上天的天宫二号,撞上火墙

天宫二号上天啦!它为我们的航天员在天空中提供了一间真正的科学实验室。那么,这间“漂浮”在太空中的实验室里,都有哪些神秘的仪器设备?又会研究哪些课题呢?就让我们一起探个究竟吧。

Update:2014年1月22日,史蒂芬·霍金在arXiv网站上发布了一篇尚未通过同行评议的论文,试图解决本文提到的那个悖论——黑洞的“事件视界”内部,到底有没有一道焚毁一切的火墙,这涉及到一个根本的矛盾:该放弃的,是广义相对论,还是量子力学?

北京时间今天凌晨,SpaceX公司的猎鹰九号火箭第一级成功实现了海上平台的垂直着陆,向着火箭的重复利用又迈进了坚实的一步。视频来源:SpaceX

威尼斯正规官网 1天宫二号空间实验室,我们自主研发的第二个空间实验室。图片来源:military.china.com

霍金既没有放弃相对论,也没有放弃量子力学,而是另辟蹊径,放弃了导致这一悖论的“事件视界”。在那篇论文中,霍金提出,黑洞附近的量子效应使得时空涨落极其猛烈,因此不可能存在一条绝对清晰的分界线,也就不存在一落进去就再也逃不出来的所谓“事件视界”。

北京时间4月9日凌晨4时43分,猎鹰九号FT火箭搭载龙式飞船发射升空,8分半钟后猎鹰九号第一级飞近遥控着陆靶船,成功实现了首次海上降落,这是人类可重复使用火箭发展道路上的丰碑!

太空中的“八卦炉”:综合材料实验装置

这套实验装置由“材料实验炉”、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置共约27.6公斤重,最大功耗不到200瓦(一般电水壶1000~1800瓦,这套装置只用了电水壶功耗的1/9~1/5,相当于2个100瓦的白炽灯),却能实现真空环境下最高950摄氏度的炉膛温度!

航天员将在这个炉子里“炼制”复合材料、金属材料、有机高分子材料和晶体材料等各种新型材料。比如将要制备的闪烁晶体可以帮助人类探索、认识和利用肉眼无法识别的射线、高能粒子,将其转化为可识别、可控制的信号(例如可见光)。如果运用在医疗成像领域,就像齐天大圣的火眼金睛,让肿瘤无所遁形。打个比方,以现在的诊疗检测手段,某位病人的某处肿瘤需要长到1毫米量级才能被发现,而安装了经过太空实验得到的闪烁晶体的CT,可能在肿瘤1微米时就能被精确定位,真正做到“上医治未病”。

威尼斯正规官网 2天宫八卦炉”综合材料实验装置,宇航员可以用这套系统“炼制”新型材料。图片来源:news.eastday.com

取而代之的,是一个被称为“表面视界”的新概念。事物只是暂时被囚禁在其中,终有一天,随着“表面视界”的消失,被囚禁的信息会以另一种几乎无法辨认的方式被释放出来。不过,霍金在论文中并没有具体说明“表面视界”会怎样消失。

情理之中的成功

太空探索技术公司(SpaceX)不仅研制了物美价廉的龙式飞船和猎鹰火箭,更因为坚持不懈地重复使用试验备受关注。猎鹰九号火箭已经进行了多次软着陆回收试验,但早期的试验由于种种原因都以失败告终,直到2015年12月22日的OG-2通信卫星发射任务时,猎鹰九号FT火箭第一级成功返回卡纳维拉尔角的着陆场着陆,开创了历史性的新篇章(详见《SpaceX成功回收一级火箭!》一文)。

2016年1月17日和3月4日的两次发射试验中,猎鹰火箭海上落船仍然功败垂成,但面对2015年底着陆的成功和2016年着船距离成功之近的事实,无论是航天专家还是爱好者都普遍相信,猎鹰火箭第一级成功在靶船上降落并没有技术和工程上的大问题,成功只是时间问题。

4月9日的CRS-8任务亮点纷呈:这是龙式飞船运载量最大的一次任务,将为未来CRS2任务更大的货运量要求做好准备;龙式飞船携带了BEAM充气膨胀太空舱,将进行为期两年的轨道飞行测试,为未来大型BA330甚至BA2100的应用铺平道路,甚至会成为载人火星任务的居住舱;CRS-8还是龙式飞船的第10次发射和CRS的第8次任务,说明空间站商业补给已经常态化。

不过相对于商业货运的常态化,人们更关心猎鹰火箭第一级能否成功降落回收。天遂人愿,猎鹰九号FT火箭的第一级在进行点火反推、再入点火减速和着陆点火工作后,飞近了大西洋上名为“Of
Course I Still Love
You”的降落靶船,并成功降落固定。从视频看,最后着陆前约3秒时间内,火箭从倾斜约20度迅速调整到垂直方向,体现了卓越的发动机矢量控制和火箭整体姿态控制能力,正可谓艺高人大胆。

最有意思的是,这次成功着陆的靶船,正是3月4日SES-9发射任务中被返回的猎鹰九号火箭砸了一个大洞的靶船,而它的名字虽然来自科幻小说,但此时此刻再也没有比它更恰当的名字来诉说成功的喜悦了。

威尼斯正规官网 3在3月4日SES-9发射任务中,尝试回收的一级火箭砸在靶船上损毁。而正是这同一艘靶船,今天凌晨成功回收了CRS-8发射任务中的一级火箭。图片来源:Dawn
Leek Taylor/JNN

伴随卫星,天宫“守护者”

天宫二号伴随卫星是一颗微纳卫星,是天宫二号试验任务的一部分。伴随卫星采用了小型化、轻量化、功能密度的设计,使卫星结构小、重量轻,却实现了高功能密度的设计结果。

伴随卫星将在在轨任务期间开展对空间组合体的伴飞以及多平台空间协同等试验,为主航天器的技术试验提供支持,并进行多项新技术的试验,拓展空间技术应用。

在未来,未来的伴随卫星是航天员可以操纵的机器人,搭载VR相机,可以实现更加复杂的空间操作任务。甚至可以个人化,将社交网络搬到太空。利用伴星和主星,或者释放多颗伴星组网,还可以实现多星协同工作,完成一颗卫星单独无法实施的应用任务,提高主星应用效率,扩大应用领域,促进空间新技术的发展和应用。

威尼斯正规官网 4天宫二号的伴随卫星将协同天宫二号进行实验。图片来源:jiangsu.china.com.cn

假如霍金是对的,那么原则上来说,一切事物最终都可以逃离黑洞,于是传统意义上的黑洞也就不复存在了。不过,对于这篇论文,物理学家也仍在争论之中。相信在很长一段时间之内,霍金的这一观点只能算是一家之言。

回收复用的价值

一次性的运载火箭极其昂贵,即使是号称廉价的猎鹰九号火箭,根据太空探索技术公司官方网站的发射报价,也已经涨价到了6120万美元,但火箭推进剂的成本仅有约100万美元。如果能实现类似飞机那样的重复使用,让推进剂支出成为航天发射商成本中比例最高的一项,那航天发射报价必然可以降低到极低的水平,带来航天工业的爆炸性发展。这个巨大的诱惑,让全世界的火箭工程师们百折不挠的从事火箭重复使用的研究。

太空探索技术公司无疑是火箭重复使用研究的佼佼者,它是目前唯一实现了运载火箭第一级成功回收的航天公司,距离火箭第一级重复使用已经仅有一步之遥。按照太空探索技术公司公布的消息,今年6月前后将使用这次成功回收的猎鹰九号火箭第一级进行首次重复使用发射!

运载火箭要做到波音客机那样的多次重复使用还有太远的路要走,太空探索技术公司目前打算做到10次简单检修的重复使用能力,而实际的复用次数恐怕仍要打一个折扣。即使如此,猎鹰火箭的重复使用也将带来巨大的收益。

今年3月31日的报道中,公司首席运营官格温·肖特维尔(Gwynne Shotwell)提到希望通过重复使用将发射费用降低到现在的70%,但并没有提到这是一次还是多次复用的结果。报道还提到,同一场会议中SES卫星公司总裁克里木·米克尔·萨巴赫(Karim
Michel
Sabbagh)希望,猎鹰九号的发射成本能够降到3000万美元。如果肖特维尔降价30%的说法是一次复用的结果,那么多次复用完全可以达到SES公司的期望。即使多次复用第一级后,猎鹰九号火箭发射价格仍然高达4000万美元,这个价格也远远低于任何竞争对手,无论是联合发射联盟的宇宙神5型、德尔塔4型,还是俄罗斯的质子火箭、欧洲阿里安5型火箭或日本的H-IIA火箭。

根据公司总裁伊隆·马斯克(Elon
Musk)本次猎鹰火箭第一级海上回收成功后的说法,太空探索技术公司将对回收的火箭第一级进行10次点火测试,随后用于今年5、6月份的发射任务。他还认为,猎鹰九号火箭可以重用10到20次,翻修后重用次数甚至可以高达100次。如果未来猎鹰九号火箭能实现他的雄心,猎鹰火箭足以凭借性价比优势将所有竞争对手挤出商业发射市场,甚至可能开启大航天时代的序幕!

威尼斯正规官网 5海上驳船载着成功回收的一级火箭返回港口,终于不再是CG画面,而是成为现实了。图片来源:Pockn

难怪这次试验成功后,美国总统奥巴马都专门发来贺电。正如我们多数人并不了解伊莎贝拉女王统一西班牙等丰功伟绩,却记得她支持哥伦布发现美洲的壮举,或许在未来的史书上,猎鹰火箭的回收成功以及复用发射的成功,将是奥巴马任内最值得铭记的功绩。

“百变金刚”液桥

俗话说,“人往高处走,水往低处流”。可是在太空中,水未必能往低处流。这就是太空中,微重力的神奇所在。它颠覆了地面上的一些常识,航天员到了空间站里就喜欢上了淘气地“玩水”游戏。“神舟10号”里,王亚平在太空授课,变魔术一般地给我们展示了不可思议的大液膜和大水球。这次,在天宫二号里,科学家们将要首次开展“液桥”热毛细对流的空间流体物理实验!

液桥是什么?通俗地讲,液桥就是固体间的小液柱。之所以称之为液桥,是因为“桥”字有连接两地的含义,液桥就是连接着两个固体表面之间的一段液体。

地面上,由于重力作用,不能建立大尺寸液桥,但是在太空的微重力环境下,可以建立起很大尺寸的液桥。利用大尺寸液桥,就可以开展微重力热毛细流动的科学实验。用中国科学院力学研究所康琦研究员的话说:“为生产出高质量的半导体材料,就要科学控制单晶硅在晶体生长过程中浮力对流和热毛细对流的影响,而太空特有的微重力环境将使科学家深入剖析热毛细对流的真实过程。”

威尼斯正规官网 6王亚平在太空中展示奇妙的大水球。图片来源:china.cnr.cn

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海上回收必不可少

2015年底猎鹰九号火箭已经实现了首次陆上回收,未来的复用发射中陆上回收也将是首选,但太空探索技术公司仍然坚持不懈的进行海上回收试验,这并非钻牛角尖的执着,而是有着无法回避的需求。

说起来这次CRS-8货运任务非常有趣。猎鹰九号FT火箭运力很强,即使是发射史上最重的龙式飞船,第一级也具备返回陆上发射场的能力。但甲方美国航空航天局(NASA)希望留些运力作为余量,于是火箭第一级只好选择海上降落,阴差阳错地促成了首次海上降落成功的壮举。

无论是根据这次任务的报道,还是我们自己简单的定性推算,都可以发现——猎鹰九号火箭在射向(DownRange)降落和返回发射场(RTLS)两种降落回收方式上损失的运力是大不相同的。根据太空探索技术公司官方的消息,射向降落方式损失大约15%的运力,而返回发射场方式则要损失30%之多,这也是太空探索技术公司要探索海上降落回收方式的主要原因。

对于猎鹰火箭来说,只要火箭价格足够便宜,牺牲一些运力无关紧要,但你不可能用复用后运力4吨的火箭发射重量5吨的卫星,要发射更重的卫星,就意味着有些发射任务要采取射向降落方式回收。太空探索技术公司的发射场都位于海边,发射方向上都是茫茫大海,如果没有海上回收能力,那么有些理论上可以回收的发射任务,只能被迫放弃复用,这对斤斤计较的商业公司来说是无法忍受的。

这段视频解释了为什么成功在陆地回收火箭之后,SpaceX公司还要不断尝试在海上回收。视频来源:SpaceX/@丹尼丹泥蛋泥

太空探索技术公司还在研制重型猎鹰火箭,这是一种大型捆绑式运载火箭,两个助推器和芯级都安装有9台梅林1D+发动机,根据用户需求还可能使用推进剂交叉输送技术,从而进一步增加运力。如果说猎鹰九号火箭发射可以直接陆上回收的话,重型猎鹰火箭就不可避免必须用到海上回收了。重型猎鹰火箭的两个助推器将返回卡纳维拉尔角的陆地降落场,但芯级飞行时间更长分离速度更高,要飞回陆地将损失太多的运力,实在是得不偿失。马斯克很早就说过,重型猎鹰的芯级将在海上回收,以最大限度的提高火箭运载能力。

威尼斯正规官网,重型猎鹰按计划将在今年年底发射,对火箭海上回收技术的需求不说迫在眉睫,也是十分现实的需求。太空探索技术公司在陆地降落成功后,接二连三的继续进行难度更高的海上回收试验,其实是必然的结果。不出意外的话,未来该公司还将进行更多的海上回收试验。

太空探索技术公司已经破除了人们对私人公司能否研制中型火箭和飞船的怀疑,将猎鹰火箭和龙式飞船转入常态运营,未来海上回收猎鹰火箭第一级转入常态化,恐怕也并不遥远了。运营官肖特维尔自信地表示,猎鹰火箭近地轨道发射任务有75-80%的着陆成功率,而地球同步转移轨道发射任务的着陆成功率也将达到50-60%。我们不妨拭目以待吧!(编辑:Steed)

PS:错过今天凌晨猎鹰九号发射直播的朋友,可以回放SpaceX提供的以下这段完整的发射实况,重温激动人心的首次海上平台回收火箭。

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