一家 DIY 火箭俱乐部的危险梦想:将人类送往太空边缘

在丹麦 一个小镇长大,卡斯滕·奥尔森(Carsten Olsen)并没有太多关于太空的信息。直到互联网问世。一旦联网,奥尔森就开始频繁出入一些讨论论坛,真正的火箭科学家甚至宇航员都会在那里聊天。他通过亚马逊订购了火箭学书籍,并痴迷于探索那片伟大的未知领域。

他并没有成长为一名火箭科学家——至少不是职业上的。他在哥本哈根的一所公立学校工作。但他确实加入了一个不受约束、危险且充满乐观精神的太空事业:一个业余爱好者团体,希望建造能够有一天将一名志愿者宇航员送往太空边缘的火箭。他们自称为哥本哈根亚轨道公司(Copenhagen Suborbitals),简称 CopSub,并在丹麦首都的一家旧船厂开展工作。

奥尔森第一次听说 CopSub——一个业余载人航天项目——是在当地新闻中。“说是一些疯狂的家伙,”他说。“太空牛仔。”

当时,他正在为马拉松比赛进行训练,并在训练路线上经过那家船厂。“我注意到那里有很多人聚集在一起,围绕着一些东西,”他说。那是一台正在原地点火的火箭发动机。它看起来像一个长约 18 英尺的白色管子,侧卧着,用混凝土柱固定。CopSub 的其他测试包括一个带有碰撞假人微型乘客舱。奥尔森回忆道:“我走上前去,说‘我必须加入其中’。” 

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1986 年 1 月 28 日,奋进号航天飞机在佛罗里达州卡纳维拉尔角发射后不久爆炸。七名机组人员丧生。Corbis 供图

最终,该团体接纳了他,尽管他没有任何技术技能。如今,他是 CopSub 大约 70 名志愿者之一,其中一些人从事航天产业,拥有火箭学或其他技术专长,而另一些人则更像奥尔森。虽然杰夫·贝索斯的蓝色起源(Blue Origin)和商业空间站公司 Axiom Space 等其他私人航天项目正在将业余爱好者和游客送往大气层之外,但 CopSub 的业余爱好者不仅是该俱乐部的潜在未来宇航员;他们还负责让火箭升空的每一台机器、每一个图纸和每一个协议,这其中蕴含着巨大的风险。 

鉴于此,“太空牛仔”这个词相当准确地描述了 CopSub 所做的事情以及法律允许他们做什么。但这个标签也适用于由亿万富翁资助的公司提供的舒适的航天舱。确实存在旨在保护地面人员的政策——要求火箭按照广告宣传的那样运行,从不会对附近平民造成危险的地方起飞,并且其机组人员要接受应急程序培训。但是,与政府资助的任务不同,关于乘坐私人火箭的人员安全,几乎没有任何国家或国际指导方针。 

情况可能在今年 10 月左右发生变化,届时美国对此类规则制定的暂停令将到期,至少美国人将能够监管太空游客的安全。政策专家表示,现在可能是时候制定一些法律,让太空旅行不仅对国家旗帜下的宇航员更安全,也对公司标志——或俱乐部旗帜——下的宇航员更安全。

航空航天公司(The Aerospace Corporation)太空安全研究所所长乌玛·布鲁格曼(Uma Bruegman)表示:“我们有更多的国际参与者。我们有不同类型的太空应用。然后,您也看到了那些精彩的太空旅游项目。这很棒。但它确实将太空安全纳入了考量范围。” 

当世界在研究如何处理这些私人宇航员,以及应该接受哪些风险和规定时,CopSub 正在悄然前进。该团体目前正在研制和测试一款自制火箭的设计,这款火箭可能在十年后将人类送往地球表面 62 英里以上。至于那位宇宙牛仔能否平安回家,还是进行单程旅行,这仍然是一个悬而未决的问题——一个规则很少适用问题。

无论谁 负责,将人类送入太空总是伴随着风险。这需要坐在本质上是导弹的东西上面——即使在行业中高度管制的领域,这也不是总能顺利进行。1967 年,美国宇航局(NASA)的一架亚轨道飞行器 X-15——就像 CopSub 的装置一样,它旨在飞往太空边缘,但不绕地球飞行——在发射后解体,导致飞行员丧生。接着是 1986 年和 2003 年的挑战者号(Challenger)和哥伦比亚号(Columbia)航天飞机灾难,共造成 14 名宇航员遇难。最近,在 2014 年,维珍银河(Virgin Galactic)的亚轨道测试飞行器“太空船二号”(SpaceShipTwo)解体,导致一名飞行员死亡。自人类首次进入太空的 62 年来,宇航员在美国飞行器上发生致命事故的总体几率是 1/100。相比之下,今天在美国和欧洲的商业喷气式客机上的旅行者——其飞行系统完全不同——发生事故的几率约为 1/3000 万。

“如果我们想在未来充分发挥载人航天的全部潜力,无论是为了探索、科学研究、商业还是旅游,我们都需要找到改进这些操作安全性的方法,”一篇题为《载人航天安全:监管问题与缓解概念》的 2020 年论文写道。该论文由航空航天公司(The Aerospace Corporation)太空政策与战略中心系统总监约瑟夫·科勒(Josef Koller)和该公司商业太空技术公司(Commercial Space Technologies)总裁乔治·尼尔德(George Nield)撰写。

其中一种方法是通过制定规则。但目前,至少在私营部门,对机组人员的安全没有法律监督。白天在卫星行业工作、业余时间为 CopSub 工作雅各布·拉森(Jacob Larsen)说:“没有关于让人们登上火箭并将其发射到太空的特定规定。” 

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2021 年,CopSub 志愿者 John Bjerregaard 和 Peter Scott 在哥本哈根连接了 DIY Spica 火箭的两个燃料箱。该组织最终目标是,在飞船完工后,将一名人类送往地-空边界并安全返回。Carsten Olsen / Copenhagen Suborbitals

一家营利性公司的情况与 CopSub 这样的志愿组织一样。“唯一的区别是,他们不赚钱,”专门研究太空问题的律师斯科特·斯蒂尔(Scott Steele)说。 

但是,像 CopSub 这样的业余航天飞行是否过于危险,即使有行为准则?如果是这样,是否应该允许人们这样做,就像允许某人将木筏扔进激流、将冰爪钉入冰川,或者沿着悬崖边骑山地自行车一样?DIY 载人航天是否超出了任何其他极限运动或爱好的界限?

目前,没有哪个管理机构——无论是丹麦、更广泛的欧洲,还是更以太空为中心的国家(如美国)——在制定这些规则。CopSub 的传播总监马兹·威尔逊(Mads Wilson),他是一名数据科学家,似乎并不对此感到担忧。“没有法律禁止愚蠢,”他说。“人们以愚蠢的方式杀死自己。”

这无疑是我们人类长期以来与飞行纠缠不清的迷恋的真实写照。但是,当——以及如果——CopSub 的火箭搭载第一位“快乐骑手”时,那个人的生命将取决于一群技工在业余时间所做的工作的质量,用自制火箭部件拼凑成一个易燃的机器,而且没有外部机构负责检查。这并不是一个容易让人接受的事实。

当 CopSub 成立时,团队仅由两名志愿者、联合创始人克里斯蒂安·冯·本森(Kristian von Bengtson)和彼得·马德森(Peter Madsen)以及一个想法组成。“他们想尝试制造一枚能将人类送入太空的火箭,”威尔逊说。“基本上就是这样。”

冯·本森之前曾与 NASA 签订合同,从事以人为本的航天器设计;马德森是一名企业家,后来因谋杀记者金·沃尔(Kim Wall)而被判刑。谋杀案发生前三年,CopSub 和马德森分道扬镳,该太空组织切断了与联合创始人的一切联系。

然而,在项目初期,两人曾驻扎在哥本哈根港的一个艺术家聚集地。很快,他们的团队和创意空间就扩大了。“我认识的大多数人都说,他们有一天就出现在了工作室,问‘嘿,我能做点什么吗?’”威尔逊说,他在 CopSub 开始建造火箭并将其发射到一英里或更远的高度几年后,于 2013 年成为了那些“家伙”之一。他们使用了一个由成员自己建造的浮动平台,在丹麦海岸外的国际水域。早期,公司每年都会完成并测试一枚新火箭,每枚火箭的建造时间需要一到两年。

CopSub 的第一次尝试——在 2010 年使用一枚 30 多英尺高、3587 磅的火箭——失败了。2011 年,一艘采用相同设计的(类似于圆珠笔)的火箭升空,侧翻,然后坠落。助推器撞入水中,解体并沉没。乘客舱的原型与火箭分离,漂过了波罗的海,但也受损。2012 年,该组织发射了一枚旨在测试未来载人 CopSub 任务的通信和 GPS 设备的火箭。发射后约两秒钟,装有所有电子设备的鼻锥与火箭分离。飞行器按照计划完成了超过 12 英里的飞行,但飞行没有产生任何有用数据。同年,CopSub 测试了一个带有乘客安全功能的舱室,例如逃生系统、用于保护乘客免受硬着陆冲击的弹簧,以及在溅落时能将舱室翻转过来的安全气囊。它在空中翻滚,然后重重地砸入水中。由于硬着陆,CopSub 未能发送指令将舱室翻转过来。

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CopSub 的“宇航员候选人”Anna Olsen 和 Mads Wilson 在 2021 年试坐 Spica 测试座椅。舱室仅够一人紧密坐入。Carsten Olsen / Copenhagen Suborbitals

第二年,CopSub 发射了一枚小得多的火箭——重 447 磅,高近 28 英尺——来试用导航和定向系统。那枚火箭工作得相当不错,速度超过了音速,升空超过 5 英里,在其轨迹顶部距离工程师的预期仅差 600 英尺。尽管如此,这项技术离能将真人送往太空的技术还相差甚远。“它一开始非常粗糙,”威尔逊说。“但那也是这个想法的一部分——它只需要足够好就行。”(威尔逊的意思是,它只需要足够好,以实现其目的。)

事实上,这个业余航天项目的安全状态依赖于其火箭的简单性:大部分技术与 NASA 在 20 世纪 50 年代和 60 年代使用的技术相似。正如智能冰箱比仅由线圈和制冷剂制成的冰箱有更多的故障点一样,CopSub 认为,更简单的太空系统比受机器人和计算机控制的系统更容易出现故障。如果做得好,就可以减少人身伤害的风险。但如果做得粗心大意或缺乏足够的检查,仍然可能使团队的未来宇航员面临致命危险。

该团队进行了一些改进。为了使火箭更容易控制,他们不得不重新考虑最初的混合推进发动机,它同时包含固体和液体火箭燃料。当启动时,两者混合并燃烧。“事实证明,为了礼貌地说,这是不可行的,”威尔逊说。在 2013 年建造了 Sapphire 火箭之后,CopSub 转而使用纯液体发动机——尽管更复杂,但更可预测。 

马德森的离开也为该团体带来了急需的改变。在早期,马德森与冯·本森,或者说几乎与任何人都不合。2014 年 2 月,冯·本森最终离开了。几个月后,CopSub 和马德森永久分道扬镳。马德森于 2017 年谋杀了金·沃尔,并于 2018 年被判处终身监禁。 

创始人离开后,项目并未解散。“这太美妙了,不能就这样放弃,”威尔逊说。此外,许多技术诀窍来自较新的志愿者。任务继续由留下的成员执行。

但技术问题也持续存在。2014 年底,一次用 GoPro 记录的实验出了问题。这是一次静态火箭发动机液体燃料测试,火箭应该被固定在地面上。点火后不久,火势爆发,吞噬了飞行器及其支架。当最初的火焰熄灭时,损毁的机器发出了类似孤独、鲸鱼般外星生物的呻吟声。威尔逊当时正站在大约 300 英尺外的掩体里。即使在那里,也弥漫着酒精的味道。没有人受伤,但火箭无法修复——两年的工作付之一炬。他们现在该怎么办? 

奥尔森回忆当时的想法:“我们得再造一个!”

团体成员决定采取分步工作的策略,建造小型火箭并用它们来测试计算机、通信和降落伞等子系统,这是他们在火灾后一直致力于的任务。“然后,一旦完成,我们就可以扩大规模,建造更大的东西,”威尔逊说。最终目标是制造 *Spica*,一枚足够大的火箭,能够到达地-空边界,并将一个舱室溅落回海中——里面载着一个人。“自 2018 年最后一次大型小型火箭试飞以来,我们一直在孜孜不倦地努力,”拉森说。几个部分仍然放在车间里,工程师们正在打磨发动机技术,他们将在一个他们改造成测试台的集装箱里进行测试。一旦完成,这个舱室将刚好能容纳一个人坐进去,只有足够的活动空间,以免血液循环不畅。没有宇航服,也无法控制飞行,只有一套像《壮志凌云》那样的战斗机飞行员装备和一个加压座舱。 

该团体迄今为止最大的成功发生在 2018 年,当时其液态燃料的 *Nexø II* 火箭完成了所有预定任务。它以正确的轨迹飞行了 4 英里。鼻锥在飞行顶部分离,降落伞将火箭带回海上,团队回收了两个部件。溅落速度足够慢,足以让人类在撞击中幸存。

拉森当时正在附近的一艘硬底充气艇上观看。当飞行器结束倒计时并开始旅程时,时间仿佛慢了下来。“它一直在持续不断地飞,”他说。“我永远、永远不会忘记在晴朗的天空下……在平坦温暖的海面上,四周只有蓝色和蓝色,那震撼人心的轰鸣声。” 

飞行开始约八分钟后,舱室漂向下方——“轻轻地,”拉森说。距离让太空飞行被视为亚轨道飞行,还差 58 英里。

当 CopSub 步步迈向其“登月计划”时,大洋彼岸的私人太空飞行也在腾飞。

只有美国公司曾将游客送往太空。尽管如此,国会明确禁止联邦航空管理局(FAA)制定保护私人宇航员的规则。根据 2004 年的一项法律,“FAA 被禁止监管机上人员的安全,”该机构自己的网站上写道。这种法律暂停令的目的是,让商业太空公司积累足够的经验来了解应该存在哪些安全原则——同时避免它们因检查和繁文缛节而受阻。据与布鲁格曼共事并合写《载人航天安全》论文的科勒介绍,其理念是允许公司进行创新,尝试困难的事情,甚至可能在监管介入之前就已经失败。

暂停令目前定于 2023 年 10 月到期,尽管它曾被延长过(先是到 2015 年,然后又延长了八年)。预见到即将出台的规定,科勒和他的合著者提出了 FAA 和世界各地其他管理机构可以如何准备的建议。其中最广泛的一项是“建立一个协作框架,以创建安全指南和最佳实践,”他们的报告称。这可能采取他们称之为“太空安全研究所”的形式,这是一个提供专业知识和支持给政府和行业的独立组织,但本身不制定或执行规定。 

作者的设想很快就变成了现实。去年,总部位于加利福尼亚州埃尔塞贡多的航空航天公司(The Aerospace Corporation)成立了一个研究所,旨在“提高政府、商业和国际客户的太空及相关活动的安全性”,如其网站所述。但新组织的重大挑战之一将是提出针对差异极大的私人航天器车辆的建议。例如,维珍银河公司打算从一架双体飞机上投放一架由火箭驱动的飞船,而蓝色起源公司则计划使用液化天然气驱动的更大火箭。相比之下,CopSub 仍在使用传统的乙醇基火箭。甚至还有气球公司希望在未来将人类运送到太空边缘。 

尽管太空飞行器依赖于不同的技术,但它们确实有一个共同点。科勒说:“最核心的共同要素是人。人是会犯错的。但人们也需要感到足够安全,以便在看到不安全情况或不安全环境时能够说出来。”科勒认为,也许让太空游客更安全的最重要方法是创造一种“安全文化”,一种工程师和技术人员不怕指出危险或草率事物存在的文化。 

布鲁格曼的研究所还建议进行自愿安全审计,并收集系统和安全数据,将其存储在一个集中且易于访问的地方,理想情况下,这样公司就可以根据他人的经验来预测和防止事故。(与此同时,公司管理其责任的一种标准方法是让私人航天器乘客签署一份知情同意书,说明他们知道自己即将要做的事情存在风险。乘客还签署免责声明,表示他们不会就受伤向公司提起诉讼,并且在乘客受伤或死亡时,他们的家人也不会提起诉讼。)

“我认识的大多数人都说,他们有一天就出现在了
工作室,问‘嘿,我能做点什么吗?’”

——Mads Wilson,CopSub 志愿者

美国及其他地区的自我驱动者可以向 NASA 等经验丰富的机构寻求更多灵感。2014 年,FAA 为私人公司发布了一份文件,详细介绍了“载人航天乘员安全推荐实践”。该文件没有涉及太多技术细节,原因在于,再次强调,每个组织的系统都大相径庭,而是提出了关于安全真正意义的高层指导。 

例如,航天器不应加速或振动得过快或过猛,以免运动伤害乘员,并且应确保他们“免受严重伤害,并能够成功执行安全关键操作”。飞船内部对乘员安全至关重要的每个系统都应证明其能在极其严酷的条件下按计划工作。同样,所有坐在乘客座位上的人都应经过评估,以确保他们能够承受这些条件。每名机组人员都应配备加压服和个人供气系统,驾驶舱应具备逃生或紧急情况处理系统。CopSub 目前仅有个人供气系统的计划。 

现代宇宙飞船上的技术之所以复杂,部分原因是为了能够诊断问题并引入冗余;这使得飞行器可以以多种方式失效——而不会杀死乘员。这种复杂性是 CopSub 无法达到的 NASA 要求之一,但拉森指出,他们的飞行器只需要对 4 分钟的飞行是安全可靠的,而不是几天或几周。航天局还仅在“机组人员损失”在 210 天任务中的总体几率小于 1/270 时,才认证一家私人航天公司参与其商业载人计划。这可能是 CopSub 未来 *Spica* 的情况,但目前,没有人进行计算。

CopSub 目前正在测试其火箭子系统,以确保它们能够独立运行并协同工作,但直到 *Spica* 在数年后完工才能获得全部结果。在这一点上,没有外部机构会强制该团队在载人飞行前进行全面测试,或确保该人员通过专业宇航员通常需要进行的广泛医疗和高 G 力评估。CopSub 表示,在将人固定在火箭上之前,他们将进行自己的测试,但目前,丹麦政府和欧洲航天局(ESA)的态度与美国当局一样,都是袖手旁观。 

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2018 年,CopSub 成功发射了其小型、无人驾驶的 *Nexø II* 火箭,升空 4 英里。它通过降落伞缓缓落回海面。Carsten Olsen / Copenhagen Suborbitals

有可能未来会出现可执行的规则,如果其努力要向前推进,团队将不得不进行调整。由于太空项目通常是国际性的,涉及一个无国界的领域,没有一个国家——无论是丹麦还是美国——可以孤立地考虑规则。科勒说:“需要更多的国际协调。”这可能类似于《海上生命安全条约》,该条约是在泰坦尼克号沉没后首次制定的,用于规定商船的安全要求,包括最低的救生艇数量。国际空间站(ISS)是各国(如俄罗斯和美国)和平共处的另一个例子。 

所有这些关于规则和限制的讨论可能会让行业中更倾向于“放任自流”的一方感到激动。但布鲁格曼、科勒和斯蒂尔并不想压制任何火箭科学家,即使是业余科学家。相反,他们希望使私人太空飞行安全且可预测,正是为了让它能够蓬勃发展,布鲁格曼说。“我们觉得这就像‘好篱笆造就好邻居’。”

在 CopSub, 志愿者们对自己迄今为止的安全记录感到自豪:零事故导致受伤或死亡。他们声称遵守 NASA 的火箭燃料处理和发射现场安全协议。他们还指出,他们选择乙醇作为燃料,因为它比甲烷和碳氢化合物基火箭燃料更环保,并且在出现问题时会迅速蒸发。威尔逊和拉森表示,当成员们觉得某件事情有点不对劲时,他们会说出来,从而促进了科勒所提到的那种安全文化。 

但是,CopSub 的一种轻触式处理方式在开发火箭硬件方面可能对其有利。“我认为 NASA 和欧洲航天局都感受到了要做到完美的压力,”拉森说。“当我看到一位美国人让连续爆炸变得流行起来时,我感到如释重负。”

他指的是埃隆·马斯克(Elon Musk)和 SpaceX 公司,该公司有大量的火箭倾覆、翻滚和爆炸的失误记录。尽管如此,SpaceX 从未发生过伤害到人的发射事故,并且是唯一一家通过 NASA 安全标准认证的公司。 

“我认为 NASA 和欧洲航天局都感受到了
要做到完美的压力。当我看到一位美国人
让连续爆炸变得流行起来时,我感到如释重负。”


——Jacob Larsen,CopSub 志愿者

然而,道德不仅仅在发射台停止。2022 年秋季,OSHA 因一名员工在操作火箭发动机时严重受伤而对 SpaceX 处以罚款。杰夫·贝索斯的太空公司蓝色起源(Blue Origin)已成功进行了六次载人航天飞行,零伤亡。然而,2021 年,21 名现任和前任员工在一封公开信中表示,苛刻的工作条件和恐吓正在阻碍公司的安全文化。(SpaceX 未对置评请求作出回应,蓝色起源拒绝置评。)

因此,在一家充斥着专业人士的公司工作,似乎并不能保证地面或天空中的完全安全环境。但 CopSub 的组织结构——在一家必须遵守劳动法和投资者需求的公司中是看不到的——可能会使问责制变得困难:没有自上而下的官僚机构——没有项目经理,甚至没有库存管理系统——这意味着检查和制衡不会自动存在。问责制就像这项工作一样,是自愿的。 

CopSub 网站坦率地说明了 *Spica* 飞行的风险。“我们一丝不苟地努力使飞行尽可能安全,因为我们是勇敢的,而不是鲁莽的,”它说。“但它显然是危险的,所以我们的宇航员必须在心理上做好准备,并对风险感到自在。” 

尽管 CopSub 的技术显然落后于 SpaceX 等现代公司和 NASA 等政府机构的先进技术,但其目标却更简单。但成为最好、第一或最快通常不是爱好的目的;目的是做你喜欢的事情,与你喜欢的人一起,因为你喜欢它和他们,并且因为你独立完成了它而感到赋权。然而,制造火箭飞船与编织毛衣或制造家用无线电的区别在于,毛衣和无线电很少有潜力杀死使用它们的人。 

当然,奥尔森、拉森、威尔逊和他们的 DIY 同伴们都以生存为目标。而且他们只是抱着希望,不确定他们是否能做到将某人固定在 *Spica* 的舱室里。尽管如此,乐观情绪依然占主导。奥尔森引用了斯堪的纳维亚一位著名人物皮皮·朗斯婷(Pippi Longstocking)的话。“我以前从未尝试过,”她说,“所以我认为我肯定能做到。”会有人确保这种态度不会导致第一次 DIY 太空任务的乘客丧生吗?这还是个未知数。

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修正 2023/4/10:文章之前的版本曾表示,随着美国暂停令可能到期,美国人将能够“立法”太空游客的安全,而不是“监管”。《大众科学》对此表示歉意。 

 

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Sarah Scoles

特约编辑

莎拉·斯科尔斯 (Sarah Scoles) 是一位自由科学记者,也是《科技新时代》的常客,自 2014 年以来一直为该刊物撰稿。她关注科学技术与社会、企业和国家安全利益的互动方式。


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