CRS— 8：一箭雙雕的太空之旅

張雪松

北京時間2016年4月9日上午4點43分，美國太空探索技術公司（SpaceX）的“獵鷹九號”火箭搭載著龍式飛船在佛羅里達州的卡納維拉爾角空軍基地成功發射升空。8分半鐘后，“獵鷹九號”第一級成功實現了首次海上降落，與此同時，攜帶充氣式太空艙的龍式飛船將與國際空間站對接，執行代號為CRS-8的國際空間站貨運任務。

BEAM充氣式太空艙

這次任務中，龍式飛船裝載了有史以來最多的貨物——重達3.18噸。除了為國際空間站送去必需的食物、水以及其他供給物品以外，它還搭載了比奇洛航天公司（Bigelow Aerospace，以下簡稱比奇洛）研發的可擴展活動模塊（BEAM）——一款備受矚目的充氣式太空艙。

太空艙大變身

BEAM重1.36噸，當它被機械臂從龍式飛船取出，和國際空間站對接后，會在徑向和軸向兩個方向上緩慢地膨脹展開，最終達到3.2米直徑和4米長度，內部空間則可增加到16立方米。

16立方米的空間并不是一個多么驚人的成就，例如“天宮一號”飛行器的內部活動空間就達到了15立方米。但相比傳統艙段的金屬外殼，BEAM的外殼采用了高性能復合材料，早期曾用凱夫拉纖維，后來又改用性能更好的高分子材料——超高分子量聚乙烯纖維，這種材料具有重量輕的優勢。充氣設計為BEAM帶來了體積小的獨特優勢，它與國際空間站對接充氣后，又可以為航天員提供更大的活動空間，具有傳統太空艙不可比擬的優勢。

別小看了BEAM

日常的經驗告訴我們，充氣的氣球總是易爆，因而很多人從經驗出發，難免會有這樣的疑問：充氣式太空艙真的靠譜嗎？看了影片《地心引力》的觀眾更要顯擺一下自己的“內行”：要是遇到隕石或太空垃圾，航天員怎么逃生？冒險住進“氣球”里安全嗎？

BEAM使用的超高分子量聚乙烯纖維是高性能防彈衣普遍使用的防護材料，具有很高的防彈性能。此外，BEAM的微隕石和軌道碎片保護層采用精心設計的多層防護結構，它對隕石和碎片的防護效果甚至比現有的高強度鋁合金外殼的金屬艙段還要好。看來，我們無需杞人憂天，為住在“氣球”里的航天員擔驚受怕，其實他們是待在多層防彈衣里面呢！

比奇洛的“太空旅館夢”

BEAM并非是比奇洛第一個發射上天的充氣式太空艙，早在2006年，比奇洛就使用俄羅斯“第聶伯號”火箭發射了“起源一號”和“起源二號”充氣式試驗太空艙，不過它們僅使用了徑向充氣的展開方案，并且這兩款“開路先鋒”均只有6個月的設計壽命。這兩款起源試驗艙最終卻飛行了長達兩年半的時間，而此次比奇洛聲稱BEAM能正常使用兩年。如此看來，比奇洛有這樣的底氣也就不足為怪了。

BEAM只是牛刀小試，比奇洛還雄心勃勃地提出了BA330和BA2100的方案。顧名思義，BA330內部加壓空間可達330立方米，BA2100內部加壓空間可達2100立方米，后者比國際空間站916立方米的加壓空間還要大一倍多。

雖然到目前為止，充氣式太空艙的優勢還是理論上的，但BEAM即將進行長時間的軌道飛行，一旦它經受住了太空環境嚴苛的考驗，比奇洛必定會用BA330甚至BA2100艙段實現多年的“太空旅館夢”。就在近日，NASA和比奇洛達成合作意向，計劃將BA330與國際空間站對接。假以時日，BA330不僅將用于近地軌道的太空旅館，還將用于載人深空探測任務，比如月面基地、深空空間站和火星飛船。

從這個意義上說，BEAM雖然在體積和重量上都算小型的，但它作為起源試驗艙和BA330實用艙段之間的過渡，在充氣太空艙技術發展上有著承前啟后的重要作用，將有望為人類載人航天活動開辟更廣闊的前景！

海上回收火箭

BEAM的亮相開啟了新一輪的太空夢，但再美好的夢，面對居高不下的航天發射成本，也無法變成現實。令人欣喜的是，CRS- 8發射任務的支線任務——“獵鷹九號”火箭的海上降落回收試驗，為太空夢的實現帶來了新的希望。

昂貴的航天發射

我們對一次性筷子、日用餐巾紙和一次性注射器等一次性物品并不陌生，這些一次性物品具有生產成本低的優勢。以往的運載火箭雖然也都是一次性的，但它的成本卻高達幾千萬甚至上億美元，這也成了阻礙航天產業進一步發展的絆腳石。火箭的回收及重復使用則可以有效分攤并降低成本。

相比運載火箭，航天飛機是著眼于重復利用的飛行器，是人類自由進出太空的工具。它借助外置燃料箱和固體助推器為起飛提供絕大部分的推力，設計十分巧妙，但它卻無法滿足對低發射成本的期待。航天飛機外置燃料箱要5000萬美元，每次任務返回地面后，主發動機的維修則需要單臺500萬美元的巨額費用，而單這兩項巨額的花費就已經達到了“獵鷹九號”火箭一次性使用的成本。此外，航天飛機每次的發射成本更是高達4.5億美元，遠比現在任何一種一次性運載火箭都要貴。

回收火箭的漫漫征途

運載火箭為了增加發射時的運力，整體結構必須做到盡可能輕，這個皮薄且脆弱的“大家伙”要想在發射后成功完整地返回大氣層實非易事。那么，運載火箭的回收只能是一條行不通的死胡同么？

2002年，埃隆·馬斯克創立了SpaceX，該公司剛創立便執著地推動運載火箭的重復使用。多級火箭的每一級都裝有發動機與燃料。從尾部最初一級開始，每級火箭燃料用完后自動脫落，同時下一級火箭發動機開始工作，使飛行器繼續加速前進。“獵鷹九號”暫時只做了第一級的回收工作，這一級火箭分離速度低，在很大程度上降低了回收的技術難度。著眼重復使用的火箭只比一次性的火箭多加了四個著陸腿和四個柵格翼。通過這樣獨具匠心的設計，“獵鷹九號”火箭做到了進可攻退可守。如果火箭回收成功，“獵鷹九號”火箭將進一步降低成本。即使回收不成功，一次性的“獵鷹九號”火箭仍然是一種物美價廉的運載火箭。

2015年1月和4月，“獵鷹九號”火箭連續兩次的海上降落回收試驗均以失敗告終，火箭都無一幸免地砸到了回收船上，一時間，外界議論紛紛。雪上加霜的是，SpaceX又遭遇了一次“獵鷹九號”火箭的發射爆炸，此時成功回收火箭的愿望似乎已變得更加遙不可及。但SpaceX并未氣餒，北京時間2015年12月23日，經改造的“獵鷹九號”火箭第一級成功飛回卡納維拉爾角的著陸場并在陸地著陸成功，SpaceX多年的堅持終于有了回報！

在海上平臺成功“軟著陸”

即使“獵鷹九號”火箭第一級陸上成功著陸，關于海上回收火箭的質疑聲卻仍未平息，很多人仍然認為，受海浪等因素的影響，實現火箭的海上回收仍困難重重。

但對于SpaceX來說，海上回收火箭有著陸上回收無法取代的價值。相比陸上回收火箭多達30%的運力下降，海上回收損失的運力只有15%，這在發射更大更重的飛船和衛星上的優勢不言而喻。

2016年，SpaceX繼續進行火箭海上降落回收試驗，但連續兩次降落都以失敗告終，后一次居然把回收船的甲板砸出了一個大坑。2016年4月9日，“獵鷹九號”再次“出征”，它的第一級終于非常順利地在回收船上降落。有趣的是，幾次海上降落回收試驗使用的是同一艘回收船，它的名字叫“Of Course I Still Love You”（當然我依然愛你），對比上一次砸出一個大坑的沮喪和這次成功的歡呼雀躍，這個名字實在是應景得很。

結 語

回收運載火箭有望大幅度降低航天發射的成本，SpaceX甚至大膽暢想“獵鷹九號”火箭第一級進行100次重復使用的樂觀前景。到那時，“獵鷹九號”火箭的性價比將打遍天下無敵手，甚至可能由此拉開大航天時代的序幕。充氣式太空艙可以為太空活動提供更大的生活空間，上述兩者的結合將使移民外星不再遙不可及。很多年后，當我們的下一代人成為“外星人”時，也許你才會發現，所有的一切都來自這次例行的空間站貨運任務！