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北京时间2024年9月10日下午17:23:49,美国太空探索技术公司(以下简称SpaceX)在肯尼迪航天中心LC-39A发射台,利用自家猎鹰9运载火箭,将载人龙飞船和4名宇航员成功发射升空。
本次载人发射任务名为“北极星‧黎明”,是一次非政府参与的私人航天任务,4名宇航员将在轨5天,期间将利用SpaceX自研的舱外宇航服(以下简称“舱外服”),开展人类首次无政府宇航员参与的“太空行走”(舱外活动),此外还将尝试与星链实施激光通讯,轨道高度也将刷新阿波罗登月后载人航天活动的纪录。
该任务由亿万富翁贾里德·艾萨克曼(Jared Isaacman)出资,是他与SpaceX合作的一系列独立的探索性载人航天任务的第一步,首要目的是验证SpaceX自研舱外服的可靠性,掌握舱外活动技术。
后续任务还将在此基础上持续探索和拓展SpaceX的独立载人航天能力,甚至可能接下在轨维修哈勃太空望远镜的任务,并最终使SpaceX具备独立月球和火星表面活动能力。
对于SpaceX公司而言,这次任务可以说是除研发星舰外,向其载人登陆火星梦想前进的又一小步。
北极星‧黎明任务出舱CG图 | SpaceX
任务的核心——自研舱外服和太空行走
不同于一般商业太空游,这次的4名宇航员虽然不是政府指派,但没有一位是单纯的游客,都有重任在身。
任务指令长由金主艾萨克曼本人担任。这不是他第一次上太空,早在2021年,他就曾资助过“灵感4号”(Inspiration4)全平民航天任务,并作为指令长实现了太空飞行梦想。
乘组中的另外3人是:
飞行员斯科特‧波蒂特(Scott Poteet),美国空军退役飞行员,艾萨克曼的创业伙伴,曾任“灵感4号”任务总监;
任务专家莎拉‧吉利斯(Sarah Gillis),SpaceX首席太空运营工程师,曾经负责培训“灵感4号”的4位平民宇航员;
任务专家兼医疗官安娜‧梅农(Anna Menon),曾在NASA任国际空间站生物医学飞行控制员,现任SpaceX任务总监,负责管理龙飞船的制造工作,并担任机组通信操作员。
有SpaceX公司员工乘坐自家的载人龙飞船上太空,这还是破天荒的头一回。
北极星‧黎明任务乘组,从左往右依次是:艾萨克曼、吉利斯、梅农、波蒂特,他们身后便是执飞此次任务的坚韧号载人龙飞船 | 北极星计划 / John Kraus
此次任务中,他们将测试一系列新技术,完成北极星‧黎明任务有四大主要内容:高轨载人飞行、首次商业太空行走(出舱活动)、基于星链的激光太空通信、太空健康影响研究。
其中最具亮点和观赏性的就是首次商业太空行走,这里的“商业”,是指太空行走活动不是由政府资助,而是由私营企业自筹资金自行发起。
众所周知,太空行走需要可靠的舱外服,作为一次“商业”活动,自然不能使用NASA提供的舱外服,因此这次出舱活动的实质就是验证SpaceX自研舱外服的可靠性。
这套舱外服继承了已有载人龙飞船的舱内服风格,满满科幻电影风,但内部增加和修改了不少细节。首先是关节部分应该采用了舱外服常用的硬壳结构,加之生命维持系统管路需遍布全身的布置需求,身体部分相对更加臃肿。
相对最早期设计图,颇有些“买家秀和卖家秀”的感觉,但这都是不可避免的。
SpaceX舱外宇航服的早期概念图(上)和实物图(下) | SpaceX
SpaceX宇航服的设计风格一贯始终,未来若独立研发登月服或登火服,大概率也是如此。
但要注意的是,此次任务中使用的舱外服,并未带有独立的生命维持系统,因此需要通过“脐带”与飞船时刻保持连接。
NASA经典的EMU宇航服独自漂浮在茫茫宇宙的景象,这回我们是看不到的。
不使用脐带,可独立的运行的EMU舱外服 | NASA
为配合这次出舱,载人龙飞船也做出了多项改造。
龙飞船是典型的两舱飞船,无法配备专门的气闸舱。本次出舱中,龙飞船将使用一种相对“古老”的出舱方式——全舱减压。整个飞船的返回舱将全部放气至真空状态。与太空环境压力平衡后,飞船顶部舱门打开,4名宇航员将同时暴露在真空环境中,但仅有艾萨克曼和吉利斯这两名宇航员交替执行出舱活动。
之所以说全舱减压“古老”,是因为这种方式主要在早期双子星计划、阿波罗计划和苏联早期载人航天任务中使用。航天飞机和组合式空间站兴起后,均配备有气闸舱,这种出舱方式就不再多见。
双子座和阿波罗计划时期,脐带式全舱减压出舱比较常见 | NASA
高轨飞行和太空薯片
众所周知,SpaceX的一贯风格就是高清直播一切,为向公众充分展现出舱活动的景象,两名出舱宇航员的头盔内特别增设了两个出舱摄像头。
我们有望通过主视角摄像头拍摄,经星链传输高清视频信号,实时看到出舱景象。
出舱的两名宇航员艾萨克曼(左)和吉利斯(右)的头盔细节 | SpaceX
为配合出舱活动,本次任务的轨道设计也别出心裁,将利用猎鹰9号和龙飞船全部运力,飞得比以往所有龙飞船任务都要高。
飞船的远地点最高高度将达到1400公里,是阿波罗计划后载人航天任务的最高高度。在这样的轨道上,飞船将穿过范艾伦辐射带的部分地区进行研究,以更好地了解太空飞行和太空辐射对人类健康的影响。
绕地7圈后,飞船会下降到近地点190公里、远地点700公里的轨道,以进行出舱活动。
出舱行走时,两名出舱宇航员每人将出舱15-20分钟。不同于正常飞行阶段的氮氧混合空气,出舱阶段宇航员呼吸的是100%纯氧。因此全舱减压前要进行排氮过渡,为此飞船增设了供氧设备和氮气充放系统,传感器也适应性增加和升级。
最关键的是舱门部分,增设了一套名为“天行者”(Skywalker)的辅助结构,便于宇航员在出舱过程进行固定和移动,同时舱门也增设了电机以便于开闭。
为本次任务增设的供氧设备 | SpaceX
出舱使用的辅助设备“天行者” | SpaceX
出舱任务结束后的次日,飞船还将利用星链进行激光通信测试。
龙飞船开放式货舱部分(Trunk)安装有一个激光天线,该天线会直接与星链卫星的激光星间链路进行通信测试,最终实现只依托星链的通信能力。
这项测试的目的,是未来减小对NASA手中已不堪重负的TDRS中继卫星的需求。SpaceX认为未来轨道上会有大量星舰在轨进行通信,摆脱带宽有限的TDRS势在必行。
包括这些测试在内,整个北极星‧黎明任务累计会有近40项科研实验项目。
本次任务中的激光通信示意图 | SpaceX
船上安装的星链设备,图源:SpaceX
还有一项特别载荷,就是多力多滋(Doritos)公司的“零重力”薯片,让宇航员在太空环境下也能安全地吃上薯片。
薯片虽然好吃,却是最容易产生碎渣的零食之一,飞船这种封闭的自循环环境一般都会避免这类食物。
该薯片则是专门针对飞船失重和封闭环境下生产的,不使用粉末状配料,而是覆盖一层油基涂层,且体积较小,可以一口吃下,能防止残渣在舱内漂浮。
四名宇航员拿着“太空薯片” | Doritos
当然,此次薯片搭载的核心目的是——打广告,这在以往NASA牵头的政府任务中是罕见的。作为一次商业航天任务,可以不像政府任务一样有各种限制和掣肘。
薯片上天后,品牌方得到了曝光,宣传了产品,增加了销量;SpaceX收到了广告费,降低了任务成本,还增加了任务噱头。
可谓双赢合作。
舱外服,没合同,降成本,自己搞
有趣的是,这次新意满满的载人任务,既不是响应NASA的合同需求,也不是受了NASA某些技术研发资金的资助,完全是自发的商业行为。可见SpaceX的技术发展已经局部超越了NASA对其服务提供能力的需求,对深空乃至地外天体载人活动有着主动诉求。
传统的舱外宇航服,因为主要为政府任务制造,需求量很少,定制设计,造价高昂,设计时对成本不敏感。
而SpaceX的任务宇航员接受采访时称,他们的宇航服未来要大批量制造,成熟后会生产几百、数千乃至上万套,不仅用于商业太空游,还可能用于月球表面,乃至殖民火星。因此设计时,在安全的基础上,成本和批量制造是要着重考虑的。
降低成本的手段上,SpaceX举了一个例子:舱外服的头盔相对舱内版增设了镀层,主要是反射舱外直射的强太阳光,以保护宇航员的眼睛。在以往的美系宇航服中,这层镀膜多以黄金为主,但SpaceX在设计时,从“成本控制+批量制造”两个角度出发,改成了“镀铜”,显出明显的铜色。而之前的舱内服,则没有这个镀层。
舱外服面罩(左)和舱内服面罩(左) | SpaceX
SpaceX在开发时还考虑到泛用性,结合了新材料、制造工艺和新的接口(卡扣)设计,为宇航员在宇航服加压状态下提供更大的灵活性,同时在非加压的普通穿着场景中保持舒适性。
除采用3D打印制造头盔外,头盔内还增设了摄像头和平视显示器(HUD),后者可提供宇航服压力、温度和相对湿度的信息。
该宇航服还增强了舱外活动期间的可靠性和冗余性,可开合面罩的密封圈从2层增加到4层,以帮助确保宇航服保持压力和密封性。
这套宇航服的最终设计目的,不只是服务于地球轨道,最终将衍生出独立舱外服、登月服、登火服,为后续的独立载人登月或载人登火提供支撑。
NASA:双保险也不保险啊……
事实上,NASA并非不需要新式舱外宇航服。
NASA现有的国际空间站EMU宇航服不仅年久失修,还出现了漏水问题,亟需换新,因此在2019年,NASA就编列了xEMU舱外服计划。
2022年,在阿尔忒弥斯登月计划中,NASA公开招标了两款月表舱外服,也就是登月服。而在此之前的2021年,SpaceX就公开表示可以为NASA提供舱外服。但作为近年的“标王”,SpaceX最终意外落选。
之后坊间传闻,并非其投标的登月服不合格或研发能力不足,只是NASA不希望过多地依赖SpaceX,以免造成垄断。一如早年NASA排除波音、洛克希德·马丁等军工巨头,而扶植当时初创的SpaceX和轨道科学技术公司(现已被诺格创新收购)一样。
NASA公布的xEMU舱外服 | NASA
最终,柯林斯宇航公司(Collins Aerospace)和公理空间公司(Axiom Space)双双中标登月服研发,秉承了NASA一贯的“双保险”策略,两家互为备份。
但双保险有时候也不是很保险,尤其是碰到不靠谱的承包商。前不久,柯林斯宇航公司宣布,将不再继续执行从NASA获得的宇航服研发订单,也不会再开发新的国际空间站宇航服,说白了就是——撂挑子不干了。目前仅剩下公理空间公司一家仍在继续研发登月服,好在进展尚可。
有趣的是,相比中标后退出研发的柯林斯,落标后SpaceX却并未停止研发登月服——即使NASA不给合同,即使未来宇航员走出星舰登月舱时不能穿自家登月服,SpaceX也要坚持搞。
这在美国航天研发企业中是很少见的。
此次北极星任务的舱外服,其实就是登月服部分设计的在轨验证,意图形成一套独立闭环的载人航天能力。
柯林斯退出后双保险策略失效,NASA是否会重新向SpaceX抛出橄榄枝,尚未可知。
真正的野望——拯救哈勃,星舰载人
如果本次“北极星-黎明”任务顺利,艾萨克曼和SpaceX后续还会安排两次难度更高的“北极星”系列任务,逐步提升SpaceX的独立深空载人活动能力。
NASA曾表示,欢迎商业公司探讨对哈勃太空望远镜进行维护、升轨和升级的可能,但也坦言没有额外资金支持这个项目,请有兴趣的公司“用爱发电”。从目前形势来看,如此有爱且有能力的公司只有SpaceX一家。第二次北极星任务有可能以为目标,但NASA尚未接受这一提议。
而北极星系列任务的最后一次飞行,将由SpaceX正在开发的星舰执行,将成为星舰的首次载人飞行,当然,只有在星舰经过大量测试和无人飞行证明安全后,此次任务才会成行。
北极星‧黎明任务不只是一次单纯的私营载人航天任务,而是SpaceX将载人能力延伸向深空乃至地外天体的“黎明曙光”。这次任务不仅是一次技术上的挑战,也象征着商业载人航天活动的新领域,将推动私人企业参与深空载人探索的步伐,并可能为未来的月球和火星任务铺平道路。
最难能可贵的是,这一系列高难度、高投入、高风险的载人任务,竟然是SpaceX脱离NASA资助和合同需求之外,基于自身企业愿景自行组织和完成的。可以说,SpaceX不仅是一家以完成合同,攫取利润为目标的航天承包商,也是一家有着诗和远方理想的企业。
虽然所谓的火星殖民梦依然飘渺而遥远,但我们肉眼可见,SpaceX确实在沿着这个方向一步步前进。