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今天,美国第19艘天鹅座飞船伴随着最后一枚安塔瑞斯230+火箭完成使命,飞赴国际空间站。接下来至少有三艘天鹅座由SpaceX猎鹰9号火箭包揽承运,堪称航天界骑行过不同款型火箭最多的货运飞船。
按照惯例,天鹅座飞船发射窗口全都锁定5分钟(4分59秒),主要是由发射商根据发射任务、发射能力决定的。
天鹅座发射地点不在美国航天发射主战场佛州卡纳维拉尔角,而是位于弗吉尼亚州东海岸外一座面积约15.5平方公里的瓦勒普斯岛,这里被NASA命名为中大西洋地区航天港,发射商诺斯罗普·格鲁曼专属火星0A发射场用来发射天鹅座飞船。作为新邻居,火箭实验室从2022年起在此箭指太空,发射电子火箭。
美国东部时间8月1日20:31:11(北京时间8月2日8:31:11),最后一枚安塔瑞斯230升级版火箭准点发射升空,努力挣脱引力深井的束缚,一路飞向东南方的天际线吨推力,托举整流罩里的天鹅座飞船高歌猛进,冲向东南夜空。随即火箭达到超音速。升空3分18秒,两台一级发动机关闭熄火。紧接着一二级火箭分离操作,抛弃整流罩。升空4分07秒,启动二级固体燃料发动机卡斯托30XL,此时飞行速度3600米/秒,飞行高度118.5公里。
当火箭升空8分49秒,二级火箭进入初始轨道的近地点172.6公里,此时飞行速度超过7500米/秒,释放8.05吨天鹅座飞船。至此,发射环节顺利完成。
发射几小时后,天鹅座飞船慢慢展开两侧扇形太阳能阵列,经过两天半飞行后抵达国际空间站。预计北京时间8月4日17:55左右,由17.6米长的加拿大智能机械臂擒获天鹅座飞船。1.5小时后,即北京时间19:30左右,天鹅座货运飞船对接国际空间站团结号舱段地球方向端口。
这次发射的第19艘天鹅座货运龙飞船还有一个特殊名称:S.S. Laurel Clark,这是以2003年哥伦比亚号航天飞机罹难的NASA女宇航员罗瑞尔·克拉克命名的。除了克拉克,之前发射的天鹅座飞船纪念名字,还包括挑战者号的鬼塚承次,哥伦比亚号的里克·赫斯本德和卡尔帕娜·乔拉。还有阿波罗登月宇航员尤金·塞尔南、约翰·杨、阿尔·本,阿波罗1号的罗杰·查菲等航天先驱。
此次发射叠加了多项最后一飞,既是诺斯罗普·格鲁曼自2019年11月2日以来第8次也是最后一次发射安塔瑞斯230升级版火箭(Antares 230+),也是作为安塔瑞斯230系列火箭第13次也是最后一次发射,还是2023年全世界退役的第4款运载火箭(人族1号、发射者一号、阿丽亚娜5号、安塔瑞斯230)。
安塔瑞斯系列火箭共有三种款式:100、200、230。前两款早已退役,随着230(包括230+)最后一飞,这三款安塔瑞斯系列火箭全部谢幕。
安塔瑞斯230+火箭(Antares 230+,又称心宿二230升级款),作为安塔瑞斯230的升级版,属于一款中型运载火箭(LEO运力2~20吨),近地轨道最大运力8吨多点(8.05吨)。运力可比德尔塔2型、阿特拉斯3型火箭。这是一款专门为发射天鹅座飞船打造的一次性消耗型火箭,每次发射价8500万美元。
箭高42.5米,直径3.9米。采用两级火箭模式:第一级使用液体燃料(精炼煤油RP-1 + 液态氧LOX),两台俄罗斯RD-181发动机;第二级使用固体燃料(端羟基聚丁二烯HTPB),单台卡斯托发动机(Castor 30XL)。
安塔瑞斯230+最大改进:加固了第一级箭体结构,不必再像之前安塔瑞斯230型火箭达到MaxQ(最大空气动压值)时必须减速,以免箭体没办法承受阻压风险。这样一来,火箭可以100%全速推进,直至最大加速度(超过5G,之前版本4G多点)。
2011年底,作为研制者,美国轨道科学公司以天蝎座最亮的恒星Antares(安塔瑞斯/安塔雷斯/心宿二)用来命名自己的新火箭。2013年4月21日第一枚安塔瑞斯110火箭成功挑战处女飞。
在成功四连发之后,2014年10月28日遭遇不幸,由于采用苏联N1火箭遗留下的NK-33发动机发生故障,一级火箭在升空数秒后突然爆炸,导致天鹅座飞船第三趟太空快递随之夭折。
接下来就是整整两年的整改期。为了不间断国际空间站货运补给任务,这期间被迫改用ULA阿特拉斯V型火箭,继续发射天鹅座飞船(第4、6、7艘)。
2016年10月17日,安塔瑞斯230火箭首度亮相,不负使命。但该款火箭仍没办法摆脱苏俄货源。尽管弃用了上世纪70年代研制的NK-33发动机,改用相对较新的俄罗斯RD-181发动机,也实现了8年13发全部成功的不俗成绩,但终究是没能逃过断供这一劫。
俄乌开战直接引发安塔瑞斯火箭的新东家——诺斯罗普·格鲁曼余粮严重不足,库存只够发射两次。2022年11月7日发射第18艘天鹅座飞船,2023年8月2日这次用掉了最后一发运送第19艘天鹅座。至此,安塔瑞斯230火箭一飞冲天后,便化作一缕烟尘,融入历史的天空。
突遭断供进而导致天鹅座飞船停运,这是NASA最不希望看到的残酷现实。通往国际空间站的货运补给线现有三条,俄罗斯握有一条:进步号飞船。美国拥有两条:货运龙飞船、天鹅座飞船。一旦天鹅座飞船停运,只剩货运龙飞船一条线,不仅打破风险分散策略,而且补给次数不足。因为天鹅座飞船每年承担两次货运补给,货运龙飞船每年承担三趟补给。如果一年减少五分之二补给次数,这是NASA及国际空间站没有办法接受的。而要求SpaceX填补天鹅座两次空缺也是不现实的。货运龙飞船现役仅有三艘C208.4、C209.3、C211.1。无论发射回收,还是翻新复用,循环使用节奏刚刚好,一旦短期内猛地增加发射补给次数,绝非易事,风险也高。
最好的急救方案就是确保天鹅座飞船继续发射,前提是更换运载火箭。第一选项当然还是阿特拉斯V型火箭。毕竟这是老搭档,曾经三次发射过天鹅座飞船。但地主家也没了余粮,早在2021年8月ULA就已宣布,阿特拉斯V型行将退役,剩余29枚火箭全部预订一空,就没有余量发射天鹅座。截至目前只剩19枚。
第二选项就是SpaceX旗下的猎鹰9号火箭。于是在NASA协调下,2022年夏,一口气签下三次发射天鹅座飞船订单。2023年11月发射NG-20;2024年1月发射NG-21;2024年7月发射NG-22。
为了适配天鹅座飞船,SpaceX要换掉整流罩部分配套硬件。因此,诺斯罗普·格鲁曼除了付给SpaceX通常发射费之外,还要支付额外配套费用。要知道,猎鹰火箭整流罩尺寸(直径5.2米,长度13米)比天鹅座飞船之前使用的整流罩(直径3.9米、长度9.9米)大不少。而发射自家货运龙飞船并不是特别需要整流罩,由于龙飞船自带头锥。
诺斯罗普·格鲁曼设定目标是2025年中期切换回自家火箭——安塔瑞斯330火箭。事实上,这款火箭并非全新设计,只是部分更新。一级火箭采用萤火虫航天公司研制的米兰达发动机(Mirandas),装配7台可产生730吨推力。按计划该款发动机将在今年秋季进行试射。这在某种程度上预示着只有几个月的测试期或者说缓冲期,否则到时候跳票,还得请求SpaceX出手补救。所以说,接下来至少有三艘天鹅座由SpaceX猎鹰9号火箭承运,这是保留余地的严谨措辞。
不过正因如此,天鹅座飞船赢得一个特殊称号——航天界更换不同款型火箭最多的货运飞船。先后使用过或计划使用共计8个火箭款型:安塔瑞斯110、安塔瑞斯120、安塔瑞斯130、阿特拉斯V、安塔瑞斯230、安塔瑞斯230+、猎鹰9号、安塔瑞斯330。
值得注意的是,根据诺斯罗普·格鲁曼透露,安塔瑞斯330的二级火箭同样使用之前的单台卡斯托固体燃料发动机(Castor 30XL)。也就是说,除了替换俄制发动机外,其他主要硬件基本保留不变。
新式安塔瑞斯330可运送更重的载荷送入轨道,比退役安塔瑞斯230火箭运力多出近30%。而诺斯罗普·格鲁曼和萤火虫航天公司最终希望将安塔瑞斯330火箭进阶为一款尚未命名的中型复用运载火箭,并配有更强大的第二级。近地轨道最大运力16吨,这是安塔瑞斯230款型8吨运力的两倍。并且希望可以与相对论空间、火箭实验室正在开发的大中型火箭形成竞争之势,有望分食更多军事和商业发射合同的未来火箭。
不过,这并不是军火航天巨头诺斯罗普·格鲁曼第一次试图打造比安塔瑞斯火箭更强火箭了,2020年就曾半途而废,放弃过一款名为欧米茄(OmegA)的火箭项目。