详解SpaceX载人飞船返回地球全过程：这十大知识点你全知道吗？

腾讯太空  文/乔辉
北京时间2020年8月3日凌晨2点53分左右，SpaceX载人龙飞船成功溅落在大西洋面上，这是龙飞船首次执行载人飞行任务，这也标志着世界商业载人航天新时代的开始。（注：在海洋上的降落称为“溅落”，对应英文splashdown）。
图注：在四个减速伞的作用下，龙飞船缓缓降落在洋面上。
图注：在四个减速伞的作用下，龙飞船缓缓降落在洋面上。
图注：载人龙飞船被打捞到救援船甲板上。
本次试飞主要是为了对载人龙飞船进行各项验证，通过评估之后，龙飞船将正式执行NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”（Commercial Crew Program），预计首次正式载人飞行将在今年9月份进行，届时将有四名宇航员飞赴国际空间站。
一、龙飞船返回地球的步骤有哪些？
1、宇航员进入龙飞船，飞船舱门关闭。
2、国际空间站上的舱门关闭。
3、龙飞船自动脱离国际空间站。
4、龙飞船调整飞行轨道。
5、龙飞船丢弃服务舱。
6、龙飞船顶部的天龙座发动机点燃，进行脱轨制动。
7、龙飞船的鼻锥盖关闭。
8、龙飞船开始进入大气层，利用气动减速。温度可接近2000度。
9、在大约5.4公里的高度，两个引导伞打开，把速度降低到560公里每小时。
10、在大约2公里的高度，四个主减速伞打开，把速度降低到190公里每小时。
11、飞船溅落到海洋上，等待救援队到来。
二、龙飞船返回地球的最大难点是什么？
我们知道，龙飞船在距离地面400公里的高度上绕地球高速运动，速度大约7.66公里每秒，接近第一宇宙速度7.9公里每秒。
你想想看，龙飞船在400公里高度上以如此之快的速度运动，要想让它稳稳降落在地球上，将是一件多么困难的事情，这也是所有从太空返回地球的航天器要经受的严峻考验，尤其是载人返回，还是具有极高风险的。
当龙飞船脱离国际空间站后，首先摒弃服务舱，然后择机进行返回制动点火，在地球引力的作用下返回地球。
这里要简单说一句，所谓的服务舱，SpaceX使用的是Trunk一词，而不是Service module，但从作用上看有点类似于服务舱，目前尚无统一的翻译。龙飞船的服务舱是非加压的，可以搭载对气压不敏感的货物。
在飞船返回地球的时候，首先要靠飞船自身的气动阻力减速，这就要求其切入地球大气的角度非常重要。如果飞船进入地球大气层时的角度过小，有可能像打水漂一样重新弹回太空；如果进入地球大气层的角度过大，有被烧毁的可能，这种情况非常可怕。
图注：龙飞船进入地球大气层，峰值温度可接近2000度（艺术图）
在飞船进入地球大气层后，由于强烈压缩其前面的空气，造成温度急剧升高，温度接近2000度，也就是说，飞船被一层高温的等离子体包围着。等离子体有一个特性，能够屏蔽电磁波，这就造成了飞船与地面控制人员无法进行通讯，这种情况可持续6到7分钟，通常比喻为黑色恐怖的7分钟。
图注：明年，我国“天问一号”火星探测器进入火星大气层时的情景（艺术图）。
当我国“天问一号”着巡器（着陆器和巡视器）明年初在火星上降落时，也会同样经历恐怖的黑障时间。目前，人类对黑障时间仍无解，只能祈求多福了。
三、两位宇航员是谁？去国际空间站干了啥？
图注：罗伯特·L·贝恩肯（Robert L. Behnken）和道格拉斯·G·赫尔利（Douglas G. Hurley）（左）在龙飞船内部。
参加本次试飞的两位宇航员是：道格拉斯·G·赫尔利（Douglas G. Hurley）和罗伯特·L·贝恩肯（Robert L. Behnken），分别出生于1966年和1970年。
他们都是曾经三次进入过太空，而且还都是执行过航天飞机任务的老手。其中，赫尔利在太空中有超过683个小时的经验，还执行过2011年7月最后一次航天飞机任务（代号：STS-135）。
贝恩肯作为航天飞机任务专家，曾先后执行2008年的（STS-123）和2010年的（STS-130）任务，累计在太空飞行时间超过708小时，其中包括37小时的太空行走时间。
这次在国际空间站期间，贝恩肯也没闲着，他和另一位在国际空间站上的美国宇航员Chris Cassidy一起进行了四次太空行走，为国际空间站更换了6块锂离子电池，替换了老化的镍氢电池，这些锂离子电池是此前由日本货运飞船运送来的。
其实，作为一次试飞，并没有安排太多任务，只要能平安返回地球，就是最大的成功。
四、太空中的最大建筑物：国际空间站
国际空间站总质量达420吨，长109米，宽73米，是目前太空中的最大建筑物。运行在距离地面大约400公里的近地轨道上，速度为每秒7.6公里。
国际空间站是一个拥有现代化科研设备、可开展大规模、多学科基础和应用科学研究的空间实验室，为在微重力环境下开展科学实验研究提供了大量实验载荷和资源，支持人在地球轨道长期驻留。
国际空间站项目由16个国家共同建造、运行和使用，是有史以来规模最大、耗时最长且涉及国家最多的空间国际合作项目。自1998年正式建站以来，经过十多年的建设，于2010年完成建造任务转入全面使用阶段。
目前，国际空间站主要由美国宇航局、俄罗斯国家航天集团、欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构和加拿大空间局共同运营。
五、龙飞船具备自动对接能力和全程逃逸能力
此前，我们已经了解，载人龙飞船属于SpaceX研制的第二代龙飞船（Dragon 2），具备可重复使用的能力。第二代龙飞船可分为载人龙飞船和货运龙飞船两种，其前身是第一代货运龙飞船（Dragon 1）。新飞船可以自动与空间站完成对接，而不像第一代飞船那样，需要借助空间站上的机械臂的帮助。当然，载人龙飞船也保留了人工对接的选项。
本次使用的载人龙飞船，直径4米，高8.1米，最多可搭载7位宇航员，这与航天飞机搭载的宇航员数量相同，也与我国今年5月5日测试的“新一代载人飞船”设计上能够搭载的宇航员数量相同。
载人龙飞船集成有8个推力强大的“超级天龙座”火箭，火箭两两分组，安装在飞船的侧壁，作为逃生使用，每个发动机的推力可达71千牛，换算成大家有直观感觉的表示方式就是相当于7.1吨的推力。此外，还装有16个推力相对较小的“天龙座”发动机喷口，用于姿态控制和轨道机动。
图注：2020年1月19日，SpaceX成功进行了“飞行中止测试”试验。
熟悉载人航天的朋友，可能会留意到，无论是阿波罗登月火箭，还是我国的长征2F载人运载火箭，在火箭顶部都有个逃逸塔。
图注：阿波罗飞船的逃逸塔。
逃逸塔的作用就是在火箭发射起始阶段，如果发生意外，可以启动逃逸塔火箭，把飞船带离到安全的高度，然后着陆。如果发射一切顺利，等火箭飞到一定的高度，逃逸塔会分离，然后丢弃。而载人版龙飞船相当于把逃逸塔集成在船身上，这样做有什么好处呢？
这种方式能够使飞船具备“全程逃逸”的能力！也就是说，在飞船飞行的任何阶段出问题，都具备逃生能力，而逃逸塔只能保证火箭发射初始阶段的逃生。这也是未来载人飞船逃逸的新方式。
六、龙飞船未来的载人飞行计划
按目前的计划，龙飞船的第一次正式飞行（SpaceX Crew-1）将安排在2020年9月份，届时将有四名宇航员搭乘龙飞船飞赴国际空间站，他们在那里将停留6个月。
图注：龙飞船的第一次正式飞行（SpaceX Crew-1）将安排在2020年9月份，届时将有四名宇航员搭乘龙飞船飞赴国际空间站。
如果一切按计划进行，2021年上半年还将安排第二次正式飞行（SpaceX Crew-2），那次飞行将使用本次载人测试飞行的这艘龙飞船。
七、为什么美国急切恢复载人航天能力？
众所周知，美国在1969年就完成了人类首次登月，代表人类踏上了另一颗星球。阿波罗期间，总共完成7次载人登月发射，其中6次成功把12名宇航员送到月球。唯一的阿波罗13号虽然没有成功，但3名宇航员毫发无损返回地球。
图注：1986年挑战者号航天飞机升空后爆炸
图注：2003年哥伦比亚号航天飞机空中解体。
1981年，美国又成功发射了第一架航天飞机“哥伦比亚”号，一次就能把7名宇航员送上近地轨道。美国总共建造了5架航天飞机，强大的运输能力为建设国际空间站立下了汗马功劳！
但遗憾的是，挑战者号航天飞机和哥伦比亚号航天飞机分别在发射和返回时发生了事故，导致总共14名宇航员罹难。5架航天飞机失去了2架，真是非常惨。其中的故事想必大家都已非常了解，特别是1986年挑战者号航天飞机爆炸的事件早已经编入了教科书，这里就不多赘述了。
图注：阿特兰蒂斯号航天飞机的返回标志着航天飞机时代的谢幕。
2011年7月21日，随着阿特兰蒂斯号航天飞机在肯尼迪航天中心的降落，整个航天飞机全部停飞，从此，强大的美国失去了载人航天的能力。
今后飞国际空间站咋办呢？这时，昔日的宿敌俄罗斯伸出了橄榄枝，俄罗斯有成熟可靠的载人“联盟”飞船。当然，这可不是免费的午餐。
图注：俄罗斯的联盟号飞船发射。
据说，刚开始的费用是每位宇航员2000多万美元，最近NASA购买的2020年秋天发射的一个座位，价格已经暴涨到了9000多万美元。据统计，自从航天飞机停飞以来，NASA已向俄罗斯累计支付超过35亿美元。
因此，NASA非常希望包括SpaceX在内的国内私营企业能够挑起大梁，让美国再次获得在本土发射载人飞船的能力。
八、NASA商业载人项目还有哪个公司参加？
图注：SpaceX的龙飞船和波音的星际航班飞船与国际空间站（艺术图）
2014年9月，NASA选定SpaceX和波音公司参加商业载人项目，分别获得26亿美元和42亿美元的资助。波音公司制造了“星际航班”（Starliner）飞船运送宇航员，但总体上进度稍落后于SpaceX。下面我们来简单比较一下星际航班飞船与龙飞船有何异同：
1、容量相同：这两个飞船具有相似的设计功能——每个飞船最多可以容纳七个人。
2、发射火箭不同：星际航班是用联合发射联盟公司（波音和洛克希德马丁公司的合资企业）的宇宙神五火箭发射升空。SpaceX公司正在使用自己的火箭猎鹰9号发射载人版龙飞船。
3、返回场地不同：星际航班选择通过气囊辅助伞陆地降落；龙飞船是在海上降落。
4、价格不同：SpaceX的发射更便宜。NASA监察长11月发布的一份报告指出，SpaceX公司载人飞船的每个座位发射成本约为5500万美元，波音公司为9000万美元。从价格上看，购买波音公司座位的费用和购买俄罗斯联盟飞船差不多，但毕竟波音是美国自己的公司，这点比较重要。
图注：2019年12月，波音的星际航班飞船在沙漠降落场降落。
2019年12月20日，波音进行了一次星际航班飞船无人发射，目标是与国际空间站对接。在飞行中，船箭分离正常。但令人遗憾的是，由于飞船在入轨机动过程中燃料消耗比预期要多，与国际空间站交汇失之交臂，两天后成功返回地球。
根据计划，2020年10月份，波音将再补一次星际航班飞船的无人测试发射，目标仍然是国际空间站。如果通过将来这次测试，2021年将进行首次载人发射。
九、首次载人龙飞船时间线
北京时间5月31日3点22分：从佛罗里达卡纳维拉尔角航天中心发射升空。
升空后1分钟：火箭达到最大气动压力。
升空后2分40秒：一级火箭分离，同时二级火箭点火。
升空后8分50秒：二级火箭熄火。
升空后9分31秒：一级火箭降落在大洋漂浮平台上。
升空后12分08秒：龙飞船与二级火箭分离，开始追逐国际空间站。
图注：龙飞船与国际空间站正准备对接时的情景。
升空后19小时05分：龙飞船与国际空间站对接成功。
升空后21小时39分：对接舱盖打开。
图注：国际空间站上的三位宇航员与龙飞船上的两位宇航员（黑色上衣）相聚时的情景。
升空后21小时59分：赫尔利和贝恩肯进入国际空间站。
升空后27天：第一次太空行走。
升空后32天：第二次太空行走。
升空后47天：第三次太空行走。
升空后52天：第四次太空行走。
升空后63天：龙飞船脱离国际空间站。
升空后64天，北京时间2020年8月3日凌晨2点53分左右：龙飞船返回地球，溅落在大西洋洋面。
十、龙飞船首次载人试验飞行的意义是什么？
本次是NASA与SpaceX签订的“商业载人项目”（Commercial Crew Program）的组成部分。意义至少可以从三个层面来理解：
第一个层面，对于SpaceX公司来讲，重要性毋庸置疑，本次试验飞行是该公司的首次载人发射，成功就意味着拿到了商业载人航天的入场券，未来前景无可限量；
第二个层面，对于美国和NASA来讲，意味着自从2011年航天飞机退役以来，再次恢复载人航天能力；
第三个层面，对于整个世界商业航天来讲，意味着揭开了商业载人航天的帷幕，商业航天走进新时代。
探索和开发外太空是人类的共同愿望。今年，阿联酋的“希望”号火星探测器，我国的“天问一号”火星探测器和美国的“毅力号”火星车相继发射，目前正在飞往火星的漫漫旅途中。
图注：未来SpaceX星舰飞船在火星上起降（艺术图）
对于SpaceX创始人马斯克来讲，载人登陆火星也是他的终极梦想，本次载人发射和成功返回也将促进他梦想的早日实现。
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