某大國卧薪嘗膽刻苦攻關，歷經七年誓破列強封鎖，今朝獨立自主載人飛天！

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作者說

北京時間2019年3月2日下午3：49，美國太空探索技術公司（SpaceX）使用旗下的獵鷹9火箭將同為該公司研發的第二代龍飛船（亦稱「載人龍」，CrewDragon）首次送入太空，預計將於24小時後主動對接國際空間站。至此，在2011年太空梭黯然退役後，經過8年的漫長空檔期，曾將人類6次送上月球的美國終於恢復了將人類送入太空的能力。而這家公司創始人伊隆·馬斯克吹了5年的牛終於成為了現實！

在當今世界航天界，載人航天發射其實並不算是什麼稀罕事，無論是俄羅斯老而彌堅的聯盟載人飛船，還是中國的神舟載人飛船，近來都進行了載人航天任務。但是今天的這次飛船發射，雖然並沒有載人，卻備受矚目，稱之為美國最重要的航天發射也不為過。

火箭飛船組合體轉運中

火箭起豎中

在美國肯尼迪航天中心的LC-39A發射台，一艘造型科幻的載人飛船，承載著一個艙內航天服的模擬假人，在SpaceX公司獵鷹9火箭的隆隆推動之下，直插雲霄，奔向距地面400公里的國際空間站，實施第一次無人試驗性試飛。飛船目前已經順利和火箭二級分離，踏上了旅程，預計於24小時候與國際空間站進行主動對接測試，並於5天后離開空間站返回地球。本次無人試飛如果順利，接下來這艘飛船會進行一次發射中逃逸試驗，以進一步驗證其安全性，並預計於今年年中由另一艘新飛船進行首次正式載人發射。

火箭點火起飛瞬間

飛船內部陳設，角落裡孤零零的測試假人名為「里普利」（致敬1979年經典科幻影片《異形》中的女主角）

載人飛船的「異類」，新一代飛船的排頭兵，載人龍飛船最多可以承載7名航天員，遠多於聯盟和神舟飛船的3人，與太空梭和波音的CST-100飛船一致，但由於前者已退役，後者還沒服役，因此載人龍是現役運量最大的載人飛船。

飛船艙內外觀非常簡潔，形如科幻電影中的宇宙飛船，即使增設後排座椅，滿載7名航天員也依舊寬敞，與狹小擁擠的聯盟號飛船形成鮮明對比，當然不僅是座椅，最直觀的飛船操作界面也是迥然相異，在人們的印象中，載人飛船的面板應該是這樣的：

自1966年無人首飛起服役至今（53年）的俄羅斯聯盟號飛船內部（來源：wiki）

密密麻麻的各種按鈕、儀錶、開關，讓人眼花繚亂。而人類迄今為止的絕大多數載人航天器都是如此（我國新一代載人飛船面板未曝光，不在此列），即使是與載人龍同期研製的星際線飛船亦不免俗，如下圖：

然而SpaceX卻不走尋常路，載人龍飛船內部的控制面板（Control Panel）是這個樣子：

2014年發布會時設計，後有所改動，但思路沒變（來源：SpaceX）

最終首飛時的設計（模擬機）

首先映入眼帘的就是奪人眼球的超大觸控界面，僅保留了少量物理按鍵，與傳統飛船設計截然不同。縱觀馬斯克旗下的兩家企業，無論是SpaceX還是特斯拉（Telsa），一直都是超大觸控屏幕開道！這正是公司對「less is more」（少即是多）這種設計哲學的一貫追求。馬斯克宣稱載人龍飛船將大幅度提高自動化程度，化繁為簡，降低航天員的學習成本，航天員在絕大部分任務中都可以把厚如磚頭的操縱手冊扔在一旁，將操作集中在直觀的觸控屏幕上，並提高自動化率，僅保留有最低限度的物理按鍵來應對極端情況。這個看起來很簡單的改變其實更不容易，且不說要面對巨量的代碼編程和測試工作，要在刪去大量物理按鍵的條件下仍維持足夠的安全性和可靠性。這種設計思路一直貫穿整個飛船，比如艙內航天服的設計。

眾所周知，航天服主要分為兩種，一種是艙內航天服，一種是艙外航天服。艙內航天服是在載人飛船和太空梭內穿著使用的，除在正常發射中監測航天員生理狀態和維持體溫呼吸外，還有在飛船艙內出現破損而導致急性失壓時保障航天員生命安全的作用。

左為SpaceX的航天服設計，右為太空梭時代所使用的ACES（Advanced Crew Escape Suit）艙內航天服，自1994年的STS-65任務開始使用，直至太空梭退役（來源：wiki）

和臃腫的傳統航天服不同，SpaceX的設計不只是外形科幻，還十分輕便，同時也不失足夠的安全性。公司聘請了時尚設計師進行外觀設計，確保外觀足夠炫酷，同時手套設有觸控層，兼顧觸屏操控，頭盔和關節過渡段均經過特殊設計，不僅可以靈活轉動，在艙內失壓的突髮狀態下可以良好密閉並充氣保壓，以保證航天員生命安全。

其實2018年2月，重型獵鷹火箭首飛時作為載荷的那輛特斯拉跑車中用的就是這套航天服（來源：SpaceX）

除了上面說的這些外表可見的特性，載人龍的設計亦有大幅革新，不僅採用人貨通用設計，還革新了傳統的逃逸塔逃逸方式，更創新性的融入了重複使用的概念，又大膽使用發動機反推著陸的方式（目前已被NASA砍掉），稱之為目前設計最激進、最瘋狂的載人飛船毫不為過。但是對於SpaceX的「伯樂」NASA來講，這些都不是他們所關注的，NASA只是想盡一切辦法讓飛船儘快投入運營，向國際空間站運送宇航員。因為美國失去載人航天能力已有8年，而俄羅斯的聯盟飛船坑了美國整整8年，有關這段恩怨情仇，還要從8年前的那次著陸說起。

製造兩個空窗期的太空梭

2011年7月21日，「亞特蘭蒂斯」號太空梭在肯尼迪航天中心安全著陸，正式宣告長達30年的太空梭時代宣告終結，退役後的幾架太空梭陸續進入博物館供人瞻仰。作為美國當時擁有的唯一一種載人天地往返工具，自退役之日起，美國就失去了載人航天能力，為了維持國際空間站的繼續運營，NASA只能購買俄羅斯聯盟號載人飛船的座位。做為曾經將人類6次送上月球的航天強國，這簡直是奇恥大辱，但是這實在是因為太空梭亟需替換，不能再用的無奈之舉，而非NASA所願。眾所周知，1986年1月，挑戰者號太空梭在升空時因固體助推器O型密封環失效，凌空爆炸，7名航天員罹難；2003年2月，哥倫比亞號太空梭在再入大氣層過程中解體，又是7名航天員遇難。

挑戰者號升空爆炸（上），哥倫比亞號返回地球時解體（下）

兩次事故不僅使美國失去了兩架太空梭和14名航天員，更重擊了民眾對太空梭安全性的信心，加之太空梭本身發射報價昂貴，缺乏逃逸設施，而機體日益老化又導致翻修費用居高不下，NASA最終只能忍痛割愛將其退役。由於美國將中國排斥在國際空間站之外，自此俄羅斯便事實壟斷了國際空間站的人員運輸。然而俄羅斯自太空梭退役起，便不停抬高聯盟號飛船座位的銷售價格。

聯盟飛船座位價格表，美國真是冤大頭。。。

從最初的3000萬美元一路飆漲至現在8000萬美元一位的天價，這種近乎與坐地起價的行為讓NASA忍無可忍，但美國確實沒有飛船可用。事實上，知恥而後勇的NASA很早就規划了三款新型載人飛船，但是卻因為進度、經費、設計等種種原因，遲遲不能服役，直到今天的載人龍才首先試飛。

從左至右分別為星際線（Starliner）、載人龍（Crew Dragon）、獵戶座（Orion），為了出俄羅斯壟斷的這口惡氣，美國人一口氣搞了三款新飛船

由圖可見，聯盟號飛船報價8100萬美元，新飛船僅為5800萬，未來還可下降

接班：「嘿，兄弟，交給你了!」，"放心吧"（國外網友繪製）

最意外的中標者

2010年太空梭退役之前，NASA就開始物色新一代飛船的承包商，當時波音（Boeing）、藍色起源（Blue Origin）、內華達山脈（ SNC）和SpaceX四家航企進入觀察資助名單。這些公司的飛船將替代已經退役8年的太空梭，擺脫俄羅斯聯盟飛船近乎「訛詐」的高昂船票，項目名為商業載人航天計劃（Commercial Crew Program，見下圖）。

與阿波羅計劃和航天飛船時期不同，商業載人航天計劃中飛船的歸屬權屬於研發企業本身，藉此激勵企業創新和自掏腰包（航企可以在滿足NASA任務需求的條件下執行其他商業航天任務，比如太空旅遊），NASA只是購買飛船的「載人服務」。但為了控制安全、進度和經費，NASA設置了大量「里程碑」對中標企業進行控制，還設置了大量驗收試驗（比如逃逸試驗、熱真空試驗、電磁兼容試驗等），除此之外盡量減少對企業研發思路和飛船設計的干擾，也不限定所使用的載人火箭，只提出可靠性要求。

最終經過長達4年的觀察和評估，呼聲極高的藍色起源和內華達山脈公司意外淘汰，波音和曾被業界齊齊看衰的SpaceX雀屏中選，各自研發一款新型載人飛船，其中波音飛船名為CST-100（後改名為星際線），資助額高達42億美元；SpaceX則為第二代龍飛船（Dragon V2，後細分為Crew Dragon，載人龍），資助額僅有26億美元。

兩款飛船的CG效果圖（左：波音，右：SpaceX）

這份合同讓業界大跌眼鏡，兩家中標者中的波音不但是百年航企，阿波羅登月時代就曾參與，而且無論資金實力，技術水平還是研發經驗都無可比擬，中標毫不意外。但是彼時SpaceX作為一家初創的私營航企，之前的獵鷹1火箭5次發射3次失敗，想像一下5次飛行就要墜機3次的航班誰敢坐？讓這樣的公司設計載人飛船無異於「草菅人命」，而載人航天作為一項龐大的系統工程，至今為止全世界只有中、美、俄具備該能力，一家私企就想染指，無異於痴人說夢。彼時國內網路也一時間充斥的同樣的論調，唱衰SpaceX和私營航天的聲音不絕於耳。

但這個世界，總有人不信邪！~

公司創始人兼首席設計師伊隆·馬斯克在載人龍飛船內，SpaecX雖然錢少人少經驗少，但是進度高歌猛進，遠超波音

五射三敗，業界笑柄；伯樂相助，起死回生

2002年初創時的SpaceX的員工合影，寒酸程度令人髮指

SpaceX這家公司自2002年創辦至今17年以來，真可謂是一路坎坷，數次生死一線。馬斯克最初創辦公司時曾經求援俄羅斯，但不被重視，屢屢碰壁（這段故事詳見往期文章：[深度]從閉門羹到猛禽—SpaceX坎坷的發動機之路（上））。而後憤而自行研發液體運載火箭，但研發的獵鷹1型火箭曾經三次試射，三次爆炸，幾乎淪為業界笑柄。創始人馬斯克同時又開辦了一家電動汽車公司「特斯拉」，兩家公司同時陷入困境，曾經的億萬富翁差點兒一貧如洗到要住父親家的地下室。最終在朋友和投資人的幫助之下，在馬斯克個人的執念堅持之下，兩家公司同時起死回生。

三射三炸的獵鷹1型火箭，一段揮之不去的夢魘，同時也是一段創業的傳奇

SpaceX在2008年末正式獲得了NASA的國際空間站商業補給服務合同（Commercial Resupply Services，簡稱CRS合同），採用公司全新研發的獵鷹9火箭和第一代貨運型龍飛船向國際空間站運送共計12次貨物，憑藉NASA一紙訂單的輸血效應，SpaceX起死回生。

2012年10月8日，由梅林1C型和1C真空型發動機驅動的獵鷹9 1.0版火箭成功發射，正式執行第一次CRS貨運任務，任務代號CRS-1

發射後第三天，也就是10月10日，同樣由SpaceX公司研發的貨運版龍飛船成功對接國際空間站，成為人類歷史上第一個有獨立能力向國際空間站運送貨物的私營航天企業

越被鄙視越瘋狂，來自未來的二代龍飛船

2014年5月，在美國加州霍索恩的廠房內，馬斯克舉辦了一場發布會，在陣陣煙霧的襯托下，幕布揭開後，第二代龍飛船展現在觀眾眼前。SpaceX不但拿下了訂單，更決定迎難而上，意圖打造一種低成本、載人載貨通用、可重複使用的新式龍飛船，這個思路的瘋狂程度不但超越了同期中標的波音，更是人類迄今所有載人飛船所罕見的，可以說馬斯克在當時吹了一個可能連他自己都不相信的大牛！然而，4年過去了，這些吹過的牛：

今天都實現了!（除反推著陸在NASA慫恿下被砍掉除外）

2015年發布會現場，前景左側是Draco姿控發動機，右側為Super Draco反推及逃逸發動機

除了前面提過的那些特點，我們詳細聊聊那些載人龍飛船的瘋狂設計：

拜拜，逃逸塔！

首先，傳統載人飛船為了在火箭出現類似爆炸的緊急情況下讓航天員遠離火箭，安全返回，需要設計有一系列逃逸措施，其中最顯眼的就是火箭頂部的逃逸塔，上面安裝有若干逃逸發動機和調姿發動機，一旦點火將瞬間產生巨大推力，將飛船帶離火箭。

阿波羅飛船的發射台逃逸試驗，相當壯觀，但是這東西最好真實發射中永遠用不上

點火逃逸都是千鈞一髮的時刻，需要逃逸發動機點火極端可靠，同時推力產生迅速。這都是以往液體發動機的弱項，所以通常都是固體發動機用於逃逸塔。但是SpaceX不信這個邪——他們不但不用固體逃逸發動機，還砍掉了逃逸塔~！

顯然，逃逸塔不見了（來源見水印）

那獵鷹9火箭爆炸了怎麼辦？飛船自備動力逃逸，載人龍飛船在飛船側壁安裝了8台Super Draco逃逸發動機，兩個為一組，互為備份，使用四氧化二氮/聯胺，擠壓循環，推力約7噸，可重複使用，且由鐵鉻鎳材料由激光3D列印技術而來，由於逃逸發動機貼近航天員座位，為防止發動機爆炸波及，SpaceX設計了發動機外殼來包容爆炸飛射物。

一組逃逸發動機，外面是包容殼

載人龍飛船的懸停試驗，清晰可見逃逸發動機工作

由於傳統逃逸塔需要在升空過程中拋棄，所以都是一次性設計，即使沒有用到逃逸發動機，每次發射都要扔掉一座，相當浪費。而自備逃逸發動機不僅響應速度不遜固體發動機，而且可以隨飛船返回地球，經過檢修即可繼續使用。但是載人龍的逃逸發動機用途絕不僅僅是逃跑，還有一項大用途。

既能用來逃跑，還能用來著陸

聯盟號飛船傘降著陸瞬間

一款發動機既然可以讓飛船逃跑，適當調整推力也可以用在返回地球過程中著陸，所謂一機兩用，絕不浪費，升空時是逃逸發動機，返回時就是著陸發動機，再也不會有無用的死重出現。

這個方案看起來很瘋狂，其實經過精心設計。飛船在適當高度會嘗試點燃所有反推（逃逸）發動機，如果系統監測所有發動機工作正常，則繼續進行反推著陸；一旦發動機出現異常，則啟動傳統降落傘作為著陸方式，載人龍設計有4個降落傘，傘傘之間互為備份，即使1個到2個傘失效仍可降落。如果不幸傘全部失效，還可以點燃反推發動機進行應急降落，因為8台著陸發動機實際是冗餘設計，僅需4台推力即可滿足著陸需求。而且這個設計是先在無人的貨運任務上嘗試，在成熟之後才在載人發射上嘗試使用。但是可惜的是，即使是這樣的設計，已經被太空梭嚇壞的NASA依然不滿意，從安全性角度出發，和SpaceX協商後砍掉了這項設計，現在的載人龍飛船使用傳統傘降落海回收。

有人一定會問，這飛船明明是載人的，怎麼還會有無人貨運任務？這就要說到飛船的另一個特色——人貨通用。

人貨通用設計——裝上座椅運人，拆掉座椅運貨

以中俄為例，中國的載人飛船為神舟，貨運飛船為天舟，兩者並不通用；俄羅斯載人飛船為聯盟，貨運飛船為進步，亦不通用，專船專用是國際通用做法。但是對於SpaceX一家私營航天企業來說，同時研發兩種飛船是無法承受的。

所以摳門馬斯克帶領的SpaceX找到了一個摳門新辦法——新飛船載人，舊飛船運貨，所以二代龍飛船是人、貨通用設計，裝上座椅運人，拆掉座椅運貨，兩種任務所用飛船完全互換。SpaceX擬採用全新製造的飛船和火箭為NASA運送航天員，在飛船和火箭完成回收後進行翻修的簡單改裝，然後用二手火箭 二手飛船為NASA執行無人貨運任務，相對於競爭對手軌道ATK（現在的諾格）和內華達山脈公司，這將大幅降低CRS-2階段貨運任務的成本，抹平CRS-1到CRS-2合同的預算增額。

改變，不僅僅是有這些

除此之外，換用了體裝式太陽能電池板，刪去了貨運龍飛船的可展開太陽能電池板和轉動機構，提高可靠性（雖然貨運龍的電池板從來沒出過問題）。頂部保護對介面的端蓋也變成了可開合式，而以往的貨運龍則是一次性拋棄設計。

非加壓艙的體裝太陽能電池板清晰可見，為了可靠性刪去了所有可動部件

為了榨乾火箭的運力，發射載人龍飛船的獵鷹9採用過冷推進劑，所以需要儘可能快速的進行加註。這就需要載人發射時航天員先進入飛船，然後再進行推進劑加註；而太空梭等發射則是在火箭推進劑加註完畢後，狀態穩定時，航天員才登上飛船。由於2016年9月1日的Amos-6爆炸事故，NASA對載人龍的加註方式非常擔憂，生怕加註時發生爆炸。

當年的事故

在事故中，火箭和衛星都被摧毀，發射台嚴重受損，事故原因是火箭二級儲箱中的「複合材料纏繞壓力容器」（COPV）的結構失效導致。有關事故原因詳見往期文章如何按SpaceX的風格引爆一枚火箭——恢複發射前你應該知道的真相。但後續在Space X的改進和堅持下，NASA同意了這種登船方式。

重複使用，從不放棄的夢想

說起複用，「太空梭」作為復用領域的反面教材，無論是在太空梭之前還是之後，人類航天史上眾多的貨運和載人飛船，尤其是老而彌堅的進步和聯盟系列飛船，都從沒有嘗試過重複使用。然而，作為SpaceX和馬斯克一直以來的夢想，復用從不停歇，無論飛船還是火箭。在2017年12月的CRS-13貨運龍發射任務中，SpaceX成功利用「二手火箭」發射「二手飛船」。很幸運的，NASA首當其衝，又一次榮當小白鼠！

你沒看錯，這是當時的復用火箭，但SpaceX已經懶到連擦都懶得擦了

CRS-13任務的綠框部分均為二手，紅色的二級是唯一的新東西

龍飛船由一個加壓艙和一個敞開的非加壓艙（Trunk）組成。非加壓艙上安裝有太陽能電池板等設備，非加壓艙為敞開式設計，便於放置一些需要釋放和安裝的載荷。加壓艙內則裝有加壓貨物，並在錐部安裝有通用對接機構，用於與國際空間站進行捕獲對接。飛船的加壓艙是可回收設計的，非加壓艙則在再入大氣層之前被分離拋棄，並在大氣中燃燒殆盡。之所以SpaceX「冒天下之大不韙」的再次吃螃蟹，將被海水浸泡過的飛船重新翻修使用，其實是有以下三個原因。

省錢（別驚訝，就這麼直白）

騰出人手和精力集中研發載人龍飛船（Crew Dragon）

馬斯克本人的執念

說起省錢，相對於從頭全新製造一艘貨運龍飛船而言，重複使用龍飛船，可以大幅度減少生產線的製造壓力。想像一下相對於重新製造一輛汽車，翻修一輛泡過水的汽車能省下多少事情。復用飛船節省了大量人工和物料，雖然復用更換了部分被海水浸泡過的零件。

眾所周知的是，由於飛船發射和返回過程中，需要經受惡劣的震動、空間的輻射、再入的高溫灼燒、還有海水的浸泡等，很可能在復用中導致設備和零件因疲勞等原因失效。因此航天界之前對飛船的復用一直都相當謹慎，即使有公司有類似計劃，最終也都擱淺或者尚在開發中。之前SpaceX的工程師當時比對了所復用的龍飛船首次飛行中經歷的結構載荷記錄和組件在最初設計時留下的設計裕量，認為各個零部件仍具有足夠的壽命和可靠性。

這就是龍飛船復用的主體部分（來源：SpaceX）

Draco是一種採用有毒燃料組合的推力400N的姿態控制發動機，貨運龍上裝有18個Draco發動機，載人龍也有，圖中正在噴射的就是，這個位置在落海後基本都要泡海水

NASA顯然對2015年CRS-7任務中的凌空一炸仍然心有餘悸

除了節省經費之外，SpaceX作為史上首個向國際空間站輸送貨物的私人航天公司，自2012年以來已經16次向空間站發射貨運飛船。NASA與SpaceX曾簽訂過CRS1與CRS2兩個階段的貨運飛船發射合同（CRS，Commercial Resupply Services），包括在2024年前向空間站發射至少26艘貨運飛船，這是美國現役貨運飛船發射合同中次數最多的一家，也是發射頻率最高的一家。雖然與俄羅斯的進步系列飛船在總發射數上難以匹敵，但是近幾年來看，龍飛船「快遞」已經成為了國際空間站快遞小哥中的「半壁江山」，與功勛卓著的進步飛船平分秋色。

火箭、飛船的回收和重複利用，都是馬斯克一直堅持的理念，但是2015年和2016年兩次連續的爆炸事故，讓公司的發展陷入困頓。尤其是2016年9月1日公司獵鷹9火箭突如其來的驚天一炸，徹底把這個夢擊得粉碎，公司一夜之間再次跌下神壇，各路負面消息一時間充斥媒體。

這已經是SpaceX史上第三次重大挫折了，創業道路之坎坷可見一斑

歷經3個月的事故調查，公司於2017年初恢復了火箭發射。並在2017年交上了18次發射全部成功的傲人答卷！詳見2017年全球航天發射集錦和盤點。然後就是2018年，重型獵鷹火箭成功首射！

馬斯克最早在2013年TED的一次訪談中公開展示了火箭回收復用和芯級並聯的設想，當時迎來的不僅是掌聲，也有嘲笑和不屑。畢竟有著太空梭和N1火箭的反面典型在前面，重複使用的航天器無異於天方夜譚。然而「重複使用」四個字，正是SpaceX創立17年來最大的夢想，筆者也認為是從根本上降低天地往返費用的終極解決辦法，雖然不能說SpaceX的道路一定會最終成功，但是SpaceX卻一直在這條道路上不斷前行，歷經數不清的挑戰、嘲笑和失敗，卻仍然初心不改。

他們曾經這樣失敗過（2016年9月1日，Amos-6爆炸事故）

也曾經這樣失敗過（2015年7月，CRS-7解體事故）

還有這樣（回收失敗）

還有（ABS-2A和Eutelsat 117 West B一箭雙星任務，回收失敗）

還有（2015年初，Jason-3任務後回收失敗）

或許這才是這家公司之所以能夠如此引人注目和備受推崇的原因，或許載人龍飛船和可回收火箭只是和太空梭一樣，是另一個成功而又失敗的偉大嘗試。翻開網路上有關這家公司的新聞，從來都是極富爭議的——鮮花和雞蛋同飛，讚揚與批評同框。這家公司曾經被無數人嘲笑過，也被無數的網友謾罵過，但這家公司終於堅持到了成功的一天。畢竟，只有不懼風險，勇敢嘗試的人才有資格征服太空，而等著看笑話的人永遠只能等著看笑話。

來源：航天愛好者

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