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SpaceX宇航员发射背后的火箭科学

2020-06-08 17:31:46来源:

美国宇航局的两名宇航员罗伯特·本肯和道格拉斯·赫尔利终于创造了历史,他们乘坐私人资助的太空飞船——SpaceX的猎鹰9号火箭和船员龙太空舱前往国际空间站。发射原定于5月27日进行,但因天气原因被迫推迟。它于5月30日美国东部时间下午3点22分发射。

宇航员在起飞时仰卧在座位上,面向飞行方向,以减少高加速度对身体造成的压力。航天器从肯尼迪航天中心发射升空,飞越大西洋,转向与国际空间站轨道相匹配的方向。

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第一个火箭部分在两分钟多一点的时间分离。从第二阶段分离出来的主太空舱在几分钟后燃烧,继续它的旅程。“龙”号宇宙飞船在发射19小时后终于与国际空间站对接。

太空任务的发射和着陆是最关键的部分。然而,Space X已经进行了很多测试,包括27次降落伞着陆系统的降落。它还成功地将“龙”号太空舱与火箭进行了紧急分离。在火箭发射失败的情况下,八个引擎将把载有宇航员的太空舱升到空中,脱离火箭,降落伞最终帮助它着陆。猎鹰9号火箭已经成功发射83次。

空间站的轨道速度是每秒7.7公里。地球的自转将发射点置于国际空间站的直线飞行路径下,每一个发射点都提供了一个“发射窗口”。

为了拦截国际空间站,太空舱必须匹配国际空间站的速度、高度和倾角,而且必须在正确的时间拦截,这样两个航天器就能靠得很近。在国际空间站和“龙”号太空舱轨道相交的地方,速度差几乎为零。

一旦这些条件得到满足,“龙”号太空舱就会通过在飞船周围布置的一系列小型控制推进器进入国际空间站的对接端口。这是由计算机自动完成的,但是如果需要宇航员可以手动控制这个操作。

如下图所示,机动包括“平移控制”,用绿色箭头表示,即左右、上下、前后移动。黄色箭头表示“姿态控制”-顺时针/逆时针滚动,向上/向下俯仰,向左/向右偏航。

这被牛顿第一运动定律复杂化了——任何静止或运动的物体将继续保持静止状态,除非受到外力的作用。这意味着任何动作,比如向右滚,都将在没有空气阻力的情况下无限期地持续下去,以提供一个外力,直到它被向相反方向发射的推进器抵消。

既然你已经掌握了轨道机动的原理,为什么不自己试一试呢?这个模拟器由Space X提供,可以让你尝试并驾驶“龙”太空舱到达国际空间站的对接口。

当一组新的宇航员准备好代替他们的位置或由NASA决定时,宇航员们将返回地球。NASA已经在计划由四名宇航员组成的“龙”号首次全面运行飞行,不过发射日期尚未宣布,而且无疑将取决于这次演示飞行的结果。

此次发射使SpaceX牢牢领先于其他寻求提供载人航天发射的商业公司。这包括波音公司的“星际客机”,它去年首次发射,但没有载人,以及内华达山脉的“追梦者”,它计划在明年飞往国际空间站时进行货物测试。

商业部门将宇航员送往国际空间站的能力是人类进一步探索的重要一步,包括在月球上建立人类的存在,并最终在火星上。

然而,随着公司的竞争,一个悬而未决的问题是,安全是否会在某个时候被妥协以获得商业优势。目前还没有迹象表明这种情况已经发生,但任何由于经济原因导致的失误导致的任务失败都将带来严重的法律后果。

与现代飞机立法类似,一套空间安全标准和规章必须尽快落实到位。对于商业探月和其他任务,我们还必须确保任何航天器不会用地球的细菌污染它们所访问的地点。

随着越来越多的国家和公司制定月球任务计划,在国际合作和寻找成本效益高的发射方法方面有明显的优势。这很重要,因为它不像民选政府那样,凭着一时的心血来潮决定方向,而这种方向可以从一届政府完全改变到下一届政府。

因此,对于我们这些希望扩展太空知识的科学家来说,这是一个非常激动人心的时刻。