石豪：祸不单行的波音公司，深陷噩梦的美国飞船
【文/观察者网专栏作者 石豪】
北京时间12月20日19时36分，美国波音公司的新一代载人飞船Starliner“星际客机”自卡纳维拉尔角发射升空，执行该飞船的第一次飞行测试任务，即OFT（Orbital Flight Test，轨道飞行测试）。按照计划，飞船在这次无人试飞中将与国际空间站对接，为宇航员送上圣诞礼物。
然而，在运载火箭工作结束后，飞船出现故障，最终无法与国际空间站对接，并于北京时间12月22日20时58分提前返回地面。
这对于不久前刚宣布停产737MAX的波音公司，对于寻求通过“美国制造”宇宙飞船重返太空的美国来说，都是沉重的一击。
准备发射的Starliner飞船 | 图源：NASA/JOEL KOWSKY
梦幻般的设计
在2011年航天飞机退役后，美国暂时失去了将宇航员送入太空的能力，因此尽管美俄交恶不断，NASA依然要放下身段向俄罗斯购买“联盟”号飞船的“船票”，以维持国际空间站美国乘组的轮换。
为此，已经将工作重心转移到火星和其他深空载人任务领域的NASA发起了多个商业载人航天计划，将对美国而言已经成熟的近地轨道载人往返业务外包给商业公司进行。最终，波音和SpaceX公司拿到了NASA的国际空间站任务合同，SpaceX给出的方案是“龙2”号飞船，而波音拿出的正是此次出现故障的CST-100 Starliner“星际客机”。
“星际客机”飞船设计分解图 | 图源：波音（中文注释由笔者添加）
相比于SpaceX的新手上路，波音的经验显然更胜一筹，在“星际客机”飞船的设计中，你能够看到阿波罗（Apollo）飞船和猎户座（Orion）飞船的影子。
CST-100“星际客机”与美国其他飞船返回舱对比 | 图源见水印
而用于发射“星际客机”的火箭，也是美国久负盛名的组合——宇宙神-5运载火箭和半人马座上面级。宇宙神-5火箭可以说是冷战后美国传统航天企业的代表作，从2002年至今80余次发射仅有一次失手；半人马座上面级更是可追溯到上世纪50年代，兼具高性能与高可靠性，是美国航天的活化石，也是美国走向航天超级大国的重要助推器。
强强联合，可以说波音“星际客机”的发射是稳字当头，不知道怎么输。
发射工位中的宇宙神-5火箭、半人马座上面级和“星际客机”飞船 | 图源：NASA
按照常规运载能力来说，宇宙神-5火箭加半人马座上面级完全可以将13吨的“星际客机”直接送入国际空间站对接轨道，不过根据官方公布的任务剖面来看，火箭和上面级只是将飞船送入远地点181.5千米、近地点只有72.8千米的亚轨道。
“星际客机”飞船发射时序和初轨高度 | 图源：ULA
由于近地点低于100千米的冯·卡门线，飞船在接近近地点时将受到巨大的大气阻力。如果不能尽快提升轨道到100千米以上，飞船将很快坠入大气层。
而这正是“星际客机”飞船设计的巧妙之处。
为了让宇航员更舒适，“星际客机”发射过程中的稳定过载被严格限制在了3.5g。因此运载火箭在飞行过程中要不断调整发动机推力，以确保不超过3.5g过载，所以火箭结束工作时，飞船近地点还低于100千米。
和“联盟”、“神舟”等飞船不同，波音“星际客机”飞船没有采用传统的逃逸塔，而是通过推进舱自带的液体燃料逃逸发动机执行飞船救生。这样做省去了复杂而沉重的逃逸塔，让火箭能够发射更大的飞船。
为确保在发射全程都能实现逃逸救生，“星际客机”飞船自然要携带更多的燃料。
如果发射出现问题，这些燃料足够确保宇航员逃出生天。
而如果发射一切顺利，那么多出来的燃料正好可以用于提升飞船的近地点，使其进入真正的近地轨道。
既省去了逃逸塔，又实现了逃逸救生，还能让宇航员全程舒适，真的是精巧的设计。
可偏偏出了问题。
梦魇似的处女航
火箭的发射本来一切正常，飞船按计划被送入了远地点192千米、近地点77千米的亚轨道。
但是就在与火箭分离后，“星际客机”飞船上的一个关键设备出现了异常，我们可以简单理解为飞船的时钟——它让飞船误以为自己正处于提升近地点的变轨过程中。
在预设程序里，变轨是需要很高精度的姿态和轨道控制的，因此“星际客机”飞船的48台姿轨控推力器开始疯狂工作，在短时间内消耗了大量燃料。
在下面的直播画面截图中，我们也能清楚地看到飞船的多台推力器正在工作。
任务控制中心直播截图，注意黄圈内飞船推力器的点火情况
在发现异常后，任务控制人员第一时间尝试向飞船注入正确指令，手动消除影响，但不凑巧的是，当时飞船正好处于两颗TDRS中继卫星的覆盖交接区，因此指令没有注入成功。
TDRS是美国的中继卫星，承担着大量美国航天发射的测控任务，2017年时已发射到第十三颗（TDRS-13）。
TDRS-13卫星 | 图源：NASA
借助发达的中继卫星网络，美国在航天发射中一般不需要地面或类似我国“远望”号那样的测控船进行测控。但这次，单一的测控手段着实坑了波音一把，如果动员美军地面站或者测控船，“星际客机”的处女航也许还有救。
不过这些“如果”都没有发生，摆在波音和NASA面前的结果是：“星际客机”消耗了过多的燃料，与国际空间站的对接试验不得不取消，原定于12月28日返回的飞船不得不提前到22日返回地球。
最终，国际空间站的宇航员们没有等来2019年的圣诞礼物，“星际客机”也于北京时间12月22日20时58分在著名的白沙导弹靶场着陆。
降落伞打开，抛防热大底的“星际客机”飞船 | 图源：NASA
工作人员正在回收“星际客机”飞船 | 图源：NASA
尚在梦中的美国载人飞船
在事故发生以后，NASA的态度颇为耐人寻味。
尽管“星际客机”首飞没有完成任务，NASA局长吉姆·布里登斯廷在事故发生后依然表示：“星际客机”的下一次任务可以直接载人，不用再发射无人飞船。
听上去，NASA对波音简直是真爱，不管顺境逆境都无保留地信任波音。但仔细想来，这也是基于现状的无奈之举。
随着冷战结束，美国的“去工业化”进程加速，大批在冷战时期发展起来的航天制造商纷纷被兼并或退出市场，到2011年航天飞机退役以后，还有心气、有实力竞争NASA商业载人航天项目的传统航天企业屈指可数，波音是其中最成气候的一家。
看看当时和波音竞争商业载人的对手都有谁：马斯克的SpaceX、贝索斯的Blue Origin、还有名不见经传的内华达山脉公司，都是航天领域的新兵。
内华达山脉公司的“追梦者”号航天飞机 | 图源：SpaceNews
和这些新兵蛋子相比，波音在航天器方面的经验实在是过于丰富，NASA的专家更青睐于波音也是情理之中的。
最要命的是，作为世界上航天技术最先进的，以至于动辄对他国进行技术制裁的美国，已经有8年时间没法用“美国制造”的航天器把美国宇航员送入太空了。
对全世界来说，这是一出魔幻主义的滑稽剧。
但对美国人来说，这是颇为现实主义的悲剧。
为了赶紧结束这种尴尬局面，NASA也是着急上火。
波音这次事故，目前来看就是非常愚蠢的低级失误，飞船硬件看起来没问题，而与国际空间站的交会对接更是波音和NASA熟得不能再熟的科目，就算这次不验证似乎也没问题。
毕竟，飞船的发射适应性验证了，返回也成功了，对接就算不做，也是67%成功——印度的探月器翻车都能算95%成功呢，NASA批准波音下一发载人试验好像也没什么问题。
更何况，“星际客机”前一阵子逃逸试验时，降落伞系统就出了问题，一个伞没有展开。
“星际客机”飞船逃逸试验，注意只有两个降落伞打开 | 图源：Spaceflight Now
这次轨道发射，降落伞就没出问题，所以下一发直接载人，还能赶上2020年的时间节点。
至于波音的竞争对手SpaceX，原本占尽先机，今年3月就成功完成了与“龙2”飞船、与国际空间站的对接演示任务。
但惨的是，今年4月20日，“龙2”飞船在进行逃逸系统静态点火时，直接在试验台上发生了爆炸。
“龙2”飞船在试验中爆炸（视频截图合成）
结果SpaceX的进度也被拖后，原计划2019年美国宇航员就能坐着美国飞船重返太空，现在看来，只能2020年再见了。
没有“美国飞船”的噩梦，看来一时半会还醒不了。
研究人员正在推动“星际客机”飞船 | 图源：波音
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