坐着出租车上太空

赵洋

2014年9月16日，美国航空航天局（NASA）宣布，在运送宇航员到国际空间站项目的竞争中，波音和太空探索技术（SpaceX）公司成了赢家。美国宇航员最早可在2017年乘坐这两家公司分别研制的CST-100飞船和“龙2”型（Dragon 2）飞船，从美国本土飞上太空。此前，因为航天飞机退役，美国不得不向俄罗斯支付每个“座位”7000万美元的高价，把自己的宇航员送上自己主导建设的空间站。这一合同的签订，标志着喧嚣多年的太空出租车竞争尘埃落定，私营企业首次跻身载人航天领域。

CST-100飞船名字中的数字100代表100公里，这是地面到太空的距离，这意味着它专门执行空间近地短途运输任务。这一新型飞船的外形与“阿波罗”号和“猎户座”飞船很相似，而体积却处于它们的体积大小之间，能一次性搭载7名宇航员。其中，4个名额预留给空间站机组人员，剩下3个可以提供给太空游客。这艘航天器的最宽处有4.5米，利用了阿波罗飞船和航天飞机项目中已成熟的技术。它的创新之处还包括全船无焊接设计、现代结构以及升级版的热控制技术方案。波音公司声称，这种一体化设计降低了飞船整体重量，并加快了舱体的制造速度。过去的美国载人飞船都是在海洋里溅落的，这次CST-100有望通过降落伞减速，再用安全气囊吸收撞击力，实现陆地着陆。CST-100可以在轨飞行长达7个月，返回地球后再更换防热系统，进行翻新。为了达到经济性，每一个独立的小舱室都被设计为充分使用，可实现10次太空飞行。

今年5月，SpaceX研制的无人“龙”号飞船被国际空间站机械手臂抓住，实现对接和物资运送。这次成功的飞行证明了“龙”飞船不仅仅可以将货物送到国际空间站，而且还可以重复使用。这是第一艘完成此项任务的商业太空船。此外，“龙”飞船还可以搭载一名宇航员。尽管技术先进，但是“龙”飞船仍然使用老式的着陆方式——像“阿波罗”任务那样落入大海后再打捞回收。而第二代“龙”飞船则安装了被称为“蚱蜢”的反推火箭，可以垂直降落在地面上。巧妙的是，如果飞船在上升阶段遇险，这些发动机可以作为应急救生的动力。“龙2”飞船外形也极具创新性，过去的飞船一般都是轴对称几何体，它却拥有非轴对称的扁平外形，这种形状可以提高再入大气层时的升阻比，让航天员在返回时更舒服，并减小气动加热而便于重复使用。“龙2”飞船可运载7名宇航员抵达近地轨道空间站乃至更加遥远的目的地，比如说火星——SpaceX公司总裁艾龙-马斯科声称，他建立公司的首要目标就是帮助人类成为一个多行星居住的种族。这位被誉为“现实版钢铁侠”的极客大亨还透露了“龙2”飞船的一些亮点，他说：“它的侧面安装有推进系统和供宇航员向外观察的大舷窗，底部还有着可以弹出的着陆支架，看起来像一艘外星飞船。”

将时针拨回到1968年，在那年上映的科幻影片《2001：太空漫游》中有这样一个经典蒙太奇——古猿扔向蓝色天空的骨头一下变成了在漆黑太空中翱翔的宇宙飞船。导演库布里克和编剧阿瑟·克拉克想用这个画面传达人类技术的飞跃——从简单的天然工具到复杂的载人航天器，这中间跨越了百万年历史。在这部影片推出之时，航天事业正发展得如火如荼，因为美苏登月竞赛的缘故，短短七年时间里，载人飞船已经进化了三代。

1961年，把苏联宇航员加加林送入太空的“东方”号飞船是第一代飞船的代表。它采用座舱和服务舱串联的两舱式布局，仅容纳一人。第二代苏联飞船是“上升”号，属于过渡型号，目的是突破太空行走技术，其中一人出舱活动，另一人留守舱内。第三代是“联盟”号，其使命是载人登月和作为空间站的运输工具，可搭载三人。

尽管苏联飞船曾创造多项航天史的“第一”，但早期飞船技术并不成熟。女宇航员捷列什科娃在1963年乘“东方6号”飞船绕地球飞行了48周后返回地面，成为第一个进入太空的女性。但这次旅程并不愉快，“东方6号”飞船很小，她只能半躺着度过了三昼夜。而且飞船的自动控制系统也出现了失误，捷列什科娃回忆说：“这个秘密我保守了三十年。本来应该开动下降系统，但按计划规定却是提高飞行速度，改变轨道，飞离地球。”好在她及时发现了这个错误并向飞行管理中心汇报。得到指令后，她启动了下降系统并顺利着陆。当时，苏联和美国的宇航技术都还很不发达，远未完善。

尽管苏、美的载人飞船在外形与结构上有很大不同，属于科技发展谱系树上的不同分支，但按照飞船功能和技术水平划分，美国的三代载人飞船与苏联飞船具有两两对应的关系。因此，我们可以把两个国家在同时代发展出的飞船看作是“远亲”。第一代美国飞船是1961年4月至1963年6月使用的“水星”号，只能搭载一人。第二代是1965年投入使用的“双子星座”号飞船，可容纳二人，它验证了交会对接与太空行走技术，这些技术是登月时必需的。“阿波罗”号飞船是美国的第三代飞船，也是目前唯一发射成功的登月飞船，为圆锥形的三舱结构，乘员三人。

上述飞船称霸太空将近40年，直到1999年中国“神舟”号飞船首飞，才打破了载人航天两家独大的局面。

虽然中国载人航天工程起步较晚，但并不是从最简单的飞船起步，先搞两舱段单人飞船，然后才研制多人飞船，而是一步迈过美苏的40年发展历程，实现了跨越式的发展。中国航天工作者博采众家之长，一步到位地研制了多人多舱的第三代载人飞船——“神舟”飞船，实现了载人飞船技术的跨越式发展。

国外的载人飞船，如苏联的“东方”号飞船是单人单舱飞船，美国的“水星”号飞船是单人双舱飞船，航天员只能半躺在座椅上，在狭小的空间里，完成按电钮、拉手柄等操作动作。“神舟”飞船因采用多舱段结构，飞船内部空间较大，可同时容纳三名航天员工作生活。目前，“神舟”飞船是在轨道上运行的个头最大的载人飞船，且从未出现过安全事故，难怪电影《地心引力》中要安排“神舟”飞船作为遇险美国宇航员的救命稻草。

回到NASA太空出租车的竞争故事中。此前曾被看好的内华达山脉太空系统公司是参与竞标的第三家公司，它的设计方案是使用一架小型航天飞机，放在运载火箭顶端发射入轨，它能够载着宇航员在飞机跑道上水平降落。这架名为“追梦者”的小型航天飞机也能运载七名宇航员来往于天地之间。“追梦者”的外观虽然科幻，但其原型就是NASA在20世纪80年代提出的HL-20升力体构形。NASA已经在过去的两年里向该公司提供了超过一亿美元的商业载人航天项目资金来帮助“追梦者”的发展。“追梦者”也很争气，目前已完成了全部风洞试验，验证了小型航天飞机与火箭集成时的性能。但不利之处在于，它与波音的CST-100都要使用“阿特拉斯5”运载火箭发射，这种火箭需使用俄制RD-180发动机，有断货的风险。

但更深层次的原因是，NASA对航天飞机这种技术心有余悸。身为NASA顾问的物理学家大卫·布林（他也是科幻作家，代表作《星潮汹涌》）这样评论目前各式载人航天器层出不穷的局面：“这是一个令人兴奋的时代！但自从1986年‘挑战者’号失事以来，美国宇航局已经异常小心。”

“阿波罗”登月成功后，美国匆忙放弃了飞船路线，转而发展更具科幻感的可重复使用天地往返工具——航天飞机。20世纪70年代初，美国空军承诺帮助NASA游说国会通过航天飞机的预算，作为交换，航天飞机将按照美国空军的特定要求设计，空军拥有两架航天飞机的使用权。航天飞机的设计运载能力也从11吨提升至中央情报局期望的29吨，这样就可以满足发射下一代侦察卫星的需要。

1986年，“挑战者”号航天飞机因为一个密封圈失效而凌空爆炸后，美国空军抛弃了使用航天飞机发射军事卫星的幻想，转而投资于可靠性更高、价格更便宜的一次性运载火箭。

从此，大而全的航天飞机几乎成了NASA的一块心病，虽然曾表演过两次维修“哈勃”太空望远镜的出色太空秀，但高昂的发射费用与复杂的技术大大降低了航天飞机的使用率。

航天飞机的优势在于可以部分重复使用，但仅有飞机状的轨道器和固体助推火箭可以重复使用，设计寿命分别为100多次和20次，而固体助推火箭还要从大西洋上打捞，体积最大的外燃料舱则是用了就扔的。载人飞船及其运载火箭虽然不能重复使用，但结构简单可靠，重量较小，发射费用低也是其优势所在。

航天飞机的优势还在于发射和降落时冲击较小，普通人经过训练也可乘坐，不过价格不菲，NASA给每次航天飞机飞行商业发射标价为1.55亿美元。要发射一颗中型商业卫星，用中国的运载火箭只需1500万美元，而用航天飞机则要花费8000万美元。

如果把天地往返系统比作公路运输，那么航天飞机就像是一辆载重卡车，连司机带搭便车的7个人挤在驾驶室中，货舱里却经常空空如也——美国自己的商业卫星就交给更便宜的一次性运载火箭发射了。航天飞机技术不切实际地复杂，也异乎寻常地昂贵，以至于在运输卫星和人员方面没有任何竞争力。而载人飞船则像迷你轿车，连行李箱都做得很小，省油而且便宜，在可靠的公路上开着也很安全。事实证明，航天飞机生不逢时，大规模太空物流的时代远未到来。在受到1986年和2003年两次折翼的打击后，NASA不得不考虑雪藏这台烧钱机器，转而发展载人飞船也就顺理成章了。

美国政府之所以要进行“太空出租车”的招标，原因在于官方主导研制的“猎户座”飞船进展缓慢，没能尽快填补航天飞机退役后的空缺。

“猎户座”飞船延续了“阿波罗”飞船的外形布局，所以有人称其为“阿波罗”飞船的2.0版。但它的一系列独到之处，使其跻身第四代飞船之列。它由乘员舱、服务舱、飞船结合段和发射逃逸系统四部分组成。乘员舱是圆锥形，服务舱是圆筒形。它与“阿波罗”的共同之处到此为止。“猎户座”太空舱直径约5米，总重量约25吨，是“阿波罗”可居住空间的2.5倍。“猎户座”可乘坐6名宇航员，而“阿波罗”只能容纳3人。“猎户座”的电子系统和各项设备都反映了21世纪的最高水平。仪表采用波音787飞机的数字式系统;控制系统是“手自一体”，在应急情况下可用手控取代自控;废物处理系统采用国际空间站男女通用的卫生设施;舱内使用1个大气压的氮氧混合空气。此外，大型太阳能电池板取代燃料电池;助推火箭燃料使用液态甲烷，可在火星、土卫六等星球上补充，彰显适航能力。

“猎户座”还是美国第一种能够在陆地上降落的飞船。它采用了降落伞与反推火箭相结合的回收系统，使乘员舱能像“神舟”飞船一样在陆地上着陆，不必像美国前三代飞船一样出动舰队打捞。为了取代昂贵且高风险的航天飞机，“猎户座”也得有些相对于航天飞机的“绝活”：例如它的乘员舱能部分重复使用，每一个乘员舱最多可重复使用10次;防热系统比航天飞机的更安全可靠，绝不会发生隔热瓦损坏造成机毁人亡的惨剧;因为飞船在发射时顶部设有逃逸塔系统，一旦在发射时出现故障，可迅速带飞船飞至安全区域。这些措施可使事故概率从航天飞机的1/220降低为1/2000。“猎户座”与NASA过去的载人飞船不同的一个特点是，增加了两个太阳能电池帆板。按照最新计划，重获新生的“猎户座”飞船将在2017年执行首次无人飞行任务，并于2021年实现载人飞行。

航天大国俄罗斯同样也在努力研制新一代载人飞船。新飞船名叫“罗斯”，这是俄国的古名。飞船返回舱的最大直径为4.4米，是“联盟”号飞船直径的两倍多，最多可容纳6人，同时还可在地面和轨道之间往返运输重约半吨的物资。尽管“罗斯”表面上与美国的“猎户座”相似，但是却有明显区别，体现出了俄罗斯特色。新一代飞船的乘员舱可重复使用10次，寿命15年。该乘员舱将采用可重复使用的防热瓦，这不同于传统的烧蚀性绝热系统，这种材料可以在再入地球大气期间分层燃烧。俄罗斯的这种做法与美国相反，美国的“猎户座”防热材料采用“阿波罗”时代的烧蚀性绝热系统，而已退役的航天飞机则采用防热瓦。“罗斯”飞船的造价预计将比美国的“猎户座”便宜三分之二。

与“联盟”号系列飞船一样，“罗斯”飞船可以实现完全自主和手动交会对接，并有足够的推力与空间站、低轨平台和不载人航天器舱对接或脱离，保证安全返回。“罗斯”的乘员舱顶部采用了可移动的空气动力学襟翼，一旦乘员舱到达了可辨识大气的区域，它就可以用来控制乘员舱。“罗斯”的降落与“龙2”飞船相似，它利用着陆发动机的推力实现垂直软着陆，降落伞只在紧急情况下使用。新飞船的着陆精度将会提升到两公里，仅为“联盟”飞船二十公里着陆精度的十分之一。

无论是“罗斯”还是“猎户座”，它们的目的地都不止于近地轨道，它们均具有能把宇航员送到月球并安全返回的实力;至于将宇航员运送到火星、小行星或太阳系的其他天体附近——就看哪个国家肯为这种巡游买单了。

航天飞机驾驶舱可能是世界上屏幕和按钮密度最高的地方。宇航员不但要熟记这些设备的位置和功能，还要带一本厚厚的使用手册备用。而在微重力环境下，厚重的宇航服又使肢体运动极其不便。如何解决控制界面过于复杂而操控动作不便展开的矛盾？英国艾塞克斯大学的一个研究小组想出一个解决方案——使用大脑-计算机界面（BCI）控制宇宙飞船。

在实验中科学家使用BCI系统模拟飞船操控，发现两个宇航员协同工作时具有较高的工作效率。模拟宇航员的测试者头戴包含66个电极的帽状装置，这是一种非侵入式获得大脑信号的方法，能够读取测试者的脑电图信号。为了放大脑信号，研究小组通过计算机在屏幕上产生特殊的视觉刺激，这将帮助被试者产生大脑信号，进而模拟飞船在太空中的状况。“飞船”在屏幕上是一个较大的圆圈，“太阳”是一个较大的白色球体，当“飞船”逐渐接近“太阳”时，白色球体就会变大。在圆圈周围的一组8个灰色圆点是控制飞船移动的光标，每个圆点代表不同的方向，这些圆点将以绿色或者红色随机点亮。

为了实现飞船沿着特定方向飞行，“宇航员”必须集中精力于这些圆点，识别圆点每次点亮时的颜色。对圆点色彩的专注将使大脑产生较强的脑电波信号。当测试者专注于飞船沿着正确轨道移动时，几台计算机将协同工作读取大脑信号并进行分析，实时呈现飞船的模拟飞行状况。科学家们希望，通过解读控制飞船姿态的特定大脑信号，可以开发出一套飞行操作系统，有朝一日能用在飞船驾驶舱中，取代现在密密麻麻的显示器和按钮。

看样子，《星际迷航》系列影片中船长发出口头指令，船员跑来跑去执行操作命令的忙碌舰桥场景很快就要过时了，毕竟那属于20世纪60年代的想象，新世纪的星舰将可以做到“身未动、心已远”。

【责任编辑：杨 枫】