安塔瑞斯運(yùn)載火箭

核心提示：

美國(guó)宇航局的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃”（cots）遭遇重大挫折，10月28日，由軌道科學(xué)公司研制的安塔瑞斯運(yùn)載火箭在發(fā)射為國(guó)際空間站運(yùn)送貨物和補(bǔ)給的天鵝座飛船時(shí)，升空僅6秒鐘就凌空爆炸，不僅箭船俱失，其發(fā)射臺(tái)也受到了嚴(yán)重?fù)p毀，慘烈程度堪比1986年1月28日挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)不幸爆炸時(shí)的場(chǎng)景。

對(duì)此，人們不禁會(huì)問(wèn)，美國(guó)的“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃”是怎么回事？此次天鵝座飛船為什么會(huì)發(fā)射失??？未來(lái)的商業(yè)航天是否還有前途？

火箭發(fā)射升空瞬間

航天飛機(jī)失事

私營(yíng)公司進(jìn)軍商業(yè)航天

“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃”的誕生有著深刻的歷史背景，2001年，哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在返回途中次發(fā)生慘禍，導(dǎo)致美國(guó)不得不中止整個(gè)航天飛機(jī)計(jì)劃。此后，美國(guó)宇航局開(kāi)始反思自身以往航天活動(dòng)的可靠性與成本問(wèn)題。于是就出現(xiàn)了從過(guò)去只從私人公司購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品，轉(zhuǎn)到不但購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品，而且還購(gòu)買(mǎi)發(fā)射、運(yùn)營(yíng)等全方位的服務(wù)，這就有了“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃”。

目前，太空探索公司的龍飛船、軌道科學(xué)公司的天鵝座飛船是該計(jì)劃中的佼佼者，后續(xù)的龍飛船和波音公司的cst-100飛船還將承擔(dān)起國(guó)際空間站航天員乘組的天地往返運(yùn)輸任務(wù)。

當(dāng)然，“商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)計(jì)劃”僅僅是由美國(guó)宇航局通過(guò)投資研發(fā)這些用于商業(yè)運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)，主要包括運(yùn)載火箭、飛船、發(fā)射設(shè)施和測(cè)控等方面的產(chǎn)品與技術(shù)，而運(yùn)輸貨物的服務(wù)實(shí)際是由“商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)”（crs）項(xiàng)目進(jìn)行支持。在這個(gè)項(xiàng)目中，軌道科學(xué)公司獲得了19億美元的合同，將在2016年前通過(guò)8次發(fā)射服務(wù)向國(guó)際空間站運(yùn)送20噸貨物。

截至目前，龍飛船和天鵝座飛船已經(jīng)成功地進(jìn)行了數(shù)次商業(yè)運(yùn)輸服務(wù)任務(wù)，向國(guó)際空間站運(yùn)輸了很多物資。其中，龍飛船甚至還具備了貨物下行能力，能夠?qū)?guó)際空間站上的試驗(yàn)樣品和產(chǎn)品進(jìn)行回收。10月25日，龍飛船攜帶小老鼠和其他貨物降落在太平洋上，這也是商業(yè)飛船首次運(yùn)載哺乳動(dòng)物活體往返國(guó)際空間站與地球。

失敗爆炸時(shí)的場(chǎng)景

技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)欠缺

先天不足與高風(fēng)險(xiǎn)并存

在太空探索公司與軌道科學(xué)公司從零開(kāi)始，僅僅用了幾年就取得令人炫目的成就背后，我們應(yīng)當(dāng)看到，人類(lèi)的航天活動(dòng)依然是一種高風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng)。迄今為止，航天器不可能做到像民航飛機(jī)那樣的可靠性，也不可能實(shí)現(xiàn)類(lèi)似的成本。在以降低成本為主要目標(biāo)的商業(yè)航天活動(dòng)中，犧牲各種可靠性措施帶來(lái)的高風(fēng)險(xiǎn)的確值得我們重視。

目前，各航天大國(guó)都已形成了非常成熟的行業(yè)規(guī)范來(lái)確保航天器的順利發(fā)射。在人類(lèi)航天活動(dòng)的早期，特別是上世紀(jì)五、六十年代的太空競(jìng)賽時(shí)期，慘烈的發(fā)射失敗更是“家常便飯”。如今可靠性已經(jīng)極大提高的航天活動(dòng)，恰恰是建立在吸取這些失敗教訓(xùn)的基礎(chǔ)之上。因此，商業(yè)航天對(duì)當(dāng)前確?？煽啃缘母鞣N規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)化、修改，將有可能再次“交學(xué)費(fèi)”，再次付出血的代價(jià)。

與傳統(tǒng)的航天企業(yè)不同，目前從事商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)的幾家公司均有不同程度的先天不足。以軌道科學(xué)公司為例，由于該公司過(guò)去沒(méi)有研發(fā)大型液體運(yùn)載火箭的經(jīng)驗(yàn)，因此其安塔瑞斯火箭的很多設(shè)計(jì)和研制都要依賴(lài)于烏克蘭的南方設(shè)計(jì)局。

此次發(fā)射任務(wù)中，安塔瑞斯火箭的第二級(jí)采用了atk公司研制的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而在目前世界上的主流運(yùn)載火箭中，第一級(jí)采用液體發(fā)動(dòng)機(jī)而第二級(jí)采用固體發(fā)動(dòng)機(jī)的配置已非常少見(jiàn)。更奇怪的是，軌道科學(xué)公司為將來(lái)其他潛在的飛行任務(wù)發(fā)展的第三級(jí)火箭卻又采用了液體動(dòng)力系統(tǒng)?？梢钥闯?，由于在分系統(tǒng)的配置上缺少可選擇的途徑，安塔瑞斯火箭幾乎是一種“拼湊”出來(lái)的產(chǎn)品。

另一方面，安塔瑞斯火箭第一級(jí)采用的是2臺(tái)aerojet公司的aj26-62發(fā)動(dòng)機(jī)，而這種發(fā)動(dòng)機(jī)是由蘇聯(lián)用于載人登月的n-1 重型火箭上的nk-33發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來(lái)的。

由于nk-33發(fā)動(dòng)機(jī)的推力相對(duì)較小，n-1火箭為實(shí)現(xiàn)近百?lài)嵉倪\(yùn)載能力，竟然在第一級(jí)火箭使用了30臺(tái)nk-33！當(dāng)時(shí)為了趕進(jìn)度，蘇聯(lián)在不進(jìn)行充分地面試驗(yàn)的情況下就開(kāi)展飛行試驗(yàn)。雖然nk-33 發(fā)動(dòng)機(jī)本身性能很好，但30臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)工作，產(chǎn)生了很多振動(dòng)方面的問(wèn)題，在飛行過(guò)程中極易導(dǎo)致管路、閥門(mén)失效。最終，4次試驗(yàn)性發(fā)射全部失敗，其中最慘烈的一次，攜帶超過(guò)2000噸燃料的n-1巨型火箭在發(fā)射臺(tái)上爆炸，其威力簡(jiǎn)直就像一枚小型原子彈，瞬間將整個(gè)發(fā)射臺(tái)夷為平地。今天，安塔瑞斯火箭同樣在使用nk-33發(fā)動(dòng)機(jī)的派生產(chǎn)品，同樣造成了lp-0a發(fā)射臺(tái)的嚴(yán)重?fù)p壞。歷史的輪回就是這樣殘酷，而歷史的重演又是這樣悲催！

受損的發(fā)射架

“必修課”無(wú)法繞開(kāi)

商業(yè)航天之路依舊漫長(zhǎng)

目前，商業(yè)軌道運(yùn)輸服務(wù)只是進(jìn)行了貨運(yùn)方面的嘗試，即使發(fā)射失敗也不會(huì)造成乘組的人員傷亡。但在未來(lái)的乘組運(yùn)輸服務(wù)中，卻不允許有絲毫閃失。無(wú)論是龍飛船還是天鵝座飛船，都是飛到國(guó)際空間站旁，然后由機(jī)械臂將其靠泊在對(duì)接口上，這在很大程度上簡(jiǎn)化了飛船的設(shè)計(jì)。而未來(lái)的載人運(yùn)輸飛船，則要求在空間站沒(méi)有人的情況下也能與之對(duì)接，這就使得靠空間站內(nèi)的航天員操作機(jī)械臂將飛船抓捕的方式不再可用，回到了采用交會(huì)對(duì)接系統(tǒng)的傳統(tǒng)路線(xiàn)上來(lái)。

盡管太空探索公司與軌道科學(xué)公司有很多現(xiàn)成的資源可以利用，美國(guó)宇航局也可以為他們開(kāi)放很多已有的成果，但交會(huì)對(duì)接技術(shù)本身就是牽涉到整個(gè)飛行器總體設(shè)計(jì)的全局性技術(shù)。其使用的導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制系統(tǒng)以及交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)，都對(duì)整個(gè)飛行器的設(shè)計(jì)和飛行操作有很多影響和限制。解決所有的問(wèn)題，并能夠通過(guò)地面試驗(yàn)規(guī)避可能出現(xiàn)的各種問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)并非易事。

雖然私營(yíng)公司在商業(yè)航天飛行任務(wù)的管理和運(yùn)營(yíng)方面有很多自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，但很多“必修課”是繞不過(guò)去的，商業(yè)航天之路依舊漫長(zhǎng)。在我們今天為安塔瑞斯火箭發(fā)射失敗惋惜的同時(shí)，也期待商業(yè)航天未來(lái)能克服重重困難，在人類(lèi)追求“低成本、高可靠”的目標(biāo)上繼續(xù)前行。（楊宇光）