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SpaceX任务控制室内的31小时:如何将发射和回收火箭变成常规操作?

《纽约时报》的撰稿人大卫·W·布朗是一位专职太空作家和《使命》一书的作者,他花了几天时间观察位于加州霍桑的 SpaceX 公司的任务控制室。他见证了SpaceX 公司试图在10月份不到两天的时间里,发射和降落三枚火箭的努力,这是使航天技术成为日常操作的伟大尝试。

猎鹰9号运载火箭上云雾缭绕,在我们头顶的大屏幕上清晰可见。火箭穿越全美,到达佛罗里达州NASA发射场。

火箭工程师正在那里与 SpaceX 任务控制室的工程师交谈。一个控制工程师说:“火箭第一级液氧(LOX)装填完成。”

从左至右分别为猎鹰1号火箭、猎鹰9号火箭1.0版、猎鹰9号火箭1.1版的三个版本、猎鹰9号运载火箭全推力版的三个版本、猎鹰9号Block 5的三个版本以及猎鹰重型火箭的两个版本。Lucabon, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

译注:猎鹰 9号运载火箭(Falcon 9)是SpaceX设计并及制造的中型二级入轨运载火箭系列,以星际大战系列中的“千年鹰(Millennium Falcon)”和第一级拥有的 9个发动机而得名。猎鹰 9号已发展出5个版本:猎鹰 9号1.0版(已退役)、猎鹰 9号1.1版(已退役)、猎鹰 9号全推力版(Block 3)(已退役)、猎鹰 9号 Block 4(已退役)、猎鹰 9号 Block 5(现役)。猎鹰 9号Block 5为猎鹰9号的最新型号,具有多次重复使用能力,在不检修翻新的情况下能够执行10次任务,而翻修后更能执行达百次的任务。截止2022年12月28日,猎鹰 9号 Block 5使用21枚一级助推器共进行了137次发射,所有发射均获成功,138次回收133次成功。

猎鹰 9号运载火箭在人类航天史上有着极为重要的历史地位:它是历史上第一枚可多次重复使用一级助推器的液体燃料运载火箭,推翻了运载火箭只能一次性使用的思维定势。它也是第一枚完全于21世纪开发和设计的火箭,此外也是美国首度由私人企业承包国家探索太空和载人航天的发射工作,开启商业航天时代。其低成本、多发并联、垂直回收、多次使用、快速迭代的设计思路彻底颠覆了传统的航天思维,影响了商业航天时代火箭的设计,其极为低廉的发射价格也彻底改变了国际商业航天的市场格局,这家私营企业对中国国家航天技术的领先无法用年来计算。

24个不同控制台的人戴着耳机都能听到这句话。现在是10月5日星期三,火箭升空倒计时2分钟的时刻,火箭已经装上了液氧。这一任务的操作人员正在准备将四名宇航员送往国际空间站。

从左至右分别是俄罗斯宇航员安娜·基金娜(第一次飞行,本次任务中的任务专家2),乔希·卡萨达(第一次飞行,本次任务中的飞行员),妮可·曼恩(第一次飞行,本次任务中的指令长)和日本宇航员若田光一(第五次飞行,本次任务中的任务专家)。居中符号为本次任务徽章。NASA, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

新闻记者们通常不被允许进入 SpaceX 指挥控制火箭进入太空并返回地球的办公室。此类任务的频率越来越高,在2022年,SpaceX 已经发射了60次猎鹰9号火箭,有时在同一天或连续几天内发射多枚火箭。

这种异乎寻常的节奏,是改变整个行业的工程壮举之一,并使 SpaceX 成为美国航天事业的核心参与者。而且,他们正在尝试从未做过的事情:在不到31小时内发射三次任务。

在努力实现这一目标的过程中,SpaceX 公司特别允许我在10月份的任务控制中心待了几天,观察一系列的发射、着陆、对接和部署工作。

2022年,这家火箭公司及其1万名员工周而复始地冲击着新的高度,在创始人兼首席执行官马斯克的其他企业陷入混乱时,反而呈现出这家企业似乎是一个精确管理的平行宇宙。

在收购推特之后,马斯克开始奋力推翻这个社交网络的内容审核规则,一些记者报道了一个追踪他自己私人飞机位置的账户后,出手暂时冻结了这些记者的推特账号。

推特的混乱已经影响到了特斯拉,这家电动汽车制造商是马斯克巨额财富的重要来源,而自推特被收购后,特斯拉的市值已经损失了相当大一部分。

而 SpaceX 的员工也未能与马斯克的混乱区隔。11月,8名 SpaceX 前雇员向国家劳动关系委员会提出了不公平劳动行为指控,声称他们在写了一封公开信称马斯克是“令人分心和尴尬的人”,并表达了对马斯克回应一份报告的遗憾,因此被非法解雇。这份报告指的是已经和解的针对马斯克性骚扰诉讼的报告。

但这些问题在火箭发射任务控制中心感觉很遥远。

一名任务组成员在自己屏幕上的12个窗口之间进行切换。与此同时,在前排的一个控制台,以保持公司稳定运营而闻名的 SpaceX 公司总裁兼首席运营官格温·肖特维尔(Gwynne Shotwell)扫视着头顶的显示屏,指着她身边的一名员工低声说话。

让火箭及宇航员在一项名为 SpaceX 载人5号的任务中飞行的时刻,到来了。 

此次任务的官方海报。NASA, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

观看火箭发射,对是一种震耳欲聋、心跳加速的体验。但任务控制中心里有一种图书馆般的寂静。房间本身有着令人不舒服的温暖。在每个工位上都有三台显示器,操作团队的成员都在打字和点击。

偶尔有咖啡杯、瓶装水、洗手液和糖果包散落在控制台上,但总的来说,这些桌子一尘不染。

在这里,你找不到曾代表着NASA任务控制风格的厚厚的活页夹,也没有阿波罗时代的大衣和领带,取而代之的是连帽衫、公司的文化衫和帆布鞋,这是 SpaceX 公司的制服。

控制间后面和左边的墙壁是由玻璃制成的,可以看到公司的车间,技师、机械师和航空航天工程师在这里以每两天一个的速度建造火箭发动机。但在发射前两分钟,这层楼似乎是空的。数百名工人聚集在玻璃后面,向内窥视。

任务控制中心的内部是简朴的、有条不紊的,但就在外面,人群叽叽喳喳地笑着,摇摇晃晃地走着,那是一种紧张却有能量的不安气氛。

在无线电中,SpaceX 载人5号任务的协调员倒数着:“10,9,8……”,他被玻璃另一边的SpaceX 工作人员淹没了,他们以迎接新年的模式大喊大叫。所有任务操作人员不约而同地向前伸手,调高了自己耳机的音量,以便在外面人群的喧闹声中听到重要信息。

在大屏幕上,一道火柱将猎鹰9号火箭与地表分开。火箭在建造它的人群的欢呼声中向上爬升,但是没有人在任务控制中心内庆祝。当玻璃后面的人群欢呼着火箭计划中的每一步时,他们的注意力也没有动摇。

在房间里,他们研究图表,比较着发射数据。

升空12分钟后,载人龙飞船耐力号及其四名宇航员从火箭第二级分离,以超过2.7万公里的时速追赶国际空间站。

载人龙飞船耐力号(Crew Dragon Endurance,编号C210),是由SpaceX制造并根据NASA的商业载人计划建造的龙飞船2号。2021年11月11日,耐力号作为SpaceX载人3号的任务飞船被发射到国际空间站的轨道上,这一任务是远征66/67的一部分。文中是这具飞船第二次执飞,是远征68/69的一部分。图为2021年10月的耐力号。SpaceX, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

任务的发射主管马克·索尔提斯登陆语音网络,向宇航员们发表讲话,狡猾地提到了与电影 《贱女孩》(Mean Girls)有关的网络热梗。

他说:“我代表整个发射和回收团队,能够与你们一起参与这项任务是一种荣誉和快乐。虽然10月3日可能永远属于《贱女孩》,但10月5日将永远属于载人5号。耐力号一帆风顺。干杯。”

美国宇航局宇航员和任务的指挥官妮可·奥纳普·曼恩回应说:“太棒了,非常感谢猎鹰团队。一路走来,很顺利。现在有三个新手漂浮在太空中,他们非常高兴。”

回到地面上,SpaceX的工作才刚刚开始。

在接下来的31个小时里,宇航员必须到达空间站并与之对接,还有两枚火箭需要将大量的卫星送入轨道。这将是人类真正适应未来太空时代的一瞥。在这种情况下,任务控制中心将不像一个单一事件所驱动的设施,而更像一个空中交通控制塔。

可重复使用火箭在快速发射方面的节奏现在是如此正常,以至于很难想起这个想法曾经看起来是多么荒谬。1999年,一家名为 Zip2 的网络公司的创始人伊隆·马斯克,以3亿美元价格出售了他的业务,获得了“一些资源来做有趣的事情”。两年后,同一位高管,当时31岁的马斯克在 eBay 收购 PayPal 时,大幅增加了自己的财富(他是 Paypal 的大股东)。

马斯克有让人类登陆火星的抱负。他发现美国的运载火箭贵得离谱,于是成立了太空探索技术公司,也就是大家熟知的SpaceX。他最终意识到:降低成本和增强竞争力的关键是火箭的可重复使用性。

在 SpaceX 将实现的概念中,火箭将其有效载荷推向太空,然后在地面上直立着陆,这一过程基本上可理解为反向发射。

到2012年,SpaceX 已成为第一家将私营货运飞船与国际空间站对接的公司。随后在2015年,首次让猎鹰9号助推器成功着陆。2020年,Space X 公司将两名宇航员送往空间站,并在9年内首次帮助 NASA 重返太空飞行任务。

2019年3月,C201正在与国际空间站对接(执行载人龙飞船示范1号任务)。NASA, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

今天,猎鹰9号火箭和龙飞船是NASA、美国国防部和私人航天事业的主力。许多 SpaceX 员工对马斯克的愿景充满了热情。他们希望在将人类永久送上火星,并使人类成为如马斯克所说的“多行星物种 ”方面发挥作用。

SpaceX 的发射和着陆,曾经接近于魔术,现在已经变得可预测,甚至显得单调。但 SpaceX 的员工有时会对发射已经成为例行公事的想法感到不满。

SpaceX 公司载人航天项目的高级主管本杰明·里德说:“这不是例行公事。多年来,我们的发射,特别是 NASA 的这些大型发射,都不是例行公事。”

他说:在人类能殖民火星之前,太空飞行必须变得像航空旅行一样正常。但你永远不希望飞机驾驶员,控制塔人员会说,‘哦,这只是例行公事。’”

里德说,登陆火星将要求 SpaceX 公司,“每天多次发射,每天都是如此。人们必须明白的是,要到达火星需要很多前提和条件,而我们还没有接近。”

这不仅仅是关于火星的问题。NASA 将宇航员重返月球的希望寄托在 SpaceX 身上,作为阿耳忒弥斯登月计划(Artemis)的一部分。这两项工作都将依靠 SpaceX 的星舰(Starship),这是一个可重复使用的不锈钢航天载具,以及超重型推进器。

阿耳忒弥斯登月计划是一项国际合作探索月球计划,由美国国家航空航天局(NASA)领导,并有三个合作机构:欧洲空间局 (ESA)、日本宇宙航空研究开发机构 (JAXA) 、和加拿大航天局 (CSA),目标是重返月球并建立长期科研基地,并且最终登陆火星。如果成功,阿耳忒弥斯计划将自1972年阿波罗17号(Apollo 17)任务以来首次在月球上重建人类存在。该计划的主要组成部分是空间发射系统(SLS)、猎户座飞船、月球门户空间站、和商业载人着陆系统。 EricMuss-Barnes, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

建造这一航天器的计划由肖特维尔负责,她是一名工程师,在2002年SpaceX成立的那一年就加入了,并在2008年被提升为公司总裁(兼首席运营官),通过管理日常运营和战略合作关系来负责执行。

肖特维尔经常被认为推动了公司许多最重要的成就。在性骚扰指控出现后,她为马斯克辩护,并赞同马斯克的“多行星物种”愿景。

倡导人类进行太空探索的组织行星协会高级太空政策顾问凯西·德雷尔说:“SpaceX拥有的优势就是格温·肖特维尔,这甚至超过了特斯拉。她在 SpaceX 扮演着关键的角色,她稳定而又非常能干,使公司不断赢得合同,按要求生产,然后引导着马斯克的能量。”

NASA前副局长、《逃离地心引力:我改造NASA并开启新太空时代的探索》(Escaping Gravity: My Quest to Transform NASA and Launch a New Space Age)一书的作者洛里·加弗也赞同这一评价。她说:“格温·肖特维尔不仅带领 SpaceX 取得了难以想象的成功,而且她还必须在管理上级的同时平衡这一点,这位上级是一位似乎一直想让事情变得更加困难的人。”

马斯克将自己插入到公司的运营中,包括他在2021年感恩节后的第二天发给员工的一封电子邮件,警告说 SpaceX 面临着“真正的破产风险,如果我们明年不能实现至少每两周一次的星舰发射速度的话。”

这款最新型的火箭在2022年没有发射过,其首次轨道测试预计在2023年。在那封电子邮件中,马斯克称星舰的发动机生产是“一场灾难”。

译注:2018年11月,在一场发布会上,第二级宇宙飞船(即上半部分)改名为“星舰(Starship)”,第一级助推器被命名为“超级重型(Superheavy)”,而它们组合起来的整个火箭的名字也是星舰,而火箭发动机则是世界上第一种实用化的全流量分级燃烧火箭发动机,亦是世界上第一种实用化的甲烷火箭发动机:猛禽(Raptor),性能数倍于猎鹰9号上的火箭发动机。

SpaceX 和马斯克其他公司的员工,也在与他两极化的行为和言论作斗争。甚至在他毫无章法地收购推特之前,马斯克就喜欢与民选官员公开争吵;并发表关于美国外交政策的言论,其中就包括美国在乌克兰战争中应该扮演的角色;以及与证券交易委员会达成欺诈指控和解。这样的例子不胜枚举。

德雷尔说,依靠像马斯克这样的企业家,会给美国的航天事业带来某种程度的不稳定,并有可能将NASA拖入战局。他说,高调的企业高管将以一种没有国家机构存在的方式,将太空事业人格化,“而这个领域在以前都是一种不露面的官僚形态。”

然而,对于美国国家航空航天局来说:现在除了 SpaceX,几乎没有其他选择。

德雷尔说:“我们实际上处于这个令人惊讶的、静谧的咽喉位置。从实际功能上讲,SpaceX是国家唯一的选择。随着这家公司在全球航天发射领域获得绝对主导地位,在马斯克商业帝国的航天部分,他已经取得了一些自由,可以在不担心报复的情况下表达自己的意见。”

“因为他们(没有Space X)又能怎么办呢?”雷德尔指的是NASA。

专门研究航天工业的非营利组织 Eurospace 的研究和总经理皮埃尔·莱昂内(Pierre Lionnet)说,尽管 SpaceX 取得了所有炫目的成就,但这家私人公司的财会账目对公众来说是模糊的。

莱昂内说:“没有人真正了解 SpaceX 的财务状况,没有资产负债表或财务报告可用。我们看到了一个非常大的公司,有一万多人,这家公司还是 NASA 和国防部的主要承包商,但完全没有关于其财务健康状况的信息。”

2020年,投资银行摩根士丹利评估 SpaceX 的价值为1000亿美元,仅其星舰火箭就有110亿美元的业务规模。摩根士丹利表示:定期的星舰发射将使 SpaceX 的太空高速互联网服务星链(Starlink)实现盈利。

摩根士丹利预测,到2030年,星舰每年将向轨道发射1万吨有效载荷。

组装完成的星链信号接收设备。Steve Jurvetson from Los Altos, USA, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

莱昂内说,为了使这样的财务计算成立,到2040年,星舰那年将必须发射4.6万吨。这相当于每年发射100个完整的国际空间站。

他说,如此计算隐含的一个假设是,如果发射价格大幅下降,“需求将大大增加”。

但是,他也问道:“所有这些发射的总重量能用来干什么?”

莱昂内补充说,有一种情况,数字确实对SpaceX有用,“这种情况可能是,在根本目的上,SpaceX 的目标不是为了盈利,而就是为了去火星,如果相信这一点,其他事情就没有太大意义了。只要马斯克要钱,他就总能找到人给他。”

载人5号升空7小时后,另一架猎鹰9号树立在了范登堡空军基地的发射台上。这个基地位于洛杉矶西北部,距离 SpaceX 总部更近。主要的任务控制设施仍是在监测宇航员的旅程,因此第二个控制团队在相邻的、规模小得多的任务控制中心工作。

第二次发射还是在周三,火箭的客户是 SpaceX 本身。这次飞行将把这家公司的52颗星链互联网卫星送入轨道。SpaceX 目前在太空中有3200颗卫星,目标是在未来几年再发射约3.9万颗。

在发射场的一片薄雾后面,矗立着一枚已经重复使用了13次的火箭,已经准备好在4分钟后发射,肖特维尔走入房间,在前排的一个控制台前坐下。外面,又聚集了一群人。在最后的倒计时中,房间里再次保持沉默,而聚集在房间里的 SpaceX 工作人员则标记着最后的5、4、3、2……

火箭成功发射,其助推器则在太平洋的一艘回收船上着陆。一小时后,来自太空的视频流显示,星链卫星正从火箭的上一级展开。在地球的大背景下,它们以一种更像《2001年:太空漫游》而非《星球大战》的方式向外漂移。

2019年5月24日,60颗星链卫星堆叠在一起。Official SpaceX Photos, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

SpaceX 在2022年的所有发射中,有一半以上都搭载了星链卫星。通过在一年内使用可重复使用火箭发射自己公司的货物30次,这家企业的工程师可以优化运载火箭。

负责猎鹰发射的副总裁乔恩·爱德华兹(Jon Edwards)说:“我们仍在对火箭进行改进,以提高性能。而我们现在已经达到了可以将近17公吨的货物送入轨道并回收助推器的程度。那是一个很大的数字。”

到目前为止,SpaceX 回收并重新使用助推器进行发射的最快时间纪录是21天;而发射次数最多的助推器已经发射了15次,并计划再次发射。

爱德华兹说:“坦率讲,在我看来大多数人都已经意识到了这一点,就是说一款新火箭,比一个经过了验证的火箭更可怕,尽管新火箭在首次飞行前进行了大量的测试,但没有什么能比得上真实的发射测试。”

第二天,星期四下午,主任务控制室的团队监测了29小时前发射的载人5号任务。“耐力号”龙飞船的宇航员已经到达国际空间站,并准备对接。

到目前为止,载人航天是 SpaceX 最昂贵和最具挑战性的活动。

SpaceX 公司负责建造和飞行可靠性的副总裁威廉·格斯滕迈耶(William Gerstenmaier)在2020年加入之前,在NASA工作了四十年。他说:“当你把人送往太空时,你不能出错。在我过去的职业生涯中,我经历了两次悲剧,分别是挑战者号和哥伦比亚号航天飞机。那些悲剧对我个人来说是毁灭性的,我不想再经历这样的事情。”

航天飞机发射全家福。从左至右分别是:“哥伦比亚号”、“挑战者号”、“发现号”、“亚特兰提斯号”和“奋进号”。挑战者号于1986年1月28日失事,哥伦比亚号于2003年2月1日失事。NASA, CC BY-SA 4.0 via Wikimedia Commons

 

在 SpaceX 的任务控制中,存在一个等级制度。对于 NASA 资助的空间站任务,位于加利福尼亚的一个团队拥有太空舱,并且在发射中操作,而不是 NASA 本身。猎鹰9号有一个发射主管,一旦龙飞船进入轨道,有四个任务主管负责支持全天候的操作。

任务主管负责监督火箭和航天器的系统层次;而向每个系统负责人报告的是每个子系统的专家,他们不断地在任务报告上记录数据。每个人都向他们的系统负责人或任务主管报告异常情况,然后他们将讨论是否需要采取行动。

同时,任务操作成员通过 SpaceX 公司开发的聊天软件进行沟通。控制台上的每个专家都与 SpaceX 总部的硬件团队实时沟通。

SpaceX花了数年时间培训工程师在任务控制中心工作。

参与设计了任务控制流程的SpaceX公司副总裁杰西卡·詹森(Jessica Jensen)说:“不是任何人都能做到这一点。新人进入我们的项目,要表示自己想要什么类型的角色,还有必须自学的材料以及必须参加的测验。”

教师在使用实际任务控制室的模拟中评估未来要上岗的操作员。仅有技术准确性和成功是不够的,还需要评估性格。

当载人5号任务的宇航员抵达国际空间站时,他们的龙飞船在对接过程中使用被称为“龙眼”的激光测距仪来引导航天器。这个星期四的抵达没有出现大的问题。过程非常缓慢,操作人员非常安静,除了“对接完成”的报告外,几乎不可能知道刚刚发生了什么,或者这个过程实际上何时完成。

霍桑任务控制中心在短短一天多的时间里完成了两次发射和一次对接,此外还有一次发射。

在载人5号发射近31小时、星链升空24小时、空间站对接1小时之后,任务控制小组已准备好进行另一次发射。SpaceX 即将创造一个商业航天的新纪录。

一群工作人员再次聚集在任务控制中心外。Intelsat 公司的两颗电视和无线电广播卫星被安装在火箭顶部。此时,霍桑任务控制中心仍然关注着宇航员们。

因此,第三次发射的控制工作,将在备用的任务控制空间进行。

在发射前三分钟,传来了熟悉的声音:“第一节液氧装载完成。”肖特维尔现在已经坐在她习惯的前排位置上。她低声向飞行可靠性主任贾里德·梅特打了个招呼,然后戴上了她的耳麦。

我环顾房间。看着这第三次发射尝试,一切都感觉如此精确,如此可预测。在屏幕上,有各种熟悉的图表和网格。的确,这就像在机场看飞机起飞一样。在更深的层次上,这感觉就像未来。SpaceX的发射开始感觉像是例行公事了。

同一位工程师说:“一分钟后,第二节液氧装载完成。”任务操作组的一名成员更新了主屏幕,增加了火箭和着陆场的多个视图,这是标准操作。

“猎鹰正在启动中,倒计时一分钟开始。”

15秒后,“准备发射。”

随后,在升空前的几秒钟,两个本来沉默寡言的任务操作员,开始比其他人更大声地咕哝,打字和点击,其中一个指着屏幕。

“已开始发射中止。”

“中止。”

屏幕上,一个标有“GSW”的按钮闪着红光。一个标有“PROP 1”的按钮闪烁着黄色。

一个操作员说:“冷冻瓶压力出了问题。泄漏,我猜。”

现在对话的声音更大了。操作员们在语音网络之间切换,点击,不停地点击鼠标,在他们的聊天窗口中输入文字。

火箭表达出了自己的意见:还没有准备好。Intelsat 公司的卫星今天不会发射。

在房间的对面,肖特维尔摘下了耳机。她推开桌子,站了起来。她对梅特说:“这原本能是一件超级酷的事。特别酷。”

10分钟后,马斯克在推特上提供了一份报告:“微小的氦气泄漏,只是勉强触发了中止,但我们不拿客户的卫星冒任何风险。”

48小时后,火箭发射,部署卫星并成功着陆。

这一切几乎是例行公事了,但又不完全是。