SpaceX 創造歷史！載人飛船成功返回地球！這 10 大知識點你全知道嗎？
北京時間 2020 年 8 月 3 日凌晨 2 點 53 分左右，SpaceX 載人龍飛船成功濺落在大西洋麪上，這是龍飛船首次執行載人飛行任務，這也標誌着世界商業載人航天新時代的開始。（注：在海洋上的降落稱為「濺落」，對應英文 splashdown）。
▲ 圖注：在四個減速傘的作用下，龍飛船緩緩降落在洋麪上。
▲ 圖注：在四個減速傘的作用下，龍飛船緩緩降落在洋麪上。
▲ 圖注：載人龍飛船被打撈到救援船甲板上
本次試飛主要是為了對載人龍飛船進行各項驗證，通過評估之後，龍飛船將正式執行 NASA 與 SpaceX 簽訂的「商業載人項目」（Commercial Crew Program），預計首次正式載人飛行將在今年 9 月份進行，屆時將有四名宇航員飛赴國際空間站。
龍飛船返回地球的步驟有哪些？
1、宇航員進入龍飛船，飛船艙門關閉。
2、國際空間站上的艙門關閉。
3、龍飛船自動脱離國際空間站。
4、龍飛船調整飛行軌道。
5、龍飛船丟棄服務艙。
6、龍飛船頂部的天龍座發動機點燃，進行脱軌制動。
7、龍飛船的鼻錐蓋關閉。
8、龍飛船開始進入大氣層，利用氣動減速。温度可接近 2000 度。
9、在大約 5.4 公里的高度，兩個引導傘打開，把速度降低到 560 公里每小時。
10、在大約 2 公里的高度，四個主減速傘打開，把速度降低到 190 公里每小時。
11、飛船濺落到海洋上，等待救援隊到來。
龍飛船返回地球的最大難點是什麼？
我們知道，龍飛船在距離地面 400 公里的高度上繞地球高速運動，速度大約 7.66 公里每秒，接近第一宇宙速度 7.9 公里每秒。
你想想看，龍飛船在 400 公里高度上以如此之快的速度運動，要想讓它穩穩降落在地球上，將是一件多麼困難的事情，這也是所有從太空返回地球的航天器要經受的嚴峻考驗，尤其是載人返回，還是具有極高風險的。
當龍飛船脱離國際空間站後，首先摒棄服務艙，然後擇機進行返回制動點火，在地球引力的作用下返回地球。
這裏要簡單説一句，所謂的服務艙，SpaceX 使用的是 Trunk 一詞，而不是 Service module，但從作用上看有點類似於服務艙，目前尚無統一的翻譯。龍飛船的服務艙是非加壓的，可以搭載對氣壓不敏感的貨物。
在飛船返回地球的時候，首先要靠飛船自身的氣動阻力減速，這就要求其切入地球大氣的角度非常重要。如果飛船進入地球大氣層時的角度過小，有可能像打水漂一樣重新彈回太空；如果進入地球大氣層的角度過大，有被燒燬的可能，這種情況非常可怕。
▲ 圖注：龍飛船進入地球大氣層，峰值温度可接近 2000 度（藝術圖）
在飛船進入地球大氣層後，由於強烈壓縮其前面的空氣，造成温度急劇升高，温度接近 2000 度，也就是説，飛船被一層高温的等離子體包圍着。等離子體有一個特性，能夠屏蔽電磁波，這就造成了飛船與地面控制人員無法進行通訊，這種情況可持續 6 到 7 分鐘，通常比喻為黑色恐怖的 7 分鐘。
▲ 圖注：明年，我國「天問一號」火星探測器進入火星大氣層時的情景（藝術圖）。
當我國「天問一號」着巡器（着陸器和巡視器）明年初在火星上降落時，也會同樣經歷恐怖的黑障時間。目前，人類對黑障時間仍無解，只能祈求多福了。
兩位宇航員是誰？去國際空間站幹了啥？
▲ 圖注：羅伯特 L 貝恩肯（Robert L. Behnken）和道格拉斯 G 赫爾利（Douglas G. Hurley）（左）在龍飛船內部。
參加本次試飛的兩位宇航員是：道格拉斯 G 赫爾利（Douglas G. Hurley）和羅伯特 L 貝恩肯（Robert L. Behnken），分別出生於 1966 年和 1970 年。
他們都是曾經三次進入過太空，而且還都是執行過航天飛機任務的老手。其中，赫爾利在太空中有超過 683 個小時的經驗，還執行過 2011 年 7 月最後一次航天飛機任務（代號：STS-135）。
貝恩肯作為航天飛機任務專家，曾先後執行 2008 年的（STS-123）和 2010 年的（STS-130）任務，累計在太空飛行時間超過 708 小時，其中包括 37 小時的太空行走時間。
這次在國際空間站期間，貝恩肯也沒閒着，他和另一位在國際空間站上的美國宇航員 Chris Cassidy 一起進行了四次太空行走，為國際空間站更換了 6 塊鋰離子電池，替換了老化的鎳氫電池，這些鋰離子電池是此前由日本貨運飛船運送來的。
其實，作為一次試飛，並沒有安排太多任務，只要能平安返回地球，就是最大的成功。
太空中的最大建築物：國際空間站
國際空間站總質量達 420 噸，長 109 米，寬 73 米，是目前太空中的最大建築物。運行在距離地面大約 400 公里的近地軌道上，速度為每秒 7.6 公里。
國際空間站是一個擁有現代化科研設備、可開展大規模、多學科基礎和應用科學研究的空間實驗室，為在微重力環境下開展科學實驗研究提供了大量實驗載荷和資源，支持人在地球軌道長期駐留。
國際空間站項目由 16 個國家共同建造、運行和使用，是有史以來規模最大、耗時最長且涉及國家最多的空間國際合作項目。自 1998 年正式建站以來，經過十多年的建設，於 2010 年完成建造任務轉入全面使用階段。
目前，國際空間站主要由美國宇航局、俄羅斯國家航天集團、歐洲航天局、日本宇宙航空研究開發機構和加拿大空間局共同運營。
龍飛船具備自動對接能力和全程逃逸能力
此前，我們已經了解，載人龍飛船屬於 SpaceX 研製的第二代龍飛船（Dragon 2），具備可重複使用的能力。第二代龍飛船可分為載人龍飛船和貨運龍飛船兩種，其前身是第一代貨運龍飛船（Dragon 1）。新飛船可以自動與空間站完成對接，而不像第一代飛船那樣，需要藉助空間站上的機械臂的幫助。當然，載人龍飛船也保留了人工對接的選項。
本次使用的載人龍飛船，直徑 4 米，高 8.1 米，最多可搭載 7 位宇航員，這與航天飛機搭載的宇航員數量相同，也與我國今年 5 月 5 日測試的「新一代載人飛船」設計上能夠搭載的宇航員數量相同。
載人龍飛船集成有 8 個推力強大的「超級天龍座」火箭，火箭兩兩分組，安裝在飛船的側壁，作為逃生使用，每個發動機的推力可達 71 千牛，換算成大家有直觀感覺的表示方式就是相當於 7.1 噸的推力。此外，還裝有 16 個推力相對較小的「天龍座」發動機噴口，用於姿態控制和軌道機動。
▲ 圖注：2020 年 1 月 19 日，SpaceX 成功進行了「飛行中止測試」試驗。
熟悉載人航天的朋友，可能會留意到，無論是阿波羅登月火箭，還是我國的長征 2F 載人運載火箭，在火箭頂部都有個逃逸塔。
▲ 圖注：阿波羅飛船的逃逸塔。
逃逸塔的作用就是在火箭發射起始階段，如果發生意外，可以啟動逃逸塔火箭，把飛船帶離到安全的高度，然後着陸。如果發射一切順利，等火箭飛到一定的高度，逃逸塔會分離，然後丟棄。而載人版龍飛船相當於把逃逸塔集成在船身上，這樣做有什麼好處呢？
這種方式能夠使飛船具備「全程逃逸」的能力！也就是説，在飛船飛行的任何階段出問題，都具備逃生能力，而逃逸塔只能保證火箭發射初始階段的逃生。這也是未來載人飛船逃逸的新方式。
龍飛船未來的載人飛行計劃
按目前的計劃，龍飛船的第一次正式飛行（SpaceX Crew-1）將安排在 2020 年 9 月份，屆時將有四名宇航員搭乘龍飛船飛赴國際空間站，他們在那裏將停留 6 個月。
▲ 圖注：龍飛船的第一次正式飛行（SpaceX Crew-1）將安排在 2020 年 9 月份，屆時將有四名宇航員搭乘龍飛船飛赴國際空間站。
如果一切按計劃進行，2021 年上半年還將安排第二次正式飛行（SpaceX Crew-2），那次飛行將使用本次載人測試飛行的這艘龍飛船。
為什麼美國急切恢復載人航天能力？
眾所周知，美國在 1969 年就完成了人類首次登月，代表人類踏上了另一顆星球。阿波羅期間，總共完成 7 次載人登月發射，其中 6 次成功把 12 名宇航員送到月球。唯一的阿波羅 13 號雖然沒有成功，但 3 名宇航員毫髮無損返回地球。
▲ 圖注：1986 年挑戰者號航天飛機升空後爆炸
▲ 圖注：2003 年哥倫比亞號航天飛機空中解體。
1981 年，美國又成功發射了第一架航天飛機「哥倫比亞」號，一次就能把 7 名宇航員送上近地軌道。美國總共建造了 5 架航天飛機，強大的運輸能力為建設國際空間站立下了汗馬功勞！
但遺憾的是，挑戰者號航天飛機和哥倫比亞號航天飛機分別在發射和返回時發生了事故，導致總共 14 名宇航員罹難。5 架航天飛機失去了 2 架，真是非常慘。其中的故事想必大家都已非常了解，特別是 1986 年挑戰者號航天飛機爆炸的事件早已經編入了教科書，這裏就不多贅述了。
▲圖注：阿特蘭蒂斯號航天飛機的返回標誌着航天飛機時代的謝幕。
2011 年 7 月 21 日，隨着阿特蘭蒂斯號航天飛機在肯尼迪航天中心的降落，整個航天飛機全部停飛，從此，強大的美國失去了載人航天的能力。
今後飛國際空間站咋辦呢？這時，昔日的宿敵俄羅斯伸出了橄欖枝，俄羅斯有成熟可靠的載人「聯盟」飛船。當然，這可不是免費的午餐。
▲ 圖注：俄羅斯的聯盟號飛船發射。
據説，剛開始的費用是每位宇航員 2000 多萬美元，最近 NASA 購買的 2020 年秋天發射的一個座位，價格已經暴漲到了 9000 多萬美元。據統計，自從航天飛機停飛以來，NASA 已向俄羅斯累計支付超過 35 億美元。
因此，NASA 非常希望包括 SpaceX 在內的國內私營企業能夠挑起大梁，讓美國再次獲得在本土發射載人飛船的能力。
NASA 商業載人項目還有哪個公司參加？
▲ 圖注：SpaceX 的龍飛船和波音的星際航班飛船與國際空間站（藝術圖）
2014 年 9 月，NASA 選定 SpaceX 和波音公司參加商業載人項目，分別獲得 26 億美元和 42 億美元的資助。波音公司製造了「星際航班」（Starliner）飛船運送宇航員，但總體上進度稍落後於 SpaceX。下面我們來簡單比較一下星際航班飛船與龍飛船有何異同：
1、容量相同：這兩個飛船具有相似的設計功能——每個飛船最多可以容納七個人。
2、發射火箭不同：星際航班是用聯合發射聯盟公司（波音和洛克希德馬丁公司的合資企業）的宇宙神五火箭發射升空。SpaceX 公司正在使用自己的火箭獵鷹 9 號發射載人版龍飛船。
3、返回場地不同：星際航班選擇通過氣囊輔助傘陸地降落；龍飛船是在海上降落。
4、價格不同：SpaceX 的發射更便宜。NASA 監察長 11 月發佈的一份報告指出，SpaceX 公司載人飛船的每個座位發射成本約為 5500 萬美元，波音公司為 9000 萬美元。從價格上看，購買波音公司座位的費用和購買俄羅斯聯盟飛船差不多，但畢竟波音是美國自己的公司，這點比較重要。
▲ 圖注：2019 年 12 月，波音的星際航班飛船在沙漠降落場降落。
2019 年 12 月 20 日，波音進行了一次星際航班飛船無人發射，目標是與國際空間站對接。在飛行中，船箭分離正常。但令人遺憾的是，由於飛船在入軌機動過程中燃料消耗比預期要多，與國際空間站交匯失之交臂，兩天後成功返回地球。
根據計劃，2020 年 10 月份，波音將再補一次星際航班飛船的無人測試發射，目標仍然是國際空間站。如果通過將來這次測試，2021 年將進行首次載人發射。
首次載人龍飛船時間線
北京時間 5 月 31 日 3 點 22 分：從佛羅里達卡納維拉爾角航天中心發射升空。
升空後 1 分鐘：火箭達到最大氣動壓力。
升空後 2 分 40 秒：一級火箭分離，同時二級火箭點火。
升空後 8 分 50 秒：二級火箭熄火。
升空後 9 分 31 秒：一級火箭降落在大洋漂浮平台上。
升空後 12 分 08 秒：龍飛船與二級火箭分離，開始追逐國際空間站。
▲ 圖注：龍飛船與國際空間站正準備對接時的情景。
升空後 19 小時 05 分：龍飛船與國際空間站對接成功。
升空後 21 小時 39 分：對接艙蓋打開。
▲ 圖注：國際空間站上的三位宇航員與龍飛船上的兩位宇航員（黑色上衣）相聚時的情景。
升空後 21 小時 59 分：赫爾利和貝恩肯進入國際空間站。
升空後 27 天：第一次太空行走。
升空後 32 天：第二次太空行走。
升空後 47 天：第三次太空行走。
升空後 52 天：第四次太空行走。
升空後 63 天：龍飛船脱離國際空間站。
升空後 64 天，北京時間 2020 年 8 月 3 日凌晨 2 點 53 分左右：龍飛船返回地球，濺落在大西洋洋麪。
龍飛船首次載人試驗飛行的意義是什麼？
本次是 NASA 與 SpaceX 簽訂的「商業載人項目」（Commercial Crew Program）的組成部分。意義至少可以從三個層面來理解：
第一個層面，對於 SpaceX 公司來講，重要性毋庸置疑，本次試驗飛行是該公司的首次載人發射，成功就意味着拿到了商業載人航天的入場券，未來前景無可限量；
第二個層面，對於美國和 NASA 來講，意味着自從 2011 年航天飛機退役以來，再次恢復載人航天能力；
第三個層面，對於整個世界商業航天來講，意味着揭開了商業載人航天的帷幕，商業航天走進新時代。
探索和開發外太空是人類的共同願望。今年，阿聯酋的「希望」號火星探測器，我國的「天問一號」火星探測器和美國的「毅力號」火星車相繼發射，目前正在飛往火星的漫漫旅途中。
▲ 圖注：未來 SpaceX 星艦飛船在火星上起降（藝術圖）
對於 SpaceX 創始人馬斯克來講，載人登陸火星也是他的終極夢想，本次載人發射和成功返回也將促進他夢想的早日實現。
本文來自微信公眾號「騰訊太空」（ID：qqtaikong），作者喬輝，愛範兒經授權發佈。
資料來源：愛範兒（ifanr）