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研究种类： SpaceX, Rocket Engines
原文作者: Tim Dodd
贡献者：Hahaho@DAOrayaki
原文: How SpaceX and Boeing will get Astronauts to the ISS. A comparison of the Crew Dragon, Starliner, Soyuz and Space Shuttle
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SpaceX和波音如何将宇航员送上国际空间站---Crew Dragon、波音CST-100星际航线(Starliner)、联盟号(Soyuz)和航天飞机(Space Shuttle)的比较。
我们正处于一个激动人心的时刻,前往国际空间站的载人飞行器数量将从 1 辆增加到 3 辆！Soyuz在载人前往国际空间站领域长达 8 年的垄断地位即将结束。所以今天我们将深入探讨两艘新的宇宙飞船,它们将载人飞行,往返于美国和国际空间站。我们将把Atlas V火箭上的Starliner与SpaceX 的猎鹰9火箭(Falcon 9)上的Crew Dragon进行比较。
为了了解我们在载人航天领域取得的进展,我们会比较俄罗斯的联盟号太空舱(Soyuz)和美国已退役的航天飞机(Space Shuttle)各自的系统,包括设计、它们将搭载的火箭、尺寸、成本、安全问题以及各自一些独特的功能。
因为我已经与SpaceX的Crew Dragon和波音的Starliner近距离接触了解过,所以有了比较深刻的认识,让我们开始吧.
国际空间站是人类史上最伟大的壮举之一。一个足球场大小的浮动实验室,飞行速度比子弹快 10 倍,每90分钟绕地球一圈,且需要33次发射才能将其所有部件送入轨道,并且已经有来自近 20 个国家的230多人居住过。
国际空间站通常载有6名宇航员。工作人员以3人一组的形式派出,在空间站停留 6 个月。原有成员和新到达的成员通常有 3 个月的重叠时间。俄罗斯的Soyuz是自Space Shuttle计划于 2011 年结束以来,唯一一次的载人飞往国际空间站。
现在美国准备将两艘全新的载人宇宙飞船从美国本土发往国际空间站！同时,NASA准备启动一个名为商业载人计划(CCDev)的新项目,并由私人公司进行开发运营。
SpaceX和波音最终胜出并参与项目,但今天不会讨论CCDev计划本身是如何开始和发展的.因为两公司都有各自独特的方法来让工作人员到达空间站,所以谈的更多是它们是如何实现的,并将它们与Soyuz和Space Shuttle进行比较,看看国际空间站成立以来发生了多大的变化。
首先是波音和它的Starliner,波音公司在赢得NASA的CCDev计划合同后,于2010 年开始设计Starliner,最初称为CST-100。它是传统的截锥舱设计,很像美国以前的航天器设计。一次最多可以搭载 7 名宇航员,但NASA一次不会使用超过 4 个座位。
Starliner将成为美国第一个降落在地表上的轨道舱。这类似于Soyuz以及Blue Origin的New Shepard火箭的着陆方式。美国西部有五个着陆点,两个主要地点是美国陆军在新墨西哥州的白沙导弹靶场和陆军在犹他州的达格威试验场。
Starliner将使用降落伞和一套大型的安全气囊着陆。在大约 9 公里的高度部署了一对减速滑槽,在3.6 公里处部署了三个主滑槽,在1.5公里的高度,隔热罩被抛弃,6个安全气囊被充气,这些安全气囊有双重用途,安全气囊将在地面着陆时提供缓冲,为水上着陆提供浮力和平衡。
Starliner如果降落在陆地上可以进行翻新和重复使用。波音公司希望能够在6个月内将其重复使用多达 10 次！降落后着陆区边缘会有一个移动数据跟踪车( MDTV) 以及一个移动着陆控制中心(MLCC) 和等待救援的车辆。
一旦降落,小队车辆将穿越沙漠。这很像疯狂的麦克斯系列电影中的场景。
到达后,地勤人员将检查并稳定肼燃料,然后将车辆接地来防静电。之后,一辆HVAC卡车将开始冷却包括航天器,机组人员和燃料。接下来,移动着陆平台将拉起梯子开始疏散工作,撤出机组人员时长必须在一小时内,并在两小时内撤出货物。
机组人员带出后要进行医疗检查,然后乘坐NASA的直升机离开。之后太空舱本体被一辆小型起重卡车装载带回开始翻新。Starliner的驾驶舱设计相对传统,虽然比Space Shuttle的驾驶舱要简洁得多,但仍然具有传统的控件、按钮和非触摸屏。因为Starliner被设计为完全自主的,所以在大多数使用情况中,指挥官和飞行员并不真正需要使用控制装置。
Starliner直接停靠在国际空间站而不是靠泊位。一般飞行器到靠泊位与对接端口连接后再到空间站执行一系列操作.宇航员在地球时进出侧舱口,对接后,他们将爬过对接适配器的顶部端口进入空间站。例如Dragon 1和Cygnus,就是通过Canadaarm 进入空间站。
宇航员进出Starliner有点麻烦,并且在他们的座位上需要仰卧。
航天器分为两个主要部分,船员模块部分和服务模块部分。船员模块部分是…… 嗯,你可能想问,工作人员在哪,事实上他们就在船员模块部分。服务模块部分内装有用于轨道机动的推进剂罐、轨道机动推进器、发射中止电机、底部的太阳能电池板和侧面的散热器。
中止发动机是4架Aerojet Rocketdyne RS-88 Bantam,经过改装后可使用自燃燃料运行来发射中止发动机。第一次无人驾驶试飞时,OFT-1与测试发动机一起飞行,但由于机上没有机组人员,它们处于非活动状态。如果助推器出现问题,这些中止电机将一直使用到飞行几分钟后。Starliner提供了一个完整的中止窗口,这意味着宇航员可以随时中止来保持安全。
波音公司设计的Starliner能够搭载多种火箭,包括 Atlas V、Delta IV、Vulcan和Falcon 9。他们可能会选择United Launch Alliance(ULA)的Atlas V N22或ULA 即将推出的 Vulcan火箭。
N22名称的第一部分代表整流罩尺寸,选项为 4、5 或 N (表示无)。中间的数字是火箭助推器的数量,范围在 0 到 5 之间。最后一个数字是半人马座火箭上RL-10 发动机的数量。而半人马座火箭可以有 1 或 2 个 RL-10。
当 Starliner发射时,这将是ULA第一次在Atlas V上实际使用双RL-10 centaur上级,然而,RL-10双引擎自 1962 年以来一直在使用,最近一次是在2005年在Atlas III上飞行,所以这绝对不是什么新鲜事。RL-10 引擎虽然非常高效,但它并不足够强大.那么,为什么波音和ULA在Starliner仍使用RL-10呢？
为了让标准单引擎有足够的时间将上级和有效载荷推入轨道速度而不重新进入大气层,Atlas V的第一级通常将其提升到一个超高的高度,从而为上级留出更多时间。这对标准有效载荷非常有效,但在中止的情况下,这个轨迹实际上会使Starliner返回冲破大气层时产生无法生存的高G力。
因此为了为船上人员的安全,解决方案就是RL-10双引擎. 如果您需要有关此更多的信息,Scott Manley制作了一段相关视频,详细介绍了它。(https://youtu.be/OislF7OG_BI)
波音和 ULA 还将运行辅助飞行计算机,该计算机将与半人马座火箭上层的主飞行计算机共同运行。它可以比人类更快反应发现飞行计划中的任何错误,关闭引擎并触发中止。
另一个设计考虑是由于 Starliner 的钝头,您会看到这些小格子结构。Starliner的设计旨在尽可能稳定,因此需要设计短而粗壮格子结构有助于分散气流,有助于确保下部没有冲击波或无意义的压力区域带来的影响。他们还增加了空气动力学,以确保气流顺畅。
Starliner 宇航员将从位于佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地的ULA SLC-41 发射台起飞。并安装了乘员通道臂,为第一次乘员发射做准备。
这也是自 1968 年阿波罗 7 号以来人类第一次从卡纳维拉尔角空军基地发射。我们将了解尺寸、设计和价格,以及更多当我们对所有车辆进行并排比较时。
现在让我们开始了解另一艘,SpaceX的Crew Dragon(Dragon 2)。Dragon 2是SpaceX第一代Dragon的后续产品,该太空舱自2012年以来一直在国际空间站运送货物。Dragon太空舱最初被称为DragonRider,并提交到NASA参加 CCDev 计划。第一轮没有被选中(或许是因为’鼻子’,如下图),但在第二轮合同中被选中。
这个DragonRider太空舱原本是为Dragon Capsule的机组人员准备的初始版本,当时它正准备进行首次轨道试飞,并且已经签订了2012 年为国际空间站提供补给的合同。2014 年,SpaceX 透露了Dragon Capsule的更新版本,并将在霍桑总部搭载宇航员飞行。
Dragon 2是对Dragon Capsule初始版本的大规模重新设计,包括最多可容纳7名宇航员的座位,(NASA在CCDev计划中一次不会使用超过 4 名宇航员)。Dragon 2最初计划也使用中止电机在陆地上着陆,前提是它们没有被用于中止。然而,由于一些原因,SpaceX放弃了,并选择在海洋中进行降落伞回收,就像现在的Dragon Capsule一样。PS：目前由于担心溅落时的G力,SpaceX需要改变座椅的角度。这意味着SpaceX不能再容纳 7个座位,只能数量减少到 4 个。
如果你想了解更多关于为什么 SpaceX 取消了他们的Dragon Capsule的原着陆计划,这有一个相关的视频。(https://youtu.be/NW8G446MG4I)
Crew Dragon的主要着陆区是大西洋,这与目前的Dragon Capsule不同,后者自2010 年首次发射与回收以来一直在太平洋飞溅,SpaceX还申请将墨西哥湾作为应急着陆点.
SpaceX 拥有两艘名为Go Searcher和Go Navigator的船,负责回收工作。Go Searcher 配备了一个升降机,通信中继器和直升机停机坪,能够将Dragon太空舱拖拽到甲板上,完成机组人员返回工作。
Go Searcher作为SpaceX舰队的一部分已经有一段时间了,期间完成了帮助Falcon 9着陆以及Dragon 1的回收工作。
尽管进行了海洋降落,SpaceX还是为Dragon 2制定了翻新和再利用计划,可能与想象的不太一样。翻新后的Dragon 2不会再次载人,但最终可能会用于为CRS-2任务运送货物。SpaceX 凭借过往的经验,迄今为止已经重新飞行了5个Dragon太空舱,尽管根据 Elon Musk 在 2017 年的说法,他提到翻新溅落的Dragons的成本几乎与建造新的Dragons一样高昂。但我敢肯定,从那时起,他们已经实施了简化的流程,并做出了值得付出的努力。
Crew Dragon 太空舱的设计极为简约。显然这个设计受到了喜欢简单事物的Elon的影响。内部是一些触摸屏和可移动的椅子,这个内饰就像宇宙飞船中的特斯拉Model 3。当Dragon 2首次亮相时,Elon坐在座位上并将屏幕拉到他面前,现在情况相反,因为屏幕是静止的,而座位相对移动。
像Starliner一样,Dragon 2,被设计成完全自主的,手动操作实际上只作为应急措施。但是Dragon 2做了一些旧Dragon 1做不到的事情,那就是休息区(dock)。
通过侧舱口进入Crew Dragon太空舱,内部非常宽敞和简约,扑通一声坐在座位上并享受舒适。我认为这种布局是有道理的。
与 Starliner 一样,Dragon 2 实际上也是两个部分,有船员模块部分和后备箱,船员模块部分依旧用来容纳工作人员,但它还集成了Super Draco中止电机。当这部分航天器被回收,Super Draco发动机也被回收。
同样,Super Draco 发动机使用自燃推进剂运行,并提供完整的逃生窗口。
后备箱是航天器的未加压部分,和Dragon 1一样。这可以容纳无法通过对接端口的较大组件,或安装在空间站外部的物品。安装在后备箱中的物品通过Canadaarm 2或另一个名为Dextre的手臂取回。Dragon 2的后备箱采用独特的布局,固定式太阳能电池板覆盖车辆的一侧,而散热器板则位于另一侧。旧的Dragon 1则有扩展的太阳能电池板。
后备箱上还有一些鳍片,以帮助在中止时起稳定作用。如果你想了解更多关于Dragon上的鳍以及它们在中止期间为何重要的内容,请查看这个。(https://youtu.be/e2gy6of2yaQ)
后备箱在重新进入之前被分离,并且因为没有隔热罩而被烧毁。站内物品也允许被这么处理,嗯,很流行的垃圾处理服务。
Dragon 2被设计为专门在Falcon 9上飞行,尽管它曾计划使用Falcon Heavy,但SpaceX 计划不再对Falcon Heavy进行人工认证,而是专注于星际飞船。为了让Falcon 9获得机组工作人员评级,NASA要求终止其Block 5 variant的设计,因为 SpaceX 如此频繁地升级他们的飞行器的倾向,有时会带来意想不到的后果……
这种设计终止的一部分还需要使用新的复合包裹压力容器(COPV)。COPV 故障是 AMOS-6异常和CRS-7 故障的原因。SpaceX于2018 年底开始飞行新设计的COPV。不过NASA要求终止设计有点不寻常,毕竟NASA考虑过在 SLS 的第二次发射(甚至第一次时)中载人飞行,众所周知,SpaceX一直在不断追求改进的过程,但我认为当涉及到人身安全时,一种更安全保守的方法是一个好主意。
与货物相比,Falcon 9与机组人员的飞行高度也必须改变,以确保中止时在最安全的高度。更浅、更平坦的高度,意味着Falcon 9的第一级助推器不会返回发射场着陆,而是在无人驾驶的状态船上着陆。
Falcon 9的上级使用Merlin 1D Vacuum发动机,功率非常强大,但效率不高。
机组人员将登上位于佛罗里达州肯尼迪航天中心的LC-39A的Block 5 Falcon 9顶部。不得不说,SpaceX 确实拥有有史以来最酷的发射台。毕竟,这是人类飞去月球的发射台！机组人员将登上航天飞机(Space Shuttle)时代就在使用的固定服务台,尽管 SpaceX 已经在拆除旋转服务台、为发射塔添加覆层、并连接移动接入臂上做了大量工作。
SpaceX 要做的事在载人航天领域是全新的,那么就需要一些说服力才能让 NASA 认为它是一个可靠有效的选择,既装载和加油程序。由于SpaceX使用超低温推进剂,但要尽可能晚地将其装载到火箭中,这样它们就不会在火箭起飞前升温和沸腾。SpaceX 直到升空前3分钟会持续为火箭提供燃料,由于3分钟的时间不足以爬上发射塔并连接Dragon Capsule,因此机组人员实际上会在推进剂装载之前进入,并在火箭加油时留在火箭上。
这实际上是个安全的举动。这意味着地勤人员和宇航员永远不需要接近发射台上满载的火箭。一旦燃料开始流动,机组人员实际上是在可以想象的最安全的地方,一个密封的压力容器,配备强大的中止系统。因此,尽管加油过程存在潜在风险,但机组人员处于一个非常安全的地方。
这是历史上人类第一次听到低温燃料注入火箭的声音。他们会听到火箭运行中的声誉。那将是狂野的！
另一个有趣的事实是,工作人员将乘坐特斯Model X抵达发射场……
最后,在我们进行直接比较之前,您是否知道两个发射台都设有类似游乐园游乐设施……当然不完全是,但每个发射台都有一条紧急滑索,能够在小概率紧急事件发生的情况下迅速疏散宇航员和地勤人员。虽然我确信这发生的概率很小,但被火球追赶,它看起来确实很有趣。
好吧,看起来好像很简陋,现在是时候比较这些火箭,看看这些新火箭与Soyuz和Space Shuttle相比如何。
首先,比较它们的大小。嗯,space shuttle的大小显然使这些飞行器相形见绌,所以由于其巨大的尺寸,我们将专注于航天飞机的乘员舱部分,但不要忘记其余部分,我们仍然会讨论整个系统,尾部是它的服务模块部分,本质上类似于Dragon Capsule的后备箱,只是大得多。同时注意 Starliner和Dragon和Soyuz相比要大得多！
我认为更重要的是要注意它们的可靠性。我们将忽略失败的案例,只讨论成功的,Atlas V名列前茅,在79次飞行中取得100% 成功,Falcon 9完成了69次任务,发生了两次失败,它的成功率为97.1% ,Soyuz情况有些复杂的,60年代以来的原有型号,总共 1028 架中有996架成果,成功率为 96.9%,它的更新型号FG 在 66 次发射中只有一次失败,成功率为 98.5%,space shuttle在 135 次发射中失败了两次,成功率为 98.5%。同时应指出的是,由于强大的中止系统,Soyuz FG火箭的那次故障并未导致人员伤亡。
还有一个简短的关于固体火箭助推器(SRB)的使用。SRB导致了挑战者号的损失,但这并不说明其本身具有危险性。固体火箭助推器和缺乏机械中止系统的混合是危险的。自从Space Shuttle和Atlas V 使用SRB后,我们学到了更多东西……而且由于Starliner的中止系统,如果发生故障,机组人员将能够脱离火箭……所以不应该将Atlas对SRB的使用与space shuttle对 SRB 的使用进行比较。
最后,我们将讨论每价格…这个有一个很值得注意的话题。Starliner和Crew Dragon 每个座位的价格为5800万美元,Soyuz现在每个座位的价格高达 8200 万美元,而 space shuttle…嗯……这很难。根据纸面计算,每个座位的成本约为 2.14 亿美元。但space shuttle所做的不仅是搭载一个机组人员,它通常会携带十几吨或更多的额外有效载荷。因此每次发射每座位 2.14 亿美元,然后再减 80% 可能是公平的,因为 80% 的车辆体积专用于货物。或许这不公平,所以我们只说在 4300 万美元到 2.14 亿美元之间。
我想提的最后一件事,有关Starliner和Crew Dragon的开发成本。Starliner总共获得了48亿美元用于开发和第一轮发射,而SpaceX获得了 31 亿美元。这包括每家公司的 2 次演示发射和 6 次运营飞行。
我真的不想对他们为什么收到如此不同的金额进行吐槽,但这可能与每个公司的提议有关。SpaceX 最初的报价可能较少。也许在SpaceX搭载了几十名宇航员之后,他们可以收取更多费用,以增强 NASA 的信心……就像他们如何在货物补给任务被证明可靠并获得信任后提高价格一样。
因此,当一切都说完,我的意见是,是时候让人类拥有一些其他的、更新的、更舒适的选择了。
对每个系统,我有自己的意见,我会尽量简短,因为我知道评论区会有很多意见可以讨论。Starliner是一艘很棒的宇宙飞船,可以看出,波音和ULA都非常重视人身安全。
我很高兴看到他们降落在陆地上,我认为这将是一件很酷的事情,而且我很高兴Atlas 会自Faith 7与Mercury-Atlas于1963年首次发射以来再次鼓舞人们！！！
我希望他们能更进步一些。spaceship令人觉得有点保守,可以看出他们不想承担任何设计风险或突破任何界限。但当您将人类置于太空中时,美学和人体工程学是非常非常小的一部分。
毫无疑问,SpaceX 制造了更好看、更前沿、更性感的宇宙飞船。这令人惊叹。坦率说,与规范的彻底背离似乎真的很成功。
而且我毫不怀疑Crew Dragon太空舱在安全上没有偷工减料,毕竟他们在每一毫米的事情上向 NASA 做出回应……谈到纯粹的酷因素,在与一些使用过触摸屏的人交谈后,评价是确实感觉有点像飞行iPad。
最后,在将机组人员送到国际空间站后看到Falcon 9返回着陆将是一件好事。虽然我们不会看到它返回肯尼迪航天中心,但我不厌倦看到Falcon 9着陆。
NASA聘请了两家令人难以置信的公司来设计一些真正令人兴奋的事物。NASA 应该为这个新计划感到自豪。它为他们节省了金钱,提供了多种选择.
虽然文章原为了突出CCDev计划,但老实说,在深入了解之后,我却更欣赏航天飞机了。它真的很特别。虽然有缺陷,没有完全符合让太空飞行便宜和安全的定义,但,它确实有一些无与伦比的能力！
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DAOrayaki对DAOrayaki第一阶段的回顾--去中心化媒体的先驱
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