“新谢泼德”载人首飞：千亿富豪的冒险之旅

文/ 迟惑

▲“新谢泼德”点火起飞

▲ 乘员舱安全着陆

2021年7月20日上午，美国亚马逊公司创始人杰夫·贝索斯乘坐新谢泼德号火箭升空，开启首次太空之旅。约7分钟后，助推火箭在指定位置着陆，近11 分钟时，载有贝索斯等人的乘员舱顺利着陆，蓝色起源公司的首次载人太空之旅取得成功。

除了贝索斯本人，还有几名乘客与他一同进行这趟太空之旅，包括他的兄弟马克·贝索斯，83 岁的女飞行员沃利·芬克，以及一名18 岁的付费旅客奥利弗·戴曼。

虽然这次飞行不能与进入国际空间站相比，但也算是向宇宙冲击了一下，多少是有风险的。或许这是因为贝索斯功成名就，实在没有其他事情可以引起他的激情了吧。

那么，他的“新谢泼德”飞船到底是个啥东西呢？

认识“新谢泼德”

首先要探寻一下蓝色起源公司为什么要给火箭起这样一个名字。“谢泼德”来自美国第一代载人乘员舱“水星”航天员艾伦·谢泼德，他被称为第一个进入太空的美国人。其实这个“进入太空”是打了折扣的，谢泼德没有像加加林那样绕着地球转上几圈，而是做了一次高度186 千米的亚轨道飞行，然后降落在距离发射位置486千米的地方。贝索斯用“新谢泼德”来给自己的火箭和乘员舱起名，显然是定了个小目标。不过水星号乘员舱在1958年开始研制，到1961年就带着谢泼德上天了。贝索斯的“新谢泼德”搞了21年才进行载人飞行，剧情实在太冗长了。

当然，“新谢泼德”和“水星”的区别还是很大的。按照蓝色起源公司的说法，“新谢泼德”是可重复使用的亚轨道火箭系统，用来运载航天员和研究有效载荷超越卡门线。

“新谢泼德”是一种完全可重复使用的垂直起飞垂直着陆（VTVL）航天器，由两个主要部分组成：火箭部分称为推进模块（PM），载人部分称为乘员舱（CC）。

乘员舱

“新谢泼德”的乘员舱采用加压设计，可载6 人，并采用了“全高度”逃逸救生系统，在上升过程中可以在任何地方将乘员舱与助推器火箭分离。乘员舱的内部体积为15 立方米。乘员舱的逃逸救生发动机由美国阿罗杰特-洛克达因公司研制。

火箭部分采用蓝色起源公司自己研制的BE-3 液氢液氧发动机。此前蓝色起源公司还研究过BE-1 发动机，使用单组元过氧化氢；BE-2 发动机，采用过氧化氢和煤油。

备用着陆系统

“新谢泼德”的逃逸救生装置并不是装在乘员舱顶部，而是在乘员舱尾部。美国波音公司的星际线飞船乘员舱和太空探索技术公司的龙飞船乘员舱也采用同类设计。这样做的好处是可以省掉整流罩，坏处是乘员舱外形设计受到很大限制。不过“新谢泼德”不需要复杂外形，所以沿用尾部逃逸救生系统设计是可行的。

正常情况下，“新谢泼德”的乘员舱是依靠降落伞减速着陆的。如果发生意外降落伞失灵，那么乘员舱底部还有一套备用着陆系统，可以从底部弹出一组气囊，起到缓冲的作用。这样乘员舱的实际降落速度可以控制在1.6 千米/小时。这套系统可以在只有两个降落伞展开的情况下保证安全着陆。座椅可以在偏航情况下变形和吸收冲击力。

在试验过程中，乘员舱的过载曾达到10g，这已经是一个很大的数字了，一般只有试飞员才能承受得住。但蓝源公司“新谢泼德”项目负责人阿里安·康奈尔说：“这完全符合人类所能承受的范围，特别是在如此短的时间内”。

在2016年10月5日的第六次试验中，曾经对逃逸火箭做过测试。当时认为，逃逸火箭一旦点火，它产生的70000 磅推力和强力喷焰会猛烈冲击运载火箭，把它彻底破坏。但这件事并没有发生，火箭安全地与乘员舱分离，降落在得克萨斯沙漠的地面上。

这次试验在乘员舱里摆了一名叫作“天行者”的假人，熟悉科幻电影的人会立刻反应过来，这不是《星球大战》里主角家族的姓氏吗？“天行者”不是独自上路，舱内还有各种不同的试验设备，来自美国宇航局、商业公司和大学，其中当然也包括蓝源公司自己的。蓝源公司把试验机会开放给员工，计划的名字叫做“放飞我的东西”。

4枚“新谢泼德”和15 次飞行

“新谢泼德”的火箭和乘员舱共用一个名字，用首字母缩写加建造序号的方式来编号，分别叫做NS1～NS4。到第一次载人飞行任务之前，“新谢泼德”一共飞行了15 次，这些飞行基本都取得了成功。然而贝索斯一直等到第16 次才敢载人，确实够小心的。

NS3 和NS4 与NS1、NS2 有很大的区别，乘员舱部分有巨大的舷窗可观景。NS1、NS2 都没有窗户，NS2 仅仅是用油漆刷了一个窗户形状。

· NS1

NS1 于2015年4月29日进行第一次飞行。飞行高度达到93.5 千米。虽然发射是成功的，并且通过降落伞着陆成功地回收了乘员舱，但是助推器着陆时坠毁了，原因是飞行器控制系统的液压装置故障。

· NS2

▲ 杰夫·贝索斯率先走出舱门

▲ 本次飞行乘组的四名成员：马克·贝索斯，杰夫·贝索斯，18 岁的奥利弗·戴曼，82 岁的沃利·芬克（从左到右）

▲ 即将着陆的新谢泼德火箭

在损失掉了第一枚火箭后，蓝色起源公司又制造了一枚新的NS2。NS2的首次飞行于2015年11月23日进行，飞行高度到达100.5 千米，乘员舱和火箭都成功回收。其中火箭成功地进行了动力垂直着陆。其实这比马斯克的“猎鹰9号”一级回收还早一些，当然难度也小很多。

2016年1月22日，NS2 进行了第二次飞行。飞行弹道与2015年11月23日相同，最高高度达到101.7 千米。分离后乘员舱和运载火箭都完好无损地返回地面。这一成就证明了“新谢泼德”的可重复使用性和61 天的周转时间。

▲ 即将执行NS15 任务的新谢泼德火箭

2016年4月2日，NS2 进行第三次飞行，达到103.381 千米高度，然后成功返回。

2016年6月19日，NS2 第四次飞行，再次达到100 千米（63 英里）以上，然后成功返回。乘员舱也成功回收，但这次只使用两个降落伞，最后用应急反推火箭降落。这是一次对应急降落的测试。

NS2 的第五次也是最后一次试飞于2016年10月5日进行。主要目标是在跨音速下将乘客舱提升至最高过载，并对逃逸救生系统进行飞行试验。当时人们对这次飞行的预期值不高，但试验奇迹般地成功了，NS2也功成身退，不再使用。

现在使用的是NS3号，它提高了可重复使用性和热保护性能，采用重新设计的推进模块和新的检修面板，以便更快地维修和改进热保护。NS3 是有窗户的，蓝色起源公司本来只打算把它用于载货，不能载人。

· NS3

NS3 首次飞行试验于2017年12月12日进行。这是根据美国联邦航空管理局颁发的发射许可证监管制度进行的首次飞行。此前的试飞是在实验许可证下进行的，不允许运载商业付费的货物，这使得NS3 的首飞成了蓝色起源公司第一笔主业收入。

首航之后，NS3 进行了改进，主要是提高可操作性。它的第二次试飞于2018年4月29日进行。第三次飞行于2018年7月18日进行，乘员舱首次携带人体模型，高空飞行逃逸救生系统试验成功。第四次NS3 飞行原计划于2018年12月进行，但由于“地面基础设施问题”而推迟到了2019年1月23日，最大高度为106.9 千米，搭载8 个美国宇航局的研究和技术有效载荷。此后，NS3 又进行了3 次飞行，搭载了多个有效载荷，总飞行次数7次。

· NS4

NS4 是第四个飞行体，是目前最完善的一个火箭+乘员舱组合，也将是第一次进行载人飞行的“新谢泼德”。它于2018年完工，2019年12月转移到得克萨斯州发射场。

常规飞行过程

按照设计，“新谢泼德”从得克萨斯州西部起飞，然后进行大约110 秒的动力飞行，火箭在40 千米高度关机。但是组合体依然有很高的速度，继续靠惯性上升，在大约100 千米的高度达到顶点。然后发动机关闭，乘员舱和火箭在机械弹簧的推力下分开。乘员舱要经历大约3分钟的微重力飞行。火箭在垂直着陆前几十秒重新启动主发动机降落。乘员舱用降落伞着陆。整个过程完全由机载计算机控制，没有地面控制或人类飞行员操作。

飞行过程

▲ 未完工的新谢泼德飞船

▲ 首次进行亚轨道飞行的艾伦·谢泼德

BE-3 发动机

BE-3不仅仅用来驱动“新谢泼德”，它还有着更加重要的任务，那就是为联合发射联盟公司（ULA）的新一代火箭“火神”充当二级推力。

蓝色起源公司的第一种发动机是BE-1，它使用过氧化氢推进剂，仅能产生8.9 千牛的推力。第二种叫做BE-2，采用煤油和过氧化氢燃料，能产生140 千牛的推力

然后就该轮到BE-3 了吧，其实不是。2012年美国阿罗杰特公司收购了普惠公司旗下的液体发动机制造商洛克达因公司，导致美国液体发动机制造业垄断化进一步加深。蓝源公司发现，自己有可能作为一个竞争者进入这个市场。于是蓝源公司宣布与ULA 公司合作开发BE-4，工厂设在阿拉巴马州的亨茨维尔。

到2013年1月，蓝源公司宣布启动BE-3 研制，采用液氢/液氧燃料，设计推力440 千牛。到年底，BE-3 就成功实现了全程亚轨道推进模拟试验，包括推进、滑行和重新点火。

到2013年12月，蓝源公司更新了BE-3 的技术参数，启动了海平面试验。试验结果表明，BE-3 可以在全功率下产生490 千牛的推力，还可以把推力控制到110 千牛，以服务于“新谢泼德”的受控垂直着陆。2015年4月全部测试工作完成，最小推力控制到了89 千牛，发动机节流能力进一步提高，但最大推力保持不变。

到这时候，BE-3 的累计点火次数超过450 次，累计测试时间超过500分钟，已经比较成熟了。于是，ULA 公司考虑，可以把BE-3 作为新一代火神火箭的一部分，称为“高级低温演化级”（ACES）。但是用于“新谢泼德”的BE-3 并不适用，因此蓝源公司开发真空版的BE-3U，主要是扩大喷管的直径，适合高空环境。这个项目得到了美国空军的资金支持，预计真空推力为670 千牛，发动机的深度节流能力达到65%以下。

▲ “新谢泼德”的乘员安全带

▲ “新谢泼德”的舷窗

▲ “新谢泼德”的座椅

3 分钟的微重力实验

“新谢泼德”乘员舱一共只能提供3 分钟的微重力飞行。对于搭载装置来说，必须在这3 分钟内完成全部实验内容。这样短的时间和轨道飞行完全无法相比。蓝色起源公司表示，“新谢泼德”虽然只能提供3分钟的微重力环境，但有自己的优势，其中包括：具备将有效载荷和操作员频繁地发射到亚轨道高度的能力；能够容纳多个实验设备和操作员；有标准接口，提供电源、冷却、指令和控制、视频和数据记录；飞船降落后，地面人员就可以快速进入查看有效载荷，适用于时间敏感的试验。

3 分钟只是名义微重力环境持续时间。姿态控制活动可能会缩短或降低微重力环境持续的时间，所以蓝色起源公司对此作了说明。

乘员舱采用了冷气推力系统来实施姿态控制，也就是我们熟悉的反作用控制系统（RCS）。如果飞行正常，在乘员舱与运载火箭分离后的10～15 秒内，RCS 推力器会密集喷射，把整个乘员舱的俯仰、偏航和滚转速率降为零，消除机械分离弹簧力不对称力和残余气动干扰引起的影响。然后，冷气推力器将尽量不工作。分离后约35 秒，飞行器将发出“滑行启动”信号，RCS 推力器不再喷射，乘员舱自由飞行。当乘员舱在重力作用下再入，气动阻力带来的加速度已经不可忽视，RCS 将再次喷射。在微重力滑行期间，如果乘员舱俯仰角或偏航角大于45°，RCS 还是要喷射来修正。

有些试验需要乘员舱保持特定姿态，例如将仪器指向地球上或天空中的特定位置。在这种情况下，RCS 可以保持+/-5°的精度。但是，保持特定的姿态，可能会影响微重力环境，因为它需要周期性的推力器喷射。如果同时携带两类试验设备，也就是说有些试验需要高质量微重力环境，有些试验希望定向到特定的姿态，那么就只能分时段执行。

▲ “新谢泼德”抵达弹道定点

▲ “新谢泼德”飞船内景

▲ “新谢泼德”飞行过程

最后，乘员的动作也可能影响微重力环境。人员的移动，甚至人员对舱壁的接触，都会带来这种影响。因此，恐怕纯粹的游客很难与微重力实验仪器一起飞行。

▲ 贝索斯向观众展示如何乘坐“新谢泼德”

按照蓝色起源公司的说法，这类试验被归类为研究和教育任务（REM），可以从事微重力科学、空间生命科学、地球和空间科学、土地利用、教育和公众宣传、技术开发和示范、空间系统开发。

沙漠里的发射场

蓝色起源公司的发射场位于得克萨斯州卡尔伯森县的偏远沙漠当中，具体在范霍恩镇以北约40 公里处。参加飞行的人们需要长度跋涉，先飞到得克萨斯州的埃尔帕索机场，驱车193 公里到范霍恩镇过夜。然后再开车30 分钟，才能到“新谢泼德”的发射场，这段路蓝色起源公司是不负责接送的。

发射场占地7527 公顷。其实它连发射塔架都没有，只不过是在沙漠里做了一块硬化地面，距离火箭厂房大约2.9公里。着陆场在发射场以北3.2 公里的位置。火箭厂房里也可以给有效载荷提供处理设施。

▲ 新谢泼德火箭构成

▲ “新谢泼德”团队

一般来说，载人发射活动都会在白天进行。但是部分实验可能需要在夜间实施，蓝源公司也可以为这类活动提供服务。

拍卖会

蓝色起源公司为了让第一次载人飞行声势更加浩大一些，在6月11日举行了公开拍卖会，价格一路上涨，场面热烈。来自全世界159 个国家的7600 多人竞相出价。最终，有一位神秘的人物报出2800 万美元的价格，众人哗然。拍卖师3 次询问之后落锤，再加上拍卖行6%的费用，这位编号为“投标人107”的胜利者将付出2800 万美元加6%的拍卖行佣金，以总计2970万美元登上“新谢泼德”号。

▲ 制造中的新谢泼德飞船

▲ NS15 任务回收成功

▲ NS15 任务降落后，贝索斯亲自前去查看

评论家们指出，一次亚轨道飞行之所以会卖到如此高价，唯一的原因就是可以和贝索斯同行。和一位全球知名的顶级富翁一起冒险，对很多人来说是个宣传自己的好机会。再考虑到飞行前可能有几天共同训练的机会，这2950万美元在很多人眼里或许还是很值得的。毕竟美国是一个什么都可以拿来卖钱的社会。

7月11日，维珍银河公司老板布兰森参加了“太空船二号”的首次商业飞行。不过“太空船二号”的飞行当中，一直有两名驾驶员在操纵，所以他没有办法把自己包装成“首飞”。即使如此，布兰森也在推特上发布了自己的照片，并且自称“航天员一号”。

有意思的是，今天的蓝色起源和维珍银河公司很有些同病相怜的味道。维珍银河公司CEO 迈克尔·科尔格拉泽表示，这两次飞行的成功非常重要，“这将使人类太空飞行的理念在市场上正常化”。

当然，在现阶段，打算体验太空飞行的“人类”都不是普通人，其中相当多是亿万富翁。在“新谢泼德”的本次飞行之前，人们一度评测，亚轨道飞行的费用应该在20 万美元左右，不会超过100 万美元。即便如此，人们还是会有疑问：有多少人愿意出这样一笔钱，去参加一次只有10 多分钟的飞行呢？但从这次有近7600 名竞拍参与者的数字来看，市场空间还是不小的，至少可以养活一两家亚轨道旅游公司。★