張雪松

北京時(shí)間2016年4月9日上午4點(diǎn)43分，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“獵鷹九號(hào)”火箭搭載著龍式飛船在佛羅里達(dá)州的卡納維拉爾角空軍基地成功發(fā)射升空。8分半鐘后，“獵鷹九號(hào)”第一級(jí)成功實(shí)現(xiàn)了首次海上降落，與此同時(shí)，攜帶充氣式太空艙的龍式飛船將與國(guó)際空間站對(duì)接，執(zhí)行代號(hào)為CRS-8的國(guó)際空間站貨運(yùn)任務(wù)。

BEAM充氣式太空艙

這次任務(wù)中，龍式飛船裝載了有史以來(lái)最多的貨物——重達(dá)3.18噸。除了為國(guó)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(jiǎn)稱比奇洛）研發(fā)的可擴(kuò)展活動(dòng)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(dāng)它被機(jī)械臂從龍式飛船取出，和國(guó)際空間站對(duì)接后，會(huì)在徑向和軸向兩個(gè)方向上緩慢地膨脹展開，最終達(dá)到3.2米直徑和4米長(zhǎng)度，內(nèi)部空間則可增加到16立方米。

16立方米的空間并不是一個(gè)多么驚人的成就，例如“天宮一號(hào)”飛行器的內(nèi)部活動(dòng)空間就達(dá)到了15立方米。但相比傳統(tǒng)艙段的金屬外殼，BEAM的外殼采用了高性能復(fù)合材料，早期曾用凱夫拉纖維，后來(lái)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(yōu)勢(shì)。充氣設(shè)計(jì)為BEAM帶來(lái)了體積小的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，它與國(guó)際空間站對(duì)接充氣后，又可以為航天員提供更大的活動(dòng)空間，具有傳統(tǒng)太空艙不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

別小看了BEAM

日常的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，充氣的氣球總是易爆，因而很多人從經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，難免會(huì)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(nèi)行”：要是遇到隕石或太空垃圾，航天員怎么逃生？冒險(xiǎn)住進(jìn)“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(hù)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(hù)層采用精心設(shè)計(jì)的多層防護(hù)結(jié)構(gòu)，它對(duì)隕石和碎片的防護(hù)效果甚至比現(xiàn)有的高強(qiáng)度鋁合金外殼的金屬艙段還要好。看來(lái)，我們無(wú)需杞人憂天，為住在“氣球”里的航天員擔(dān)驚受怕，其實(shí)他們是待在多層防彈衣里面呢！

比奇洛的“太空旅館夢(mèng)”

BEAM并非是比奇洛第一個(gè)發(fā)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(hào)”火箭發(fā)射了“起源一號(hào)”和“起源二號(hào)”充氣式試驗(yàn)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(gè)月的設(shè)計(jì)壽命。這兩款起源試驗(yàn)艙最終卻飛行了長(zhǎng)達(dá)兩年半的時(shí)間，而此次比奇洛聲稱BEAM能正常使用兩年。如此看來(lái)，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(nèi)部加壓空間可達(dá)330立方米，BA2100內(nèi)部加壓空間可達(dá)2100立方米，后者比國(guó)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(yōu)勢(shì)還是理論上的，但BEAM即將進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的軌道飛行，一旦它經(jīng)受住了太空環(huán)境嚴(yán)苛的考驗(yàn)，比奇洛必定會(huì)用BA330甚至BA2100艙段實(shí)現(xiàn)多年的“太空旅館夢(mèng)”。就在近日，NASA和比奇洛達(dá)成合作意向，計(jì)劃將BA330與國(guó)際空間站對(duì)接。假以時(shí)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(cè)任務(wù)，比如月面基地、深空空間站和火星飛船。

從這個(gè)意義上說(shuō)，BEAM雖然在體積和重量上都算小型的，但它作為起源試驗(yàn)艙和BA330實(shí)用艙段之間的過渡，在充氣太空艙技術(shù)發(fā)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(dòng)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(mèng)，但再美好的夢(mèng)，面對(duì)居高不下的航天發(fā)射成本，也無(wú)法變成現(xiàn)實(shí)。令人欣喜的是，CRS- 8發(fā)射任務(wù)的支線任務(wù)——“獵鷹九號(hào)”火箭的海上降落回收試驗(yàn)，為太空夢(mèng)的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了新的希望。

昂貴的航天發(fā)射

我們對(duì)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(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)。以往的運(yùn)載火箭雖然也都是一次性的，但它的成本卻高達(dá)幾千萬(wàn)甚至上億美元，這也成了阻礙航天產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的絆腳石?；鸺幕厥占爸貜?fù)使用則可以有效分?jǐn)偛⒔档统杀尽?/p>

相比運(yùn)載火箭，航天飛機(jī)是著眼于重復(fù)利用的飛行器，是人類自由進(jìn)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(shè)計(jì)十分巧妙，但它卻無(wú)法滿足對(duì)低發(fā)射成本的期待。航天飛機(jī)外置燃料箱要5000萬(wàn)美元，每次任務(wù)返回地面后，主發(fā)動(dòng)機(jī)的維修則需要單臺(tái)500萬(wàn)美元的巨額費(fèi)用，而單這兩項(xiàng)巨額的花費(fèi)就已經(jīng)達(dá)到了“獵鷹九號(hào)”火箭一次性使用的成本。此外，航天飛機(jī)每次的發(fā)射成本更是高達(dá)4.5億美元，遠(yuǎn)比現(xiàn)在任何一種一次性運(yùn)載火箭都要貴。

回收火箭的漫漫征途

運(yùn)載火箭為了增加發(fā)射時(shí)的運(yùn)力，整體結(jié)構(gòu)必須做到盡可能輕，這個(gè)皮薄且脆弱的“大家伙”要想在發(fā)射后成功完整地返回大氣層實(shí)非易事。那么，運(yùn)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(chuàng)立了SpaceX，該公司剛創(chuàng)立便執(zhí)著地推動(dòng)運(yùn)載火箭的重復(fù)使用。多級(jí)火箭的每一級(jí)都裝有發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料。從尾部最初一級(jí)開始，每級(jí)火箭燃料用完后自動(dòng)脫落，同時(shí)下一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，使飛行器繼續(xù)加速前進(jìn)。“獵鷹九號(hào)”暫時(shí)只做了第一級(jí)的回收工作，這一級(jí)火箭分離速度低，在很大程度上降低了回收的技術(shù)難度。著眼重復(fù)使用的火箭只比一次性的火箭多加了四個(gè)著陸腿和四個(gè)柵格翼。通過這樣獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)，“獵鷹九號(hào)”火箭做到了進(jìn)可攻退可守。如果火箭回收成功，“獵鷹九號(hào)”火箭將進(jìn)一步降低成本。即使回收不成功，一次性的“獵鷹九號(hào)”火箭仍然是一種物美價(jià)廉的運(yùn)載火箭。

2015年1月和4月，“獵鷹九號(hào)”火箭連續(xù)兩次的海上降落回收試驗(yàn)均以失敗告終，火箭都無(wú)一幸免地砸到了回收船上，一時(shí)間，外界議論紛紛。雪上加霜的是，SpaceX又遭遇了一次“獵鷹九號(hào)”火箭的發(fā)射爆炸，此時(shí)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(shí)間2015年12月23日，經(jīng)改造的“獵鷹九號(hào)”火箭第一級(jí)成功飛回卡納維拉爾角的著陸場(chǎng)并在陸地著陸成功，SpaceX多年的堅(jiān)持終于有了回報(bào)！

在海上平臺(tái)成功“軟著陸”

即使“獵鷹九號(hào)”火箭第一級(jí)陸上成功著陸，關(guān)于海上回收火箭的質(zhì)疑聲卻仍未平息，很多人仍然認(rèn)為，受海浪等因素的影響，實(shí)現(xiàn)火箭的海上回收仍困難重重。

但對(duì)于SpaceX來(lái)說(shuō)，海上回收火箭有著陸上回收無(wú)法取代的價(jià)值。相比陸上回收火箭多達(dá)30%的運(yùn)力下降，海上回收損失的運(yùn)力只有15%，這在發(fā)射更大更重的飛船和衛(wèi)星上的優(yōu)勢(shì)不言而喻。

2016年，SpaceX繼續(xù)進(jìn)行火箭海上降落回收試驗(yàn)，但連續(xù)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(gè)大坑。2016年4月9日，“獵鷹九號(hào)”再次“出征”，它的第一級(jí)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(yàn)使用的是同一艘回收船，它的名字叫“Of Course I Still Love You”（當(dāng)然我依然愛你），對(duì)比上一次砸出一個(gè)大坑的沮喪和這次成功的歡呼雀躍，這個(gè)名字實(shí)在是應(yīng)景得很。

結(jié) 語(yǔ)

回收運(yùn)載火箭有望大幅度降低航天發(fā)射的成本，SpaceX甚至大膽暢想“獵鷹九號(hào)”火箭第一級(jí)進(jìn)行100次重復(fù)使用的樂觀前景。到那時(shí)，“獵鷹九號(hào)”火箭的性價(jià)比將打遍天下無(wú)敵手，甚至可能由此拉開大航天時(shí)代的序幕。充氣式太空艙可以為太空活動(dòng)提供更大的生活空間，上述兩者的結(jié)合將使移民外星不再遙不可及。很多年后，當(dāng)我們的下一代人成為“外星人”時(shí)，也許你才會(huì)發(fā)現(xiàn)，所有的一切都來(lái)自這次例行的空間站貨運(yùn)任務(wù)！