“新謝潑德”載人首飛：千億富豪的冒險之旅

文/ 遲惑

▲“新謝潑德”點火起飛

▲ 乘員艙安全著陸

2021年7月20日上午，美國亞馬遜公司創始人杰夫·貝索斯乘坐新謝潑德號火箭升空，開啟首次太空之旅。約7分鐘后，助推火箭在指定位置著陸，近11 分鐘時，載有貝索斯等人的乘員艙順利著陸，藍色起源公司的首次載人太空之旅取得成功。

除了貝索斯本人，還有幾名乘客與他一同進行這趟太空之旅，包括他的兄弟馬克·貝索斯，83 歲的女飛行員沃利·芬克，以及一名18 歲的付費旅客奧利弗·戴曼。

雖然這次飛行不能與進入國際空間站相比，但也算是向宇宙沖擊了一下，多少是有風險的。或許這是因為貝索斯功成名就，實在沒有其他事情可以引起他的激情了吧。

那么，他的“新謝潑德”飛船到底是個啥東西呢？

認識“新謝潑德”

首先要探尋一下藍色起源公司為什么要給火箭起這樣一個名字。“謝潑德”來自美國第一代載人乘員艙“水星”航天員艾倫·謝潑德，他被稱為第一個進入太空的美國人。其實這個“進入太空”是打了折扣的，謝潑德沒有像加加林那樣繞著地球轉上幾圈，而是做了一次高度186 千米的亞軌道飛行，然后降落在距離發射位置486千米的地方。貝索斯用“新謝潑德”來給自己的火箭和乘員艙起名，顯然是定了個小目標。不過水星號乘員艙在1958年開始研制，到1961年就帶著謝潑德上天了。貝索斯的“新謝潑德”搞了21年才進行載人飛行，劇情實在太冗長了。

當然，“新謝潑德”和“水星”的區別還是很大的。按照藍色起源公司的說法，“新謝潑德”是可重復使用的亞軌道火箭系統，用來運載航天員和研究有效載荷超越卡門線。

“新謝潑德”是一種完全可重復使用的垂直起飛垂直著陸（VTVL）航天器，由兩個主要部分組成：火箭部分稱為推進模塊（PM），載人部分稱為乘員艙（CC）。

乘員艙

“新謝潑德”的乘員艙采用加壓設計，可載6 人，并采用了“全高度”逃逸救生系統，在上升過程中可以在任何地方將乘員艙與助推器火箭分離。乘員艙的內部體積為15 立方米。乘員艙的逃逸救生發動機由美國阿羅杰特-洛克達因公司研制。

火箭部分采用藍色起源公司自己研制的BE-3 液氫液氧發動機。此前藍色起源公司還研究過BE-1 發動機，使用單組元過氧化氫；BE-2 發動機，采用過氧化氫和煤油。

備用著陸系統

“新謝潑德”的逃逸救生裝置并不是裝在乘員艙頂部，而是在乘員艙尾部。美國波音公司的星際線飛船乘員艙和太空探索技術公司的龍飛船乘員艙也采用同類設計。這樣做的好處是可以省掉整流罩，壞處是乘員艙外形設計受到很大限制。不過“新謝潑德”不需要復雜外形，所以沿用尾部逃逸救生系統設計是可行的。

正常情況下，“新謝潑德”的乘員艙是依靠降落傘減速著陸的。如果發生意外降落傘失靈，那么乘員艙底部還有一套備用著陸系統，可以從底部彈出一組氣囊，起到緩沖的作用。這樣乘員艙的實際降落速度可以控制在1.6 千米/小時。這套系統可以在只有兩個降落傘展開的情況下保證安全著陸。座椅可以在偏航情況下變形和吸收沖擊力。

在試驗過程中，乘員艙的過載曾達到10g，這已經是一個很大的數字了，一般只有試飛員才能承受得住。但藍源公司“新謝潑德”項目負責人阿里安·康奈爾說：“這完全符合人類所能承受的范圍，特別是在如此短的時間內”。

在2016年10月5日的第六次試驗中，曾經對逃逸火箭做過測試。當時認為，逃逸火箭一旦點火，它產生的70000 磅推力和強力噴焰會猛烈沖擊運載火箭，把它徹底破壞。但這件事并沒有發生，火箭安全地與乘員艙分離，降落在得克薩斯沙漠的地面上。

這次試驗在乘員艙里擺了一名叫作“天行者”的假人，熟悉科幻電影的人會立刻反應過來，這不是《星球大戰》里主角家族的姓氏嗎？“天行者”不是獨自上路，艙內還有各種不同的試驗設備，來自美國宇航局、商業公司和大學，其中當然也包括藍源公司自己的。藍源公司把試驗機會開放給員工，計劃的名字叫做“放飛我的東西”。

4枚“新謝潑德”和15 次飛行

“新謝潑德”的火箭和乘員艙共用一個名字，用首字母縮寫加建造序號的方式來編號，分別叫做NS1～NS4。到第一次載人飛行任務之前，“新謝潑德”一共飛行了15 次，這些飛行基本都取得了成功。然而貝索斯一直等到第16 次才敢載人，確實夠小心的。

NS3 和NS4 與NS1、NS2 有很大的區別，乘員艙部分有巨大的舷窗可觀景。NS1、NS2 都沒有窗戶，NS2 僅僅是用油漆刷了一個窗戶形狀。

· NS1

NS1 于2015年4月29日進行第一次飛行。飛行高度達到93.5 千米。雖然發射是成功的，并且通過降落傘著陸成功地回收了乘員艙，但是助推器著陸時墜毀了，原因是飛行器控制系統的液壓裝置故障。

· NS2

▲ 杰夫·貝索斯率先走出艙門

▲ 本次飛行乘組的四名成員：馬克·貝索斯，杰夫·貝索斯，18 歲的奧利弗·戴曼，82 歲的沃利·芬克（從左到右）

▲ 即將著陸的新謝潑德火箭

在損失掉了第一枚火箭后，藍色起源公司又制造了一枚新的NS2。NS2的首次飛行于2015年11月23日進行，飛行高度到達100.5 千米，乘員艙和火箭都成功回收。其中火箭成功地進行了動力垂直著陸。其實這比馬斯克的“獵鷹9號”一級回收還早一些，當然難度也小很多。

2016年1月22日，NS2 進行了第二次飛行。飛行彈道與2015年11月23日相同，最高高度達到101.7 千米。分離后乘員艙和運載火箭都完好無損地返回地面。這一成就證明了“新謝潑德”的可重復使用性和61 天的周轉時間。

▲ 即將執行NS15 任務的新謝潑德火箭

2016年4月2日，NS2 進行第三次飛行，達到103.381 千米高度，然后成功返回。

2016年6月19日，NS2 第四次飛行，再次達到100 千米（63 英里）以上，然后成功返回。乘員艙也成功回收，但這次只使用兩個降落傘，最后用應急反推火箭降落。這是一次對應急降落的測試。

NS2 的第五次也是最后一次試飛于2016年10月5日進行。主要目標是在跨音速下將乘客艙提升至最高過載，并對逃逸救生系統進行飛行試驗。當時人們對這次飛行的預期值不高，但試驗奇跡般地成功了，NS2也功成身退，不再使用。

現在使用的是NS3號，它提高了可重復使用性和熱保護性能，采用重新設計的推進模塊和新的檢修面板，以便更快地維修和改進熱保護。NS3 是有窗戶的，藍色起源公司本來只打算把它用于載貨，不能載人。

· NS3

NS3 首次飛行試驗于2017年12月12日進行。這是根據美國聯邦航空管理局頒發的發射許可證監管制度進行的首次飛行。此前的試飛是在實驗許可證下進行的，不允許運載商業付費的貨物，這使得NS3 的首飛成了藍色起源公司第一筆主業收入。

首航之后，NS3 進行了改進，主要是提高可操作性。它的第二次試飛于2018年4月29日進行。第三次飛行于2018年7月18日進行，乘員艙首次攜帶人體模型，高空飛行逃逸救生系統試驗成功。第四次NS3 飛行原計劃于2018年12月進行，但由于“地面基礎設施問題”而推遲到了2019年1月23日，最大高度為106.9 千米，搭載8 個美國宇航局的研究和技術有效載荷。此后，NS3 又進行了3 次飛行，搭載了多個有效載荷，總飛行次數7次。

· NS4

NS4 是第四個飛行體，是目前最完善的一個火箭+乘員艙組合，也將是第一次進行載人飛行的“新謝潑德”。它于2018年完工，2019年12月轉移到得克薩斯州發射場。

常規飛行過程

按照設計，“新謝潑德”從得克薩斯州西部起飛，然后進行大約110 秒的動力飛行，火箭在40 千米高度關機。但是組合體依然有很高的速度，繼續靠慣性上升，在大約100 千米的高度達到頂點。然后發動機關閉，乘員艙和火箭在機械彈簧的推力下分開。乘員艙要經歷大約3分鐘的微重力飛行。火箭在垂直著陸前幾十秒重新啟動主發動機降落。乘員艙用降落傘著陸。整個過程完全由機載計算機控制，沒有地面控制或人類飛行員操作。

飛行過程

▲ 未完工的新謝潑德飛船

▲ 首次進行亞軌道飛行的艾倫·謝潑德

BE-3 發動機

BE-3不僅僅用來驅動“新謝潑德”，它還有著更加重要的任務，那就是為聯合發射聯盟公司（ULA）的新一代火箭“火神”充當二級推力。

藍色起源公司的第一種發動機是BE-1，它使用過氧化氫推進劑，僅能產生8.9 千牛的推力。第二種叫做BE-2，采用煤油和過氧化氫燃料，能產生140 千牛的推力

然后就該輪到BE-3 了吧，其實不是。2012年美國阿羅杰特公司收購了普惠公司旗下的液體發動機制造商洛克達因公司，導致美國液體發動機制造業壟斷化進一步加深。藍源公司發現，自己有可能作為一個競爭者進入這個市場。于是藍源公司宣布與ULA 公司合作開發BE-4，工廠設在阿拉巴馬州的亨茨維爾。

到2013年1月，藍源公司宣布啟動BE-3 研制，采用液氫/液氧燃料，設計推力440 千牛。到年底，BE-3 就成功實現了全程亞軌道推進模擬試驗，包括推進、滑行和重新點火。

到2013年12月，藍源公司更新了BE-3 的技術參數，啟動了海平面試驗。試驗結果表明，BE-3 可以在全功率下產生490 千牛的推力，還可以把推力控制到110 千牛，以服務于“新謝潑德”的受控垂直著陸。2015年4月全部測試工作完成，最小推力控制到了89 千牛，發動機節流能力進一步提高，但最大推力保持不變。

到這時候，BE-3 的累計點火次數超過450 次，累計測試時間超過500分鐘，已經比較成熟了。于是，ULA 公司考慮，可以把BE-3 作為新一代火神火箭的一部分，稱為“高級低溫演化級”（ACES）。但是用于“新謝潑德”的BE-3 并不適用，因此藍源公司開發真空版的BE-3U，主要是擴大噴管的直徑，適合高空環境。這個項目得到了美國空軍的資金支持，預計真空推力為670 千牛，發動機的深度節流能力達到65%以下。

▲ “新謝潑德”的乘員安全帶

▲ “新謝潑德”的舷窗

▲ “新謝潑德”的座椅

3 分鐘的微重力實驗

“新謝潑德”乘員艙一共只能提供3 分鐘的微重力飛行。對于搭載裝置來說，必須在這3 分鐘內完成全部實驗內容。這樣短的時間和軌道飛行完全無法相比。藍色起源公司表示，“新謝潑德”雖然只能提供3分鐘的微重力環境，但有自己的優勢，其中包括：具備將有效載荷和操作員頻繁地發射到亞軌道高度的能力；能夠容納多個實驗設備和操作員；有標準接口，提供電源、冷卻、指令和控制、視頻和數據記錄；飛船降落后，地面人員就可以快速進入查看有效載荷，適用于時間敏感的試驗。

3 分鐘只是名義微重力環境持續時間。姿態控制活動可能會縮短或降低微重力環境持續的時間，所以藍色起源公司對此作了說明。

乘員艙采用了冷氣推力系統來實施姿態控制，也就是我們熟悉的反作用控制系統（RCS）。如果飛行正常，在乘員艙與運載火箭分離后的10～15 秒內，RCS 推力器會密集噴射，把整個乘員艙的俯仰、偏航和滾轉速率降為零，消除機械分離彈簧力不對稱力和殘余氣動干擾引起的影響。然后，冷氣推力器將盡量不工作。分離后約35 秒，飛行器將發出“滑行啟動”信號，RCS 推力器不再噴射，乘員艙自由飛行。當乘員艙在重力作用下再入，氣動阻力帶來的加速度已經不可忽視，RCS 將再次噴射。在微重力滑行期間，如果乘員艙俯仰角或偏航角大于45°，RCS 還是要噴射來修正。

有些試驗需要乘員艙保持特定姿態，例如將儀器指向地球上或天空中的特定位置。在這種情況下，RCS 可以保持+/-5°的精度。但是，保持特定的姿態，可能會影響微重力環境，因為它需要周期性的推力器噴射。如果同時攜帶兩類試驗設備，也就是說有些試驗需要高質量微重力環境，有些試驗希望定向到特定的姿態，那么就只能分時段執行。

▲ “新謝潑德”抵達彈道定點

▲ “新謝潑德”飛船內景

▲ “新謝潑德”飛行過程

最后，乘員的動作也可能影響微重力環境。人員的移動，甚至人員對艙壁的接觸，都會帶來這種影響。因此，恐怕純粹的游客很難與微重力實驗儀器一起飛行。

▲ 貝索斯向觀眾展示如何乘坐“新謝潑德”

按照藍色起源公司的說法，這類試驗被歸類為研究和教育任務（REM），可以從事微重力科學、空間生命科學、地球和空間科學、土地利用、教育和公眾宣傳、技術開發和示范、空間系統開發。

沙漠里的發射場

藍色起源公司的發射場位于得克薩斯州卡爾伯森縣的偏遠沙漠當中，具體在范霍恩鎮以北約40 公里處。參加飛行的人們需要長度跋涉，先飛到得克薩斯州的埃爾帕索機場，驅車193 公里到范霍恩鎮過夜。然后再開車30 分鐘，才能到“新謝潑德”的發射場，這段路藍色起源公司是不負責接送的。

發射場占地7527 公頃。其實它連發射塔架都沒有，只不過是在沙漠里做了一塊硬化地面，距離火箭廠房大約2.9公里。著陸場在發射場以北3.2 公里的位置。火箭廠房里也可以給有效載荷提供處理設施。

▲ 新謝潑德火箭構成

▲ “新謝潑德”團隊

一般來說，載人發射活動都會在白天進行。但是部分實驗可能需要在夜間實施，藍源公司也可以為這類活動提供服務。

拍賣會

藍色起源公司為了讓第一次載人飛行聲勢更加浩大一些，在6月11日舉行了公開拍賣會，價格一路上漲，場面熱烈。來自全世界159 個國家的7600 多人競相出價。最終，有一位神秘的人物報出2800 萬美元的價格，眾人嘩然。拍賣師3 次詢問之后落錘，再加上拍賣行6%的費用，這位編號為“投標人107”的勝利者將付出2800 萬美元加6%的拍賣行傭金，以總計2970萬美元登上“新謝潑德”號。

▲ 制造中的新謝潑德飛船

▲ NS15 任務回收成功

▲ NS15 任務降落后，貝索斯親自前去查看

評論家們指出，一次亞軌道飛行之所以會賣到如此高價，唯一的原因就是可以和貝索斯同行。和一位全球知名的頂級富翁一起冒險，對很多人來說是個宣傳自己的好機會。再考慮到飛行前可能有幾天共同訓練的機會，這2950萬美元在很多人眼里或許還是很值得的。畢竟美國是一個什么都可以拿來賣錢的社會。

7月11日，維珍銀河公司老板布蘭森參加了“太空船二號”的首次商業飛行。不過“太空船二號”的飛行當中，一直有兩名駕駛員在操縱，所以他沒有辦法把自己包裝成“首飛”。即使如此，布蘭森也在推特上發布了自己的照片，并且自稱“航天員一號”。

有意思的是，今天的藍色起源和維珍銀河公司很有些同病相憐的味道。維珍銀河公司CEO 邁克爾·科爾格拉澤表示，這兩次飛行的成功非常重要，“這將使人類太空飛行的理念在市場上正常化”。

當然，在現階段，打算體驗太空飛行的“人類”都不是普通人，其中相當多是億萬富翁。在“新謝潑德”的本次飛行之前，人們一度評測，亞軌道飛行的費用應該在20 萬美元左右，不會超過100 萬美元。即便如此，人們還是會有疑問：有多少人愿意出這樣一筆錢，去參加一次只有10 多分鐘的飛行呢？但從這次有近7600 名競拍參與者的數字來看，市場空間還是不小的，至少可以養活一兩家亞軌道旅游公司。★