“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(chuàng)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(fēng)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(rèn)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?！爸x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(zhuǎn)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(fā)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(biāo)。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(dāng)然，“新謝潑德”和“水星”的區(qū)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(fù)使用的亞軌道火箭系統(tǒng)，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(fù)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(shè)計，可載6 人，并采用了“全高度”逃逸救生系統(tǒng)，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(nèi)部體積為15 立方米。乘員艙的逃逸救生發(fā)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(fā)動機。此前藍色起源公司還研究過BE-1 發(fā)動機，使用單組元過氧化氫；BE-2 發(fā)動機，采用過氧化氫和煤油。

備用著陸系統(tǒng)

“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(shù)公司的龍飛船乘員艙也采用同類設(shè)計。這樣做的好處是可以省掉整流罩，壞處是乘員艙外形設(shè)計受到很大限制。不過“新謝潑德”不需要復(fù)雜外形，所以沿用尾部逃逸救生系統(tǒng)設(shè)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(fā)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(tǒng)，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(tǒng)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(jīng)是一個很大的數(shù)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(fù)責(zé)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(nèi)”。

在2016年10月5日的第六次試驗中，曾經(jīng)對逃逸火箭做過測試。當(dāng)時認(rèn)為，逃逸火箭一旦點火，它產(chǎn)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(fā)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(yīng)過來，這不是《星球大戰(zhàn)》里主角家族的姓氏嗎？“天行者”不是獨自上路，艙內(nèi)還有各種不同的試驗設(shè)備，來自美國宇航局、商業(yè)公司和大學(xué)，其中當(dāng)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(wù)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(qū)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(fā)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(tǒng)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(dāng)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(fù)使用性和61 天的周轉(zhuǎn)時間。

▲ 即將執(zhí)行NS15 任務(wù)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(yīng)急反推火箭降落。這是一次對應(yīng)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(biāo)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(tǒng)進行飛行試驗。當(dāng)時人們對這次飛行的預(yù)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(xiàn)在使用的是NS3號，它提高了可重復(fù)使用性和熱保護性能，采用重新設(shè)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(jù)美國聯(lián)邦航空管理局頒發(fā)的發(fā)射許可證監(jiān)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(yè)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(yè)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(tǒng)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(chǔ)設(shè)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)移到得克薩斯州發(fā)射場。

常規(guī)飛行過程

按照設(shè)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(guān)機。但是組合體依然有很高的速度，繼續(xù)靠慣性上升，在大約100 千米的高度達到頂點。然后發(fā)動機關(guān)閉，乘員艙和火箭在機械彈簧的推力下分開。乘員艙要經(jīng)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(fā)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(fā)動機

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

藍色起源公司的第一種發(fā)動機是BE-1，它使用過氧化氫推進劑，僅能產(chǎn)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(chǎn)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(fā)動機制造商洛克達因公司，導(dǎo)致美國液體發(fā)動機制造業(yè)壟斷化進一步加深。藍源公司發(fā)現(xiàn)，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(fā)BE-4，工廠設(shè)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(shè)計推力440 千牛。到年底，BE-3 就成功實現(xiàn)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(shù)參數(shù)，啟動了海平面試驗。試驗結(jié)果表明，BE-3 可以在全功率下產(chǎn)生490 千牛的推力，還可以把推力控制到110 千牛，以服務(wù)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(fā)動機節(jié)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(shù)超過450 次，累計測試時間超過500分鐘，已經(jīng)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(fā)真空版的BE-3U，主要是擴大噴管的直徑，適合高空環(huán)境。這個項目得到了美國空軍的資金支持，預(yù)計真空推力為670 千牛，發(fā)動機的深度節(jié)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(nèi)完成全部實驗內(nèi)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(huán)境，但有自己的優(yōu)勢，其中包括：具備將有效載荷和操作員頻繁地發(fā)射到亞軌道高度的能力；能夠容納多個實驗設(shè)備和操作員；有標(biāo)準(zhǔn)接口，提供電源、冷卻、指令和控制、視頻和數(shù)據(jù)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(huán)境持續(xù)時間。姿態(tài)控制活動可能會縮短或降低微重力環(huán)境持續(xù)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(tǒng)來實施姿態(tài)控制，也就是我們熟悉的反作用控制系統(tǒng)（RCS）。如果飛行正常，在乘員艙與運載火箭分離后的10～15 秒內(nèi)，RCS 推力器會密集噴射，把整個乘員艙的俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn)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(fā)出“滑行啟動”信號，RCS 推力器不再噴射，乘員艙自由飛行。當(dāng)乘員艙在重力作用下再入，氣動阻力帶來的加速度已經(jīng)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(tài)，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(tài)，可能會影響微重力環(huán)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(shè)備，也就是說有些試驗需要高質(zhì)量微重力環(huán)境，有些試驗希望定向到特定的姿態(tài)，那么就只能分時段執(zhí)行。

▲ “新謝潑德”抵達彈道定點

▲ “新謝潑德”飛船內(nèi)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(huán)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(wù)（REM），可以從事微重力科學(xué)、空間生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)、土地利用、教育和公眾宣傳、技術(shù)開發(fā)和示范、空間系統(tǒng)開發(fā)。

沙漠里的發(fā)射場

藍色起源公司的發(fā)射場位于得克薩斯州卡爾伯森縣的偏遠沙漠當(dāng)中，具體在范霍恩鎮(zhèn)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(qū)車193 公里到范霍恩鎮(zhèn)過夜。然后再開車30 分鐘，才能到“新謝潑德”的發(fā)射場，這段路藍色起源公司是不負(fù)責(zé)接送的。

發(fā)射場占地7527 公頃。其實它連發(fā)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(fā)射場以北3.2 公里的位置?；鸺龔S房里也可以給有效載荷提供處理設(shè)施。

▲ 新謝潑德火箭構(gòu)成

▲ “新謝潑德”團隊

一般來說，載人發(fā)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(wù)。

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(biāo)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(wù)回收成功

▲ NS15 任務(wù)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(xùn)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(yè)飛行。不過“太空船二號”的飛行當(dāng)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(fā)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?；?。

當(dāng)然，在現(xiàn)階段，打算體驗太空飛行的“人類”都不是普通人，其中相當(dāng)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(yīng)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(shù)字來看，市場空間還是不小的，至少可以養(yǎng)活一兩家亞軌道旅游公司。★