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“天鹅座”折翅,商业航天依旧漫长

时间:2015年07月30日 信息来源:本站原创 点击:738 字体:


安塔瑞斯运载火箭

核心提示:

美国宇航局的“商业轨道运输服务计划”(cots)遭遇重大挫折,10月28日,由轨道科学公司研制的安塔瑞斯运载火箭在发射为国际空间站运送货物和补给的天鹅座飞船时,升空仅6秒钟就凌空爆炸,不仅箭船俱失,其发射台也受到了严重损毁,惨烈程度堪比1986年1月28日挑战者号航天飞机不幸爆炸时的场景。

对此,人们不禁会问,美国的“商业轨道运输服务计划”是怎么回事?此次天鹅座飞船为什么会发射失败?未来的商业航天是否还有前途?

                         

火箭发射升空瞬间

航天飞机失事

私营公司进军商业航天

“商业轨道运输服务计划”的诞生有着深刻的历史背景,2001年,哥伦比亚号航天飞机在返回途中次发生惨祸,导致美国不得不中止整个航天飞机计划。此后,美国宇航局开始反思自身以往航天活动的可靠性与成本问题。于是就出现了从过去只从私人公司购买产品,转到不但购买产品,而且还购买发射、运营等全方位的服务,这就有了“商业轨道运输服务计划”。

目前,太空探索公司的龙飞船、轨道科学公司的天鹅座飞船是该计划中的佼佼者,后续的龙飞船和波音公司的cst-100飞船还将承担起国际空间站航天员乘组的天地往返运输任务。

当然,“商业轨道运输服务计划”仅仅是由美国宇航局通过投资研发这些用于商业运输的技术,主要包括运载火箭、飞船、发射设施和测控等方面的产品与技术,而运输货物的服务实际是由“商业补给服务”(crs)项目进行支持。在这个项目中,轨道科学公司获得了19亿美元的合同,将在2016年前通过8次发射服务向国际空间站运送20吨货物。

截至目前,龙飞船和天鹅座飞船已经成功地进行了数次商业运输服务任务,向国际空间站运输了很多物资。其中,龙飞船甚至还具备了货物下行能力,能够将国际空间站上的试验样品和产品进行回收。10月25日,龙飞船携带小老鼠和其他货物降落在太平洋上,这也是商业飞船首次运载哺乳动物活体往返国际空间站与地球。

                         

失败爆炸时的场景

技术、经验欠缺

先天不足与高风险并存

在太空探索公司与轨道科学公司从零开始,仅仅用了几年就取得令人炫目的成就背后,我们应当看到,人类的航天活动依然是一种高风险的活动。迄今为止,航天器不可能做到像民航飞机那样的可靠性,也不可能实现类似的成本。在以降低成本为主要目标的商业航天活动中,牺牲各种可靠性措施带来的高风险的确值得我们重视。

目前,各航天大国都已形成了非常成熟的行业规范来确保航天器的顺利发射。在人类航天活动的早期,特别是上世纪五、六十年代的太空竞赛时期,惨烈的发射失败更是“家常便饭”。如今可靠性已经极大提高的航天活动,恰恰是建立在吸取这些失败教训的基础之上。因此,商业航天对当前确保可靠性的各种规范进行简化、修改,将有可能再次“交学费”,再次付出血的代价。

与传统的航天企业不同,目前从事商业轨道运输服务的几家公司均有不同程度的先天不足。以轨道科学公司为例,由于该公司过去没有研发大型液体运载火箭的经验,因此其安塔瑞斯火箭的很多设计和研制都要依赖于乌克兰的南方设计局。

此次发射任务中,安塔瑞斯火箭的第二级采用了atk公司研制的固体火箭发动机,而在目前世界上的主流运载火箭中,第一级采用液体发动机而第二级采用固体发动机的配置已非常少见。更奇怪的是,轨道科学公司为将来其他潜在的飞行任务发展的第三级火箭却又采用了液体动力系统。可以看出,由于在分系统的配置上缺少可选择的途径,安塔瑞斯火箭几乎是一种“拼凑”出来的产品。

另一方面,安塔瑞斯火箭第一级采用的是2台aerojet公司的aj26-62发动机,而这种发动机是由苏联用于载人登月的n-1 重型火箭上的nk-33发动机改进而来的。

由于nk-33发动机的推力相对较小,n-1火箭为实现近百吨的运载能力,竟然在第一级火箭使用了30台nk-33!当时为了赶进度,苏联在不进行充分地面试验的情况下就开展飞行试验。虽然nk-33 发动机本身性能很好,但30台发动机并联工作,产生了很多振动方面的问题,在飞行过程中极易导致管路、阀门失效。最终,4次试验性发射全部失败,其中最惨烈的一次,携带超过2000吨燃料的n-1巨型火箭在发射台上爆炸,其威力简直就像一枚小型原子弹,瞬间将整个发射台夷为平地。今天,安塔瑞斯火箭同样在使用nk-33发动机的派生产品,同样造成了lp-0a发射台的严重损坏。历史的轮回就是这样残酷,而历史的重演又是这样悲催!

                                      

受损的发射架

“必修课”无法绕开

商业航天之路依旧漫长

目前,商业轨道运输服务只是进行了货运方面的尝试,即使发射失败也不会造成乘组的人员伤亡。但在未来的乘组运输服务中,却不允许有丝毫闪失。无论是龙飞船还是天鹅座飞船,都是飞到国际空间站旁,然后由机械臂将其靠泊在对接口上,这在很大程度上简化了飞船的设计。而未来的载人运输飞船,则要求在空间站没有人的情况下也能与之对接,这就使得靠空间站内的航天员操作机械臂将飞船抓捕的方式不再可用,回到了采用交会对接系统的传统路线上来。

尽管太空探索公司与轨道科学公司有很多现成的资源可以利用,美国宇航局也可以为他们开放很多已有的成果,但交会对接技术本身就是牵涉到整个飞行器总体设计的全局性技术。其使用的导航、制导与控制系统以及交会对接机构,都对整个飞行器的设计和飞行操作有很多影响和限制。解决所有的问题,并能够通过地面试验规避可能出现的各种问题和风险并非易事。

虽然私营公司在商业航天飞行任务的管理和运营方面有很多自己独到的优势,但很多“必修课”是绕不过去的,商业航天之路依旧漫长。在我们今天为安塔瑞斯火箭发射失败惋惜的同时,也期待商业航天未来能克服重重困难,在人类追求“低成本、高可靠”的目标上继续前行。(杨宇光)

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