“星际客机”飞船
美国波音公司研制载人飞船
“星际客机”飞船(英文:Starliner,又译:星际线),是美国波音公司研制的新一代可重复使用的锥形载人飞船,担负运送美国宇航员往返国际空间站任务。
研制历程
历史背景
美国载人航天飞行,在经历过1986年1月的“挑战者号航天飞机”和2003年2月“哥伦比亚号航天飞机”两次灾难性事故且评估认为综合效益不佳后,2009年9月18日,美国宇航局宣布,航天飞机将逐渐退役。
2011年7月21日,亚特兰蒂斯号航天飞机执行最后一次任务,正式结束了一个航天时代。
2011年航天飞机退役后,NASA就此失去了将宇航员送往国际空间站的能力,不得不高价租用俄罗斯的载人飞船。为摆脱困境,NASA启动了商业载人航天项目,计划由商业公司负责研制可以往返国际空间站的新一代载人飞船。但该计划一度遭到广泛质疑,美国国会也对此持怀疑态度,一再削减NASA的相关拨款。直到航空航天巨头波音公司出面表示愿意接手时,才说服了国会批准相关拨款。2014年NASA最终与波音公司和SpaceX公司签署了研制新飞船的协议,为该项目出力最多的波音公司获得了价值42亿美元的合同,而初出茅庐的SpaceX只是作为备用方案,合同价值为26亿美元。
波音公司
美国波音公司分为三个业务集团:民用飞机,防务、空间与安全,以及全球服务。
防务、空间与安全集团是集多元化与全球化为一身的组织机构,提供设计、制造、改装以及支持民用飞机改型、军用旋翼机、卫星、载人航天探测和自主系统的解决方案。该次搁浅在国际空间站的“星际客机”飞船就是该集团的产品。
波音公司是当之无愧的美国老牌载人航天器制造商。从最早的水星飞船、双子座飞船承包商麦克唐纳飞行器公司,到阿波罗飞船承包商北美航空公司,再到航天飞机轨道器承包商洛克韦尔公司,统统先后合并到波音公司麾下。可以说,美国宇航局2010年启动商业乘员发展计划时,具有研制载人飞船经验的厂商非波音公司莫属。
研制进程
2010年7月,波音公司公布新飞船研制计划目标:新飞船将在2015年前为商业载人任务做好准备。然而,其项目实施过程一再暴露设计、制造等缺陷,导致飞船进度不断推迟。直到2019年12月,“星际客机”飞船终于执行了首次无人轨道试飞任务。
2015年,波音公司将其正在研制的担负运送美国宇航员往返国际空间站任务的商业飞船CST-100正式命名为“星际客机”。
2019年12月,“星际客机”飞船开始了首次无人测试,但它刚升空就被发现了一个低级错误——飞船上的时钟没有和地面进行同步,两者相差了11小时。飞行过程中,飞船根据错误的时间进行计算,认为飞船偏离了轨道,于是启动发动机试图矫正,很快就把有限的燃料耗尽,没能达到预定飞行高度,与国际空间站的对接也被取消。NASA将这次任务形容为“灾难性的失败”。
2021年8月,经过改进的“星际客机”被装到火箭上后,发现飞船的多个阀门被腐蚀堵塞,只能取消发射进行重新检修。一直等到2022年5月,波音公司才成功完成了“星际客机”的首次无人测试飞行,但NASA宣布发现一系列新问题,例如缠绕在电线绝缘层上的保护带错误使用了易燃材料,降落伞系统可能比预期更脆弱,需要重新设计和测试。这导致首次载人飞行任务一再推迟。
NASA原先宣布“星际客机”于2024年5月6日开始首次载人飞行,但在发射前两小时之际,倒数计时被终止。NASA解释说,执行发射任务的“阿特拉斯5”号运载火箭的一个减压阀出现问题。解决这个问题时,波音公司发现了另一个问题:“星际客机”飞船存在氦气泄漏。6月1日,再次被送上发射台的“星际客机”在倒计时还剩不到4分钟时又被叫停,这次是控制发射的飞行计算机出现了问题。于是“星际客机”的首次载人发射任务一直等到6月5日才最终完成。
系统组成
飞船系统
“星际客机”飞船是波音公司研制的新一代可重复使用载人飞船,采用串联双舱构型,由乘员舱和服务舱构成,其中乘员舱理论上可以重复使用10次。
“星际客机”飞船通过采用部分可重复使用设计,希望显著降低载人航天任务成本,提高相关任务的可持续性。具体来说,“星际客机”飞船的外形与阿波罗飞船相似,采用乘员舱和服务舱串联双舱构型。其中,乘员舱设计能够重复使用10次,回收复用周期为6个月。为了确保每次回收均“轻柔”降落地面,乘员舱不仅配备了硕大的降落伞,还在底部安装了安全气囊,以便充分缓解着陆冲击。
“星际客机”飞船为两舱段设计,包括乘员舱和服务舱两部分。乘员舱为锥形,主要负责运送人员和货物;服务舱为圆柱形,具备发射逃逸、姿轨控、发电、热辐射等功能。飞船设计最多可搭载7名乘员,也可以乘员加货物的形式进行混合搭载。飞船独立飞行状态设计寿命60小时,对接状态设计寿命210天,具备重复使用能力,最多可使用10次,以6个月为周期实现复飞。
运载火箭
宇宙神-5运载火箭(又称:“阿特拉斯-5”火箭)承担“星际客机”飞船的发射任务。宇宙神-5运载火箭是美国洛克希德·马丁公司研制大型液体燃料运载火箭。
宇宙神-5 系列运载火箭包括400构型系列和500构型系列,共14个型号,各型宇宙神-5运载火箭的命名规则是:宇宙神-5(abc),a用4或5标注,分别表示火箭顶端4米或5米直径的整流罩;b用0~5标注,代表火箭通用芯级绑的固体助推器数量;c用1或2标注,表示“半人马座上面级”发动机的数量。
宇宙神-5运载火箭采用两级或两级半结构,每种型号使用的公用模块是:3.81米直径的宇宙神通用芯级和3.05 米直径的半人马座上面级。
宇宙神-5火箭通用芯级使用1台RD-180液氧煤油火箭发动机,该种发动机采用分级燃烧循环、双燃烧室,具有47~100%的节流调节能力,无节流工作时的真空推力达到422吨,真空比冲为3304米秒。
半人马座上面级使用1台或2台普拉特•惠特尼公司的RL10A-4-2液氢液氧发动机,其真空推力达到10吨/台,比冲为4415米秒。
美国该次发射“星际客机”飞船,采用的是宇宙神-5(422)构型(Atlas-5-422),即火箭通用芯级(1台RD-180液氧煤油发动机)捆绑两个固体助推器(2台AJ-60A型或2台GEM-63型固体燃料火箭发动机),半人马座上面级采用2台RL10A-4-2液氢液氧发动机。
设计参数
任务规划
“星际客机”飞船该次飞行任务,计划测试飞船生命支持系统的性能,以及在自动控制系统出现故障时,航天员尝试手动操作飞船。在“星际客机”飞船前往国际空间站途中,航天员会测试手动控制飞船调向等工作,又关闭了飞船所有氦气歧管阀门,防止泄漏加剧。
该次飞行,2名航天员计划在国际空间站驻留约1周。在从国际空间站返回地面的6.5个小时内,飞船机动能力将接受测试。最后,飞船计划着陆在美国西南部沙漠。
发射动态
发射记录
发射任务
2019年12月20日,“星际客机”载人飞船进行了首次试飞,目的地是国际空间站。此次试飞并不载人,乘客是一名叫“罗西”的假人。“罗西”配备了多种传感器,可测量关键数据,包括飞行过程中承受的引力等数据。但是发射不久,NASA就宣布,“星际客机”升空后出现异常,未能进入预设轨道,无法与国际空间站(ISS)完成对接,这意味着“星际客机”的不载人首飞测试失败。
波音原本计划2021年8月开展第二次不载人试飞,但飞船服务舱的推进剂阀门又出现问题,导致发射推迟。据报道,波音耗资近6亿美元修复首次不载人试飞和第二次不载人试飞前出现的问题。
2022年5月19日,“星际客机”开始第二次不载人试飞,尽管有两个推进器发生故障,“星际客机”仍在起飞约半小时后,飞船与国际空间站对接,空间站上的宇航员打开舱门进入舱内,检查飞船,卸下“星际客机”带来的500磅(约227千克)物资,打包600磅(约272千克)物资回地球。虽然飞船在入轨点火阶段仍出现了不少“瑕疵”,但业内人士评估认为,此次任务是成功的,“星际客机”飞船可以启动后续载人试飞任务。
2024年6月5日上午10时52分,波音公司“星际客机”飞船在卡纳维拉尔角太空军基地搭乘宇宙神-5运载火箭升空。在推迟多年后,“星际客机”飞船冒着推进系统氦气泄漏等风险,首次执行载人任务。该次任务的正式名称是“乘员飞行测试”,飞船按照最低载人配置,搭载了2名美国宇航局的资深航天员,开展包括对接国际空间站在内的完整任务流程测试。
滞留太空
2024年6月7日,据美国航天局介绍,两名宇航员巴里·威尔莫尔和苏尼·威廉姆斯原计划在空间站停留约8天,对“星际客机”及其子系统进行测试。“星际客机”还搭载了约345千克货物,包括食物和必需品等。据NASA此前公布的信息,“星际客机”最多可在空间站对接45天,即对接到7月21日。但特殊情况下,也可依靠备份系统延长对接至90天。
“星际客机”原计划于6月14日与空间站分离并返回地球,但由于出现推进器故障和氦气泄漏等问题,返航时间一再推迟。
2024年6月30日,多家美国媒体援引NASA的声明称,“星际客机”飞船需要等待新的推进器测试结果和氦气泄漏的持续分析,返回地球的时间将无限期推迟。美国有线电视新闻网称,6月5日,波音公司的“星际客机”飞船开始了首次载人飞行任务,最初计划仅在国际空间站停留数天时间,但现时其已经滞留了超过3个星期,搭乘这艘飞船的两名美国宇航员苏尼·威廉姆斯和巴里·威尔莫尔还不知道何时才能返回地球。
当地时间7月25日,美国官员表示,在工程师完成波音公司“星际客机”问题修复工作之前,两名美国宇航员将留在国际空间站,且尚未确定返回日期。
2024年8月3日消息,由于波音公司“星际客机”故障问题迟迟未能解决,美国国家航空航天局(NASA)当周展开了激烈讨论,是让两名宇航员乘坐有疑虑的星际客机返回,还是选择让SpaceX的龙飞船出马。
当地时间2024年8月6日,美国国家航空航天局(NASA)宣布,将下一次向国际空间站运送宇航员的计划推迟至少一个月,以便为波音公司争取更多时间解决“星际客机”飞船出现的问题。
当地时间2024年8月7日,美国国家航空航天局商业机组人员项目经理史蒂夫·斯蒂奇在与记者的电话会议中表示,任务控制中心仍未确定滞留太空的美宇航员的返回日期,并表示或将使用美国太空探索技术公司(SpaceX)的载人“龙”飞船作为备用计划。斯蒂奇表示,如果波音“星际客机”的机组人员需要SpaceX的载人“龙”飞船,那么两名宇航员都将加入“Crew-9”任务并于2025年2月返回。美国国家航空航天局尚未作出最终决定。
2024年8月7日,美国航天局官员表示,如果波音公司的“星际客机”飞船无法保证安全载人返回地球,两名美国宇航员可能要等到2025年2月乘坐美国太空探索技术公司的“龙”飞船返回地球。
当地时间2024年8月14日,美国国家航空航天局表示,将于8月底前就被困太空的两名美国宇航员返回地球的具体方式及时间作出最后决断。8月20日,美国航天局发布消息,计划开展两项审查来决定如何让滞留在国际空间站的两名美国宇航员安全返航。8月24日,美国航天局宣布,决定让滞留在国际空间站的两名美国宇航员2025年2月改乘美国太空探索技术公司的“龙”飞船返回地球,而搭载他们前往太空的波音公司“星际客机”预计2024年9月初不载人返回地球。
美国东部时间2024年9月6日18时04分,2024年6月5日发射上天的波音“星际客机”载人飞船,在经历了一次次的延迟后,终于脱离了国际空间站,空着返回地球,两位美国宇航员留在了空间站。
当地时间2024年12月17日,美国航空航天局(NASA)宣布,两名滞留太空的宇航员返回地球的时间从2025年2月推迟到3月底。
启程返回
2024年8月29日,美国航天局宣布,在美国波音公司“星际客机”飞船滞留国际空间站多日之后,确定9月6日启程不载人返回地球。由于飞船推进系统出现氦气泄漏等故障,载人返航风险较大,两名宇航员返航时间一再推迟。美国航天局最新决定是让两人2025年2月改乘波音竞争对手的“龙”飞船返回地球。这对于在民航客机方面安全事故频出、口碑与营销业绩屡受打击的波音公司而言,无疑是雪上加霜。
2024年9月6日,遭遇技术故障的美国波音公司“星际客机”飞船脱离国际空间站,在没有载人的情况下启程返回地球。9月7日凌晨,遭遇技术故障的美国波音公司“星际客机”飞船不载人返回地球,在美国新墨西哥州的白沙太空港地区着陆。
2024年9月7日,俄罗斯卫星通讯社华盛顿报道,波音公司的“星际客机”(Starliner)宇宙飞船已在无人模式下脱离国际空间站。脱离命令在美国东部时间18时04分(北京时间6时4分)发出。飞船通过发动机12次短时点火后离开空间站约200米的安全距离,然后开始返回地球。星际客机将在6小时后,约在华盛顿时间午夜(北京时间12时)降落到新墨西哥州。NASA说,飞船应从国际空间站携载用过的材料和物资返回地球。
技术创新
重复使用
“星际客机”飞船在设计之初,就针对国际空间站往返运输、低成本及乘员安全性等方面的需求,公布了颇具亮点的设计方案。
首先,该飞船通过采用部分可重复使用设计,希望显著降低载人航天任务成本,提高相关任务的可持续性。具体来说,“星际客机”飞船的外形与阿波罗飞船相似,采用乘员舱和服务舱串联双舱构型。其中,乘员舱设计能够重复使用10次,回收复用周期为6个月。为了确保每次回收均“轻柔”降落地面,乘员舱不仅配备了硕大的降落伞,还在底部安装了安全气囊,以便充分缓解着陆冲击。
逃逸系统
逃逸系统是载人航天任务必备的应急系统。传统的拉拽式逃逸系统是在火箭顶部设置逃逸塔,万一发射任务失败,安装在其顶部的固体发动机会将乘员舱拽离火箭,飞到安全距离之外。
“星际客机”飞船的逃逸系统安装在圆柱形结构的服务舱上,与飞船上负责轨道机动的姿轨控发动机共用一套推进剂供应系统,包括4台170千牛推力的逃逸发动机、20台6700牛推力的轨道机动及姿态控制发动机、28台380牛推力的反作用控制发动机,在逃逸系统不启动时,可以为正常任务提供额外的推进剂,从而帮助飞船整体减重。
载荷增加
“星际客机”飞船相比以往的载人飞船,显著增强了载荷能力,飞船高5.03米,乘员舱直径4.56米,加压容积达11立方米,发射质量达13.2吨,最大载员数7人,执行国际空间站乘组轮换任务时载员4人,还能实施人货混装。为了安装与国际空间站对接的结构设施以及适应高速再入极端热环境的防热大底,乘员舱采用锥形结构。而在服务舱底部装有太阳能电池板,使飞船具备60小时独立飞行能力及210天停靠空间站飞行能力。
总体评价
SpaceX的载人“龙”飞船已经为NASA执行了9次载人任务,并额外执行了4次商业任务。如今SpaceX在商业上的巨大成功获得了NASA的青睐,载人“龙”飞船一跃成为美国商业载人飞行的绝对主力,而“星际客机”即便此次能够如愿成功测试,也已经从当初的行业先行者沦为替补。
美国“太空新闻”网站称,如果“星际客机”这次载人飞行能够获得成功,将有助于提升当前面临信任危机的这家航空航天巨头的信誉。但对于波音公司而言,“星际客机”注定是赔本的买卖。在接手“星际客机”飞船研制之前,波音公司与NASA签署的合同都是“报销制度”,即NASA为研制中出现的所有额外费用埋单。但“星际客机”采用的是定价合同,NASA只提供合同里的42亿美元,如果遇到项目超支、延期或无法完成的情况,波音需要自掏腰包解决。(京报网 评)
尽管“星际客机”飞船的进展并不顺利,但NASA官员曾坚定地表示,希望有两种不同的美国载人飞船能将宇航员送入轨道,确保在载人航天领域的“两条腿走路”双保险战略。只是按照波音和NASA签署的协议,由于所有的额外费用都需要波音自掏腰包,后者已经为此产生了巨额亏损。按照相关协议,波音需要在国际空间站废弃前完成6次“星际客机”飞船载人飞行任务,注定是赔本买卖。因此即便“星际客机”飞船后续进展顺利,在完成协议后,波音公司也不太可能继续推进。NASA在载人航天领域的双保险战略,恐怕注定是一场空。(新华网 评)
相关事件
当地时间2024年8月31日,美国航天局宇航员布奇·威尔莫尔称,他注意到“星际客机”飞船内部的扬声器发出了一些奇怪的声音。“我有一个关于‘星际客机’的问题,”威尔莫尔通过无线电向位于休斯敦的航天中心发信息称,“扬声器里传来奇怪的声音……我不知道是什么声音。”
威尔莫尔说,他不确定是空间站和航天器之间的连接出现了什么异常,还是其他原因导致了噪音。他询问休斯顿林登·约翰逊航天中心的控制员,看他们能否听到航天器内部的声音。报道称,威尔莫尔将话筒放在“星际客机”内部的扬声器上,不久后便传出明显的“砰砰砰”的声音。几分钟后,任务控制中心通过无线电回复称,他们通过“有线”连接收听了“星际客机”内部的声音。
报道称,目前还不清楚是什么导致了这种奇怪的噪音,但预计原因很可能是良性的。
2024年9月2日,美国航天局在社交媒体X上发文称,美国宇航员巴里·威尔莫尔听到“星际客机”飞船扬声器发出的脉冲声已经停止。这种声音是空间站与“星际客机”之间音频配置导致的。国际空间站的音频系统非常复杂,允许多个航天器与模块互连,因此经常会出现反馈杂音。按要求,宇航员在听到通信系统发出声音时应联系任务控制中心。
美国国家航空航天局(NASA)宇航员苏尼·威廉姆斯和布奇·威尔莫尔在美国总统大选期间行使在低地轨道上缺席投票的权利。
2024年9月28日,SpaceX的载人龙飞船从佛罗里达州卡纳维拉尔角成功发射升空,飞船上的两个座位将空置,救援波音星际客机滞留国际空间站宇航员的任务。
参考资料
国外载人飞船情况一览.中国载人航天官方网站.2020-04-29
最新修订时间:2024-12-21 09:13
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