石豪：禍不單行的波音公司，深陷噩夢的美國飛船
【文/觀察者網專欄作者 石豪】
北京時間12月20日19時36分，美國波音公司的新一代載人飛船Starliner“星際客機”自卡納維拉爾角發射升空，執行該飛船的第一次飛行測試任務，即OFT（Orbital Flight Test，軌道飛行測試）。按照計劃，飛船在這次無人試飛中將與國際空間站對接，為宇航員送上聖誕禮物。
然而，在運載火箭工作結束後，飛船出現故障，最終無法與國際空間站對接，並於北京時間12月22日20時58分提前返回地面。
這對於不久前剛宣佈停產737MAX的波音公司，對於尋求通過“美國製造”宇宙飛船重返太空的美國來説，都是沉重的一擊。
準備發射的Starliner飛船 | 圖源：NASA/JOEL KOWSKY
夢幻般的設計
在2011年航天飛機退役後，美國暫時失去了將宇航員送入太空的能力，因此儘管美俄交惡不斷，NASA依然要放下身段向俄羅斯購買“聯盟”號飛船的“船票”，以維持國際空間站美國乘組的輪換。
為此，已經將工作重心轉移到火星和其他深空載人任務領域的NASA發起了多個商業載人航天計劃，將對美國而言已經成熟的近地軌道載人往返業務外包給商業公司進行。最終，波音和SpaceX公司拿到了NASA的國際空間站任務合同，SpaceX給出的方案是“龍2”號飛船，而波音拿出的正是此次出現故障的CST-100 Starliner“星際客機”。
“星際客機”飛船設計分解圖 | 圖源：波音（中文註釋由筆者添加）
相比於SpaceX的新手上路，波音的經驗顯然更勝一籌，在“星際客機”飛船的設計中，你能夠看到阿波羅（Apollo）飛船和獵户座（Orion）飛船的影子。
CST-100“星際客機”與美國其他飛船返回艙對比 | 圖源見水印
而用於發射“星際客機”的火箭，也是美國久負盛名的組合——宇宙神-5運載火箭和半人馬座上面級。宇宙神-5火箭可以説是冷戰後美國傳統航天企業的代表作，從2002年至今80餘次發射僅有一次失手；半人馬座上面級更是可追溯到上世紀50年代，兼具高性能與高可靠性，是美國航天的活化石，也是美國走向航天超級大國的重要助推器。
強強聯合，可以説波音“星際客機”的發射是穩字當頭，不知道怎麼輸。
發射工位中的宇宙神-5火箭、半人馬座上面級和“星際客機”飛船 | 圖源：NASA
按照常規運載能力來説，宇宙神-5火箭加半人馬座上面級完全可以將13噸的“星際客機”直接送入國際空間站對接軌道，不過根據官方公佈的任務剖面來看，火箭和上面級只是將飛船送入遠地點181.5千米、近地點只有72.8千米的亞軌道。
“星際客機”飛船發射時序和初軌高度 | 圖源：ULA
由於近地點低於100千米的馮·卡門線，飛船在接近近地點時將受到巨大的大氣阻力。如果不能儘快提升軌道到100千米以上，飛船將很快墜入大氣層。
而這正是“星際客機”飛船設計的巧妙之處。
為了讓宇航員更舒適，“星際客機”發射過程中的穩定過載被嚴格限制在了3.5g。因此運載火箭在飛行過程中要不斷調整發動機推力，以確保不超過3.5g過載，所以火箭結束工作時，飛船近地點還低於100千米。
和“聯盟”、“神舟”等飛船不同，波音“星際客機”飛船沒有采用傳統的逃逸塔，而是通過推進艙自帶的液體燃料逃逸發動機執行飛船救生。這樣做省去了複雜而沉重的逃逸塔，讓火箭能夠發射更大的飛船。
為確保在發射全程都能實現逃逸救生，“星際客機”飛船自然要攜帶更多的燃料。
如果發射出現問題，這些燃料足夠確保宇航員逃出生天。
而如果發射一切順利，那麼多出來的燃料正好可以用於提升飛船的近地點，使其進入真正的近地軌道。
既省去了逃逸塔，又實現了逃逸救生，還能讓宇航員全程舒適，真的是精巧的設計。
可偏偏出了問題。
夢魘似的處女航
火箭的發射本來一切正常，飛船按計劃被送入了遠地點192千米、近地點77千米的亞軌道。
但是就在與火箭分離後，“星際客機”飛船上的一個關鍵設備出現了異常，我們可以簡單理解為飛船的時鐘——它讓飛船誤以為自己正處於提升近地點的變軌過程中。
在預設程序裏，變軌是需要很高精度的姿態和軌道控制的，因此“星際客機”飛船的48台姿軌控推力器開始瘋狂工作，在短時間內消耗了大量燃料。
在下面的直播畫面截圖中，我們也能清楚地看到飛船的多台推力器正在工作。
任務控制中心直播截圖，注意黃圈內飛船推力器的點火情況
在發現異常後，任務控制人員第一時間嘗試向飛船注入正確指令，手動消除影響，但不湊巧的是，當時飛船正好處於兩顆TDRS中繼衞星的覆蓋交接區，因此指令沒有注入成功。
TDRS是美國的中繼衞星，承擔着大量美國航天發射的測控任務，2017年時已發射到第十三顆（TDRS-13）。
TDRS-13衞星 | 圖源：NASA
藉助發達的中繼衞星網絡，美國在航天發射中一般不需要地面或類似我國“遠望”號那樣的測控船進行測控。但這次，單一的測控手段着實坑了波音一把，如果動員美軍地面站或者測控船，“星際客機”的處女航也許還有救。
不過這些“如果”都沒有發生，擺在波音和NASA面前的結果是：“星際客機”消耗了過多的燃料，與國際空間站的對接試驗不得不取消，原定於12月28日返回的飛船不得不提前到22日返回地球。
最終，國際空間站的宇航員們沒有等來2019年的聖誕禮物，“星際客機”也於北京時間12月22日20時58分在著名的白沙導彈靶場着陸。
降落傘打開，拋防熱大底的“星際客機”飛船 | 圖源：NASA
工作人員正在回收“星際客機”飛船 | 圖源：NASA
尚在夢中的美國載人飛船
在事故發生以後，NASA的態度頗為耐人尋味。
儘管“星際客機”首飛沒有完成任務，NASA局長吉姆·布里登斯廷在事故發生後依然表示：“星際客機”的下一次任務可以直接載人，不用再發射無人飛船。
聽上去，NASA對波音簡直是真愛，不管順境逆境都無保留地信任波音。但仔細想來，這也是基於現狀的無奈之舉。
隨着冷戰結束，美國的“去工業化”進程加速，大批在冷戰時期發展起來的航天製造商紛紛被兼併或退出市場，到2011年航天飛機退役以後，還有心氣、有實力競爭NASA商業載人航天項目的傳統航天企業屈指可數，波音是其中最成氣候的一家。
看看當時和波音競爭商業載人的對手都有誰：馬斯克的SpaceX、貝索斯的Blue Origin、還有名不見經傳的內華達山脈公司，都是航天領域的新兵。
內華達山脈公司的“追夢者”號航天飛機 | 圖源：SpaceNews
和這些新兵蛋子相比，波音在航天器方面的經驗實在是過於豐富，NASA的專家更青睞于波音也是情理之中的。
最要命的是，作為世界上航天技術最先進的，以至於動輒對他國進行技術制裁的美國，已經有8年時間沒法用“美國製造”的航天器把美國宇航員送入太空了。
對全世界來説，這是一出魔幻主義的滑稽劇。
但對美國人來説，這是頗為現實主義的悲劇。
為了趕緊結束這種尷尬局面，NASA也是着急上火。
波音這次事故，目前來看就是非常愚蠢的低級失誤，飛船硬件看起來沒問題，而與國際空間站的交會對接更是波音和NASA熟得不能再熟的科目，就算這次不驗證似乎也沒問題。
畢竟，飛船的發射適應性驗證了，返回也成功了，對接就算不做，也是67%成功——印度的探月器翻車都能算95%成功呢，NASA批准波音下一發載人試驗好像也沒什麼問題。
更何況，“星際客機”前一陣子逃逸試驗時，降落傘系統就出了問題，一個傘沒有展開。
“星際客機”飛船逃逸試驗，注意只有兩個降落傘打開 | 圖源：Spaceflight Now
這次軌道發射，降落傘就沒出問題，所以下一發直接載人，還能趕上2020年的時間節點。
至於波音的競爭對手SpaceX，原本佔盡先機，今年3月就成功完成了與“龍2”飛船、與國際空間站的對接演示任務。
但慘的是，今年4月20日，“龍2”飛船在進行逃逸系統靜態點火時，直接在試驗枱上發生了爆炸。
“龍2”飛船在試驗中爆炸（視頻截圖合成）
結果SpaceX的進度也被拖後，原計劃2019年美國宇航員就能坐着美國飛船重返太空，現在看來，只能2020年再見了。
沒有“美國飛船”的噩夢，看來一時半會還醒不了。
研究人員正在推動“星際客機”飛船 | 圖源：波音
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