5.03米，最大直径4.56米，加压舱容积为11立方米。
起飞质量为13.00吨。
从个头儿上来说，她比猎户座飞船稍小，但是比大名鼎鼎的阿波罗飞船和创新技术担当的SpaceX公司的龙飞船都要大一些。
按照设计，星际客机载人飞船能够容纳7人。
在飞行过程中，采用双层座椅，上3下4布置。
单纯从座舱成员容积率的角度来说，波音的设计师真是蛮拼的。比星际客机飞船小不了多少的阿波罗飞船只能塞得下3个人。
为了进一步方便大家直观比较未来美国载人飞船的3大中坚力量，小火箭花了些时间，找到了下图：
2015年2月2日，美国版本的龙抬头（大洋彼岸不用农历，只能入乡随俗了）。
在这个日子里，时任美国宇航局局长查尔斯·博登在美国肯尼迪航天中心的尼尔·阿姆斯特朗大厅里面，借助媒体向全社会解释NASA把钱都花在哪儿了。
当时，三大企业承接的NASA的载人飞船的实物悉数登场。
上图从左至右：波音公司的CST-100载人飞船（星际客机）、洛克希德·马丁公司的猎户座载人飞船、SpaceX公司的载人版龙飞船。
猎户座飞船是曾经的重返月球的星座计划的主角，后来星座计划搁浅，但是随着现在美国第四次提出重返月球计划，猎户座飞船得到了重生。
星际客机和载人版龙飞船则是可预见的未来几年，美国将会在国际空间站的天地往返活动中采用的载人飞船。
剖开的星际客机结构。可以看到，7名乘员的座椅和乘员活动区域占据了11立方米的内部空间的大部分。而氧气罐和姿轨控系统的瓶瓶罐罐主要集中在飞船大底附近。
作为生产过巨大的土星5号运载火箭的第一级和大量轰炸机、客机的老牌军火巨头，波音公司的生产能力还是有保障的。
工程师在组装CST-100星际客机载人飞船。
总装厂房全景。该厂房具备批量生产能力。
完成总装的星际客机载人飞船的耐压壳体。
2011年10月31日，波音CST-100星际客机载人飞船的耐压壳体入驻美国佛罗里达州的3号轨道器厂房。准备进行后续的总装工作。
小火箭要强调的是，这间厂房，见证了多架航天飞机的整修工作。这里留下了太多有关太空探索的美妙记忆。航天飞机的主发动机当年也是在这里被拆解和维护保养的。
2011年7月，航天飞机退役，在这间厂房进行了最后的整备之后，卸除了所有危险部件，泄放了所有液体物质，准备送入博物馆。
而星际客机的壳体，赶在航天飞机做最后的道别之前，入驻厂房，实现了美国天地往返运载器的无缝交接。
不过，可惜的是美国新版载人飞船的研制进度一拖再拖，导致到现在也没能让美国恢复载人航天的能力。
从2011年7月到2018年4月，眼看这就快整7年了，载人航天能力的缺失，让美国不得不接受俄罗斯连年疯长的报价。
不过，实际上，如果小火箭没有记错的话，这其实并不是美国第一次出现载人航天能力缺失的情况。
2011年到2018年，是美国载人航天能力的第二个缺口期。
第一个缺口期是什么时候？
答：是1975年到1981年的6年时间。
这张照片，摄于1975年。这是在卡纳维拉尔角发射场准备发射的一枚土星-1B运载火箭。这是美国上世纪70年代最后一次载人航天发射任务，也是阿波罗计划实际终结的象征。
直到1981年4月12日，通体洁白的哥伦比亚号航天飞机执行STS-1任务的时候，美国才终于再次拥有了能够将宇航员送入太空的飞行器。
小火箭觉得，当时哥伦比亚号里面乘坐的2位宇航员约翰·杨和罗伯特冒的风险是巨大的：
那是人类第一次在载人航天任务中，使用巨大的固体火箭发动机；
那是人类第一次在首次试飞一款航天飞行器的时候就执行载人任务。
在此之前，以及在此之后，通常都是让同款飞行器执行多次无人试验太空飞行任务，摸清楚情况再载人的。比如中国的神舟系列飞船，前4艘都是无人的，有了十足的把握，才从神舟5号开始执行载人任务的。
美国当年缺失了6年载人任务的执行能力，急于恢复的心情可见一斑，哥伦比亚号第一次点火奔向太空的旅程中，一反惯例，硬是带了两位宇航员上天。
小火箭风格：
当年的哥伦比亚号航天飞机执行首飞任务，带着两位宇航员在太空飞行了2天6小时20分钟53秒。
了解了这段历史，在2019年，也就是明年，当我们发现波音的星际客机在首次试飞的时候就带了三位宇航员奔向国际空间站执行正式任务的时候，也就不会太惊讶了。
那个时候，读过本文的好友们就可以这样说了：
美国这样做是有先例的，长期以来对载人航天能力的缺失让大家急于快速恢复载人发射，因此工程师们有很大的动力来冒这个险。小火箭早就说过啦。
动力
研制飞行器，需要动力先行，即使是新版的载人飞船往往也不会例外。
为了加快研制进度，节省研制经费，波音公司采购了当年洛克达因公司为NASA与洛克希德·马丁公司合作的先进低成本推进系统招标专项研制的RS-88发动机。
想到，当年洛克希德·马丁的得意之作（先进逃逸系统）的核心产品最终花落波音家，还是蛮感慨的。
上图为一台RS-88液氧乙醇火箭发动机正在马歇尔航天中心做地面热试车点火试验的场景。摄于2003年12月1日。
这段时间，该发动机重复点火16次，累计工作时间为55秒。
漂亮的马赫环
波音星际客机CST-100载人飞船的姿轨控发动机也是洛克达因出品的。这些发动机在2012年到2017年期间已经进行了大量试验。
试验
2012年4月，内华达州德拉马尔干湖，星际客机的等比例模型从高空被投放下来，在触地之前，硕大的气囊被压缩氮气充满，起到了良好的缓冲作用。
要注意，这些气囊充气的原理与汽车安全气囊不同。汽车里的安全气囊是发生碰撞后，快速引爆能够产生气体的固体药柱来充气的。
波音的星际客机载人飞船的气囊是触地之前由高压氮气瓶直接充气的。
波音星际客机载人飞船的3400米高空伞降试验也做好了。
小火箭觉得，这载人飞船的主伞配色有些淡雅的少女风格。
相较之下，当年阿波罗登月飞船的主伞配色就有些粗犷了。
既然说到了伞，小火箭就干脆比较一下美国过去和未来的载人飞船与俄罗斯、中国的载人飞船的主伞吧！
美国的过去：阿波罗载人飞船，见上图。美国的未来，星际客机载人飞船，见上上图。
这是俄罗斯的联盟载人飞船返回的样子，红白相间的降落伞与湛蓝的天空相映成趣。
中国的神舟飞船的主伞长什么样子？
小火箭满足你：
这是神舟飞船返回舱降落伞的样子，红色比联盟飞船要浓一些，而且还有蓝色。摄影：邢强。
这是我凑近一些拍的神舟飞船返回舱降落伞的样子，伞绳既轻又结实。摄影：邢强。
从波音CST-100星际客机内部向上看主伞的情形。
波音星际客机进行的一系列陆上坠落试验。
右侧那位是时任美国宇航局局长查尔斯·博登本人。可见NASA对星际客机载人飞船是相当重视的。
波音星际客机进行的一系列水面溅落试验，顺便把进出载人飞船的训练也给做了。
时任美国宇航局NASA局长的查尔斯·博登正在讲述美国未来的载人飞船计划。他侧后方就是波音星际客机载人飞船。
小火箭找到了博登老爷子年轻时候在航天飞机任务训练期间的照片，不禁感慨岁月如刀啊！
大面积触摸屏和物联网技术的发展，对航天飞行器内部仪表的影响是巨大的。
这是航天飞机的仪表盘，是不是很酷？但是如果要咱们来学习如何驾驶的时候，我们就有想找设计师过来谈谈心的冲动了吧。
波音CST-100星际客机的驾驶舱控制面板相对要简洁一些，大部分参数和操作，都能够通过大触摸屏来获取和实现。
分析
不知不觉间，这是本文数据图表制作和写作的第3天了。有关波音公司的技术成熟度分析或者说波音在航空航天领域涉足程度的简介，或许要放到小火箭的下一篇文章了。要不今天感觉又推送不了了。
通过营造舱内的照明氛围，为乘员提供舒适感，这种从波音客机尤其是787客机上得来的技术，直接转移到了波音的载人飞船上。
正在进行风洞试验的波音CST-100载人飞船模型。
波音对于未来量产CST-100星际客机载人飞船的概念图。
未来，波音CST-100载人飞船与国际空间站进行对接的示意图。
对了，有关该飞船非常值得一提的另外一点就是，波音已经和美国宇航局NASA达成了初步协议：未来在每艘向国际空间站运送宇航员的同时，能够保留1个座位。这个座位将会以非常有竞争力的价格向公众开放。
如果波音的这个计划得到落实，那么星际客机将会名副其实，承担起为来自民众的太空游客提供天地往返服务的重任。
说了那么多美国的载人飞船。文末，小火箭提一下中国的载人飞船吧！
预祝中国的新一代载人飞船研制顺利！在突破了第二宇宙速度返回、载人奔月、可重复使用三大关键技术之后，给大家带来更多的好消息！
新的太空探索的黄金时代，到来的节奏是可以的。一切刚刚开始，一切又恰如其分。仿佛春末夏初的枝芽，那抹刚刚摆脱了稚嫩，新鲜的，又不过分浓郁的生命的颜色。
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