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私人太空行走首秀:億萬富翁再次創造太空歷史

甲方爸爸不給合同,乙方說沒關係,這活兒我自討腰包乾出來,回頭記得用我就行。

這麼好的乙方,見過嗎?這裏就有一個!

北京時間2024年9月10日下午17:23:49.美國太空探索技術公司(以下簡稱SpaceX)在肯尼迪航天中心LC-39A發射臺,利用自家獵鷹9運載火箭,將載人龍飛船和4名宇航員成功發射升空。

本次載人發射任務名爲“北極星‧黎明”,是一次非政府參與的私人航天任務,4名宇航員將在軌5天,期間將利用SpaceX自研的艙外宇航服(以下簡稱“艙外服”),開展人類首次無政府宇航員參與的“太空行走”(艙外活動),此外還將嘗試與星鏈實施激光通訊,軌道高度也將刷新阿波羅登月後載人航天活動的紀錄。

北極星‧黎明任務出艙CG圖 | SpaceX
北極星‧黎明任務出艙CG圖 | SpaceX

該任務由億萬富翁賈裏德·艾薩克曼(Jared Isaacman)出資,是他與SpaceX合作的一系列獨立的探索性載人航天任務的第一步,首要目的是驗證SpaceX自研艙外服的可靠性,掌握艙外活動技術。

後續任務還將在此基礎上持續探索和拓展SpaceX的獨立載人航天能力,甚至可能接下在軌維修哈勃太空望遠鏡的任務,並最終使SpaceX具備獨立月球和火星表面活動能力。

對於SpaceX公司而言,這次任務可以說是除研發星艦外,向其載人登陸火星夢想前進的又一小步。

任務的核心——自研艙外服和太空行走

不同於一般商業太空遊,這次的4名宇航員雖然不是政府指派,但沒有一位是單純的遊客,都有重任在身。

任務指令長由金主艾薩克曼本人擔任。這不是他第一次上太空,早在2021年,他就曾資助過“靈感4號”(Inspiration4)全平民航天任務,並作爲指令長實現了太空飛行夢想。

乘組中的另外3人是:

  • 飛行員斯科特‧波蒂特(Scott Poteet),美國空軍退役飛行員,艾薩克曼的創業夥伴,曾任“靈感4號”任務總監;
  • 任務專家莎拉‧吉利斯(Sarah Gillis),SpaceX首席太空運營工程師,曾經負責培訓“靈感4號”的4位平民宇航員;
  • 任務專家兼醫療官安娜‧梅農(Anna Menon),曾在NASA任國際空間站生物醫學飛行控制員,現任SpaceX任務總監,負責管理龍飛船的製造工作,並擔任機組通信操作員。

有SpaceX公司員工乘坐自家的載人龍飛船上太空,這還是破天荒的頭一回。

北極星‧黎明任務乘組,從左往右依次是:艾薩克曼、吉利斯、梅農、波蒂特,他們身後便是執飛此次任務的堅韌號載人龍飛船 | 北極星計劃 / John Kraus
北極星‧黎明任務乘組,從左往右依次是:艾薩克曼、吉利斯、梅農、波蒂特,他們身後便是執飛此次任務的堅韌號載人龍飛船 | 北極星計劃 / John Kraus

此次任務中,他們將測試一系列新技術,完成北極星‧黎明任務有四大主要內容:高軌載人飛行、首次商業太空行走(出艙活動)、基於星鏈的激光太空通信、太空健康影響研究。

其中最具亮點和觀賞性的就是首次商業太空行走,這裏的“商業”,是指太空行走活動不是由政府資助,而是由私營企業自籌資金自行發起。

衆所周知,太空行走需要可靠的艙外服,作爲一次“商業”活動,自然不能使用NASA提供的艙外服,因此這次出艙活動的實質就是驗證SpaceX自研艙外服的可靠性。

這套艙外服繼承了已有載人龍飛船的艙內服風格,滿滿科幻電影風,但內部增加和修改了不少細節。首先是關節部分應該採用了艙外服常用的硬殼結構,加之生命維持系統管路需遍佈全身的佈置需求,身體部分相對更加臃腫。

相對最早期設計圖,頗有些“買家秀和賣家秀”的感覺,但這都是不可避免的。

SpaceX艙外宇航服的早期概念圖(上)和實物圖(下) | SpaceX
SpaceX艙外宇航服的早期概念圖(上)和實物圖(下) | SpaceX

SpaceX宇航服的設計風格一貫始終,未來若獨立研發登月服或登火服,大概率也是如此。

但要注意的是,此次任務中使用的艙外服,並未帶有獨立的生命維持系統,因此需要通過“臍帶”與飛船時刻保持連接。

NASA經典的EMU宇航服獨自漂浮在茫茫宇宙的景象,這回我們是看不到的。

不使用臍帶,可獨立的運行的EMU艙外服 | NASA
不使用臍帶,可獨立的運行的EMU艙外服 | NASA

爲配合這次出艙,載人龍飛船也做出了多項改造。

龍飛船是典型的兩艙飛船,無法配備專門的氣閘艙。本次出艙中,龍飛船將使用一種相對“古老”的出艙方式——全艙減壓。整個飛船的返回艙將全部放氣至真空狀態。與太空環境壓力平衡後,飛船頂部艙門打開,4名宇航員將同時暴露在真空環境中,但僅有艾薩克曼和吉利斯這兩名宇航員交替執行出艙活動。

之所以說全艙減壓“古老”,是因爲這種方式主要在早期雙子星計劃、阿波羅計劃和蘇聯早期載人航天任務中使用。航天飛機和組合式空間站興起後,均配備有氣閘艙,這種出艙方式就不再多見。

雙子座和阿波羅計劃時期,臍帶式全艙減壓出艙比較常見 | NASA
雙子座和阿波羅計劃時期,臍帶式全艙減壓出艙比較常見 | NASA

高軌飛行和太空薯片

衆所周知,SpaceX的一貫風格就是高清直播一切,爲向公衆充分展現出艙活動的景象,兩名出艙宇航員的頭盔內特別增設了兩個出艙攝像頭。

我們有望通過主視角攝像頭拍攝,經星鏈傳輸高清視頻信號,即時看到出艙景象。

出艙的兩名宇航員艾薩克曼(左)和吉利斯(右)的頭盔細節 | SpaceX
出艙的兩名宇航員艾薩克曼(左)和吉利斯(右)的頭盔細節 | SpaceX

爲配合出艙活動,本次任務的軌道設計也別出心裁,將利用獵鷹9號和龍飛船全部運力,飛得比以往所有龍飛船任務都要高。

飛船的遠地點最高高度將達到1400公里,是阿波羅計劃後載人航天任務的最高高度。在這樣的軌道上,飛船將穿過範艾倫輻射帶的部分地區進行研究,以更好地瞭解太空飛行和太空輻射對人類健康的影響。

繞地7圈後,飛船會下降到近地點190公里、遠地點700公里的軌道,以進行出艙活動。

出艙行走時,兩名出艙宇航員每人將出艙15-20分鐘。不同於正常飛行階段的氮氧混合空氣,出艙階段宇航員呼吸的是100%純氧。因此全艙減壓前要進行排氮過渡,爲此飛船增設了供氧設備和氮氣充放系統,傳感器也適應性增加和升級。

最關鍵的是艙門部分,增設了一套名爲“天行者”(Skywalker)的輔助結構,便於宇航員在出艙過程進行固定和移動,同時艙門也增設了電機以便於開閉。

爲本次任務增設的供氧設備 | SpaceX
爲本次任務增設的供氧設備 | SpaceX
出艙使用的輔助設備“天行者” | SpaceX
出艙使用的輔助設備“天行者” | SpaceX

出艙任務結束後的次日,飛船還將利用星鏈進行激光通信測試。

龍飛船開放式貨艙部分(Trunk)安裝有一個激光天線,該天線會直接與星鏈衛星的激光星間鏈路進行通信測試,最終實現只依託星鏈的通信能力。

這項測試的目的,是未來減小對NASA手中已不堪重負的TDRS中繼衛星的需求。SpaceX認爲未來軌道上會有大量星艦在軌進行通信,擺脫帶寬有限的TDRS勢在必行。

包括這些測試在內,整個北極星‧黎明任務累計會有近40項科研實驗項目。

本次任務中的激光通信示意圖 | SpaceX
本次任務中的激光通信示意圖 | SpaceX
船上安裝的星鏈設備,圖源:SpaceX
船上安裝的星鏈設備,圖源:SpaceX

還有一項特別載荷,就是多力多滋(Doritos)公司的“零重力”薯片,讓宇航員在太空環境下也能安全地喫上薯片。

薯片雖然好喫,卻是最容易產生碎渣的零食之一,飛船這種封閉的自循環環境一般都會避免這類食物。

該薯片則是專門針對飛船失重和封閉環境下生產的,不使用粉末狀配料,而是覆蓋一層油基塗層,且體積較小,可以一口吃下,能防止殘渣在艙內漂浮。

四名宇航員拿着“太空薯片” | Doritos
四名宇航員拿着“太空薯片” | Doritos

當然,此次薯片搭載的核心目的是——打廣告,這在以往NASA牽頭的政府任務中是罕見的。作爲一次商業航天任務,可以不像政府任務一樣有各種限制和掣肘。

薯片上天后,品牌方得到了曝光,宣傳了產品,增加了銷量;SpaceX收到了廣告費,降低了任務成本,還增加了任務噱頭。

可謂雙贏合作。

艙外服,沒合同,降成本,自己搞

有趣的是,這次新意滿滿的載人任務,既不是響應NASA的合同需求,也不是受了NASA某些技術研發資金的資助,完全是自發的商業行爲。可見SpaceX的技術發展已經局部超越了NASA對其服務提供能力的需求,對深空乃至地外天體載人活動有着主動訴求。

傳統的艙外宇航服,因爲主要爲政府任務製造,需求量很少,定製設計,造價高昂,設計時對成本不敏感。

而SpaceX的任務宇航員接受採訪時稱,他們的宇航服未來要大批量製造,成熟後會生產幾百、數千乃至上萬套,不僅用於商業太空遊,還可能用於月球表面,乃至殖民火星。因此設計時,在安全的基礎上,成本和批量製造是要着重考慮的。

降低成本的手段上,SpaceX舉了一個例子:艙外服的頭盔相對艙內版增設了鍍層,主要是反射艙外直射的強太陽光,以保護宇航員的眼睛。在以往的美系宇航服中,這層鍍膜多以黃金爲主,但SpaceX在設計時,從“成本控制+批量製造”兩個角度出發,改成了“鍍銅”,顯出明顯的銅色。而之前的艙內服,則沒有這個鍍層。

艙外服面罩(左)和艙內服面罩(左) | SpaceX
艙外服面罩(左)和艙內服面罩(左) | SpaceX

SpaceX在開發時還考慮到泛用性,結合了新材料、製造工藝和新的接口(卡扣)設計,爲宇航員在宇航服加壓狀態下提供更大的靈活性,同時在非加壓的普通穿着場景中保持舒適性。

除採用3D打印製造頭盔外,頭盔內還增設了攝像頭和平視顯示器(HUD),後者可提供宇航服壓力、溫度和相對溼度的信息。

該宇航服還增強了艙外活動期間的可靠性和冗餘性,可開合面罩的密封圈從2層增加到4層,以幫助確保宇航服保持壓力和密封性。

這套宇航服的最終設計目的,不只是服務於地球軌道,最終將衍生出獨立艙外服、登月服、登火服,爲後續的獨立載人登月或載人登火提供支撐。

NASA:雙保險也不保險啊……

事實上,NASA並非不需要新式艙外宇航服。

NASA現有的國際空間站EMU宇航服不僅年久失修,還出現了漏水問題,亟需換新,因此在2019年,NASA就編列了xEMU艙外服計劃。

2022年,在阿爾忒彌斯登月計劃中,NASA公開招標了兩款月表艙外服,也就是登月服。而在此之前的2021年,SpaceX就公開表示可以爲NASA提供艙外服。但作爲近年的“標王”,SpaceX最終意外落選。

之後坊間傳聞,並非其投標的登月服不合格或研發能力不足,只是NASA不希望過多地依賴SpaceX,以免造成壟斷。一如早年NASA排除波音、洛克希德·馬丁等軍工巨頭,而扶植當時初創的SpaceX和軌道科學技術公司(現已被諾格創新收購)一樣。

NASA公佈的xEMU艙外服 | NASA
NASA公佈的xEMU艙外服 | NASA

最終,柯林斯宇航公司(Collins Aerospace)和公理空間公司(Axiom Space)雙雙中標登月服研發,秉承了NASA一貫的“雙保險”策略,兩家互爲備份。

但雙保險有時候也不是很保險,尤其是碰到不靠譜的承包商。前不久,柯林斯宇航公司宣佈,將不再繼續執行從NASA獲得的宇航服研發訂單,也不會再開發新的國際空間站宇航服,說白了就是——撂挑子不幹了。目前僅剩下公理空間公司一家仍在繼續研發登月服,好在進展尚可。

有趣的是,相比中標後退出研發的柯林斯,落標後SpaceX卻並未停止研發登月服——即使NASA不給合同,即使未來宇航員走出星艦登月艙時不能穿自家登月服,SpaceX也要堅持搞。

這在美國航天研發企業中是很少見的。

此次北極星任務的艙外服,其實就是登月服部分設計的在軌驗證,意圖形成一套獨立閉環的載人航天能力。

柯林斯退出後雙保險策略失效,NASA是否會重新向SpaceX拋出橄欖枝,尚未可知。

真正的野望——拯救哈勃,星艦載人

如果本次“北極星-黎明”任務順利,艾薩克曼和SpaceX後續還會安排兩次難度更高的“北極星”系列任務,逐步提升SpaceX的獨立深空載人活動能力。

NASA曾表示,歡迎商業公司探討對哈勃太空望遠鏡進行維護、升軌和升級的可能,但也坦言沒有額外資金支持這個項目,請有興趣的公司“用愛發電”。從目前形勢來看,如此有愛且有能力的公司只有SpaceX一家。第二次北極星任務有可能以爲目標,但NASA尚未接受這一提議。

而北極星系列任務的最後一次飛行,將由SpaceX正在開發的星艦執行,將成爲星艦的首次載人飛行,當然,只有在星艦經過大量測試和無人飛行證明安全後,此次任務纔會成行。

北極星‧黎明任務不只是一次單純的私營載人航天任務,而是SpaceX將載人能力延伸向深空乃至地外天體的“黎明曙光”。這次任務不僅是一次技術上的挑戰,也象徵着商業載人航天活動的新領域,將推動私人企業參與深空載人探索的步伐,並可能爲未來的月球和火星任務鋪平道路。

最難能可貴的是,這一系列高難度、高投入、高風險的載人任務,竟然是SpaceX脫離NASA資助和合同需求之外,基於自身企業願景自行組織和完成的。可以說,SpaceX不僅是一家以完成合同,攫取利潤爲目標的航天承包商,也是一家有着詩和遠方理想的企業。

雖然所謂的火星殖民夢依然飄渺而遙遠,但我們肉眼可見,SpaceX確實在沿着這個方向一步步前進。