北京時間 2019 年 3 月 2 日下午,美國 SpaceX 太空公司成功發射首艘載人龍飛船(Crew Dragon)。

SpaceX 有望成為全球首個掌握載人飛船技術的私人航天公司,美國將重獲載人發射能力,打破俄羅斯聯盟號在地球和國際空間站之間載人往返的壟斷地位。

更新:北京時間 2019 年 3 月 3 日下午,SpaceX 載人龍飛船成功與國際空間站對接。


載人龍飛船的成功,絕不僅僅是降低了國際空間站票價。它至少還使提高國際空間站實際科研產能成為可能,降低了宇航員門檻。

其實我剛剛才寫完一個SpaceX火箭發動機的回答:

SpaceX 有多先進,用了哪些黑科技??

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龍飛船的開始

在太空梭退役以後,俄羅斯的聯盟號飛船壟斷了向國際空間站輸送宇航員的生意。NASA在購買聯盟號機票上已經支付了超過33億美元。

而且票價是越來越高,2018年平均為8100萬美元一張。可機票對NASA來說又是剛需,給了俄羅斯坐地起價的底氣。

敏銳如馬斯克,當然看到了這個市場。SpaceX便開發了龍飛船,由其著名的可回收火箭獵鷹九號發射。

僅有貨運版的一代龍飛船

首飛於2010年的一代龍飛船,發射成本是俄羅斯由聯盟號載人飛船衍生而來的進取號無人駕駛貨運飛船的大約兩倍,載貨能力也大約為兩倍。但是相比超級昂貴的太空梭,儘管此龍飛船載貨重量只有太空梭的三分之一左右,但是發射成本不到十分之一。

聯盟號飛船

一代龍飛船在18次貨運任務中,僅有一次失敗。在經過了將近一個decade的今天(2019年3月2日),載人版龍飛船終於上天了。

二代龍飛船

相比於一代龍飛船,飛控電腦、航電系統升級之外,外觀也有了不少改動,我在這個回答簡單的介紹兩個。

因為電力系統的功率比一代要低,貼在貨倉外殼上的太陽能電池板替代了摺疊式的電池板。

一代龍飛船需要被國際空間站上的加拿大機械臂抓著對接,而二代則可以自主對接。

載人版二代龍飛船的人員運力

二代龍飛船相比第一代,最巨大的差別當然是增加了載人版。

載人龍二最多一次可以運送7名宇航員,遠遠高於聯盟號的3人。

聯盟號的運載能力一定程度限制了國際空間站的常駐宇航員數量,因為遇到緊急情況要疏散時,兩個聯盟號一共只可以帶走6人,這也就是現在國際空間站滿員的人數。在太空梭退役之前,可不止6人啊。下圖為STS-127和國際空間站第20次遠征的集體聚餐(團建?)。

國際空間站有著無比強大的功能,同時它也極其複雜。

空間站上只有6個宇航員,其中大部分的時間和精力都是在維持空間站的運轉,進行維護工作。而實際進行科研產出的精力被壓縮,如果能再多來幾個宇航員一起合作那效率肯定高多了啊。

載人版二代龍飛船能運7個,也就打破了這個限制。

載人龍二的簡易操作

老驥伏櫪的聯盟號飛船,還應用著大量的傳統可靠(老舊)技術,宇航員需要長時間的訓練才能掌握,這也是成為宇航員的一個門檻。

載人版二代龍飛船有著毋庸置疑的後發優勢,通過觸屏就可以操作飛船,而聯盟號的宇航員則需要用一個金屬小棍棍來戳鍵盤(上面那個聯盟號內部照片,宇航員手裡拿了個棍子就是干這個)。當然自動化程度也和聯盟號相比不可同日而語。

載人龍二的低成本

因為它下面裝了8個SuperDraco發動機,所以不同於絕大部分載人火箭,沒有逃逸塔。省了重量,成本。而這個SuperDraco發動機和上上圖宇航員頭盔一樣,都是3D列印的,這成本也得壓縮到極限。(一代龍飛船則是裝有18台Draco發動機)

龍飛船沒有額外加裝昂貴的整流罩,省了一大筆錢。龍飛船本身是可回收的,設計壽命為10次發射,其發射火箭獵鷹九號也是可回收的,又省了更大一筆。這就省下了絕大部分成本。

聯盟號一張票價8100萬美元,而SpaceX和NASA簽的合同,一張票只要2000萬美元哦。

載人龍二的競爭對手

雖然載人龍二的前景看上去一片大好,但是也不是沒有競爭。

波音的可回收重複使用的太空艙StarLiner也在這個市場中參與競爭。除了老牌航空航天巨頭波音以外,亞馬遜老闆的另一家公司藍色起源也在積极參与。

他的大火箭新格倫號主發動機,液氧甲烷BE-4已經得到了五角大樓合同,將驅動ULA的新火箭。關於這個內容,我寫過另一篇回答:

為什麼已經有了高性能的氫氧火箭,人類還要開發甲烷火箭??

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其它版本的龍飛船

SpaceX還嘗試了一款軌道實驗室型一代龍飛船,不和空間站對接,根據客戶需求在軌道上做太空實驗後返回,不過本有的兩次發射計劃都被取消了,SpaceX官方沒有作出說明。

此外,還有紅龍飛船在開發中,它有更大的載荷,由重型獵鷹而不是獵鷹九號發射。可以執行火星登陸等更遙遠的載人任務。下為紅龍在火星降落的想像圖。

為什麼美國有這麼多創業航天公司?

所有人都知道航空航天製造業門檻超級高。比如做飛機發動機的那幾家公司從二戰前活塞機就是他們,大幾十年過去了,技術更新了無數代,還是他們。

歐美國家的宇航局,NASA和ESA以及各國自己的宇航局(比如德國的DLR)深知大企業壟斷造成的成本無法控制,舉目望去,只有一兩個供應商能做這東西。他們就可以坐地起價,所以NASA,ESA很願意扶植創業公司進入這門生意,不僅能對老牌供應商壓價控制成本,而且在一個項目中,更豐富的供應商選擇也肯定更好啊。引入激烈的商業競爭,來加速技術、產品的迭代。

此外,NASA本來就是美國納稅人養的,產出本身就應該屬於全體納稅人,如果有正當用途,他們是會有很多免費的技術轉移。比如我剛剛寫的那篇回答,SpaceX獵鷹系列火箭的梅林發動機,就來自於NASA的FASTRAC發動機項目:

SpaceX 有多先進,用了哪些黑科技??

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還有SpaceX的回收技術,寫過又另一篇回答:

SpaceX 的整流罩回收為什麼不採用可控傘降+飛機空中回收技術??

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再推薦一個回答:

有哪些航空航天上的事實,沒有一定航空航天知識的人不會相信??

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最終再貼一個載人龍飛船的內部展示視頻:

美國SpaceX載人二代龍飛船內部

一句話評價:龍-2載人飛船成功對接,人類載人航天進入新紀元

北京時間2019年3月2日15時49分,美國太空探索科技公司(SpaceX)成功用自家的獵鷹9號(Falcon 9)火箭發射龍-2(Dragon-2)載人飛船。一天後的18時52分,成功與國際空間站的和諧號節點艙對接。

火箭發射瞬間(左)和飛船對接國際空間站最後階段(右)

自從2011年7月19日亞特蘭蒂斯號太空梭(STS-135)從國際空間站離開返回地球後,持續三十年的太空梭項目最終結束,美國載人飛船再未抵達過國際空間站。這次SpaceX載人飛船測試任務的成功,不僅意味著這個商業公司的巨大飛躍,也標誌著人類載人航天一個嶄新的時代開始。

那麼,這次發射的龍-2飛船,有什麼非凡之處?

  1. 更加安全

安全性毫無疑問是任何一個載人航天飛船最重要的基本需求。NASA一直是美國載人航天的主要領導者,目前願意放開載人航天項目給民營航天,一個重要要求就是達到更高的安全性。2011年的商業載人航天項目(CCP)對安全性的要求是:飛船發射上升段和返回下降段宇航員損失比不得超過1:500,即每500次任務最多只能損失1位宇航員。考慮到最長210天的任務周期和各種太空意外,總指標是1:270。

舉例對比而言,太空梭項目要求1:90,俄羅斯聯盟號飛船要求是1:110。而實際上,太空梭在135次任務中失敗2次並犧牲了14位宇航員,聯盟號飛船是1:87。

龍-2飛船進行的整體緊急逃逸測試

為了達到這個指標,NASA對飛船測試的要求可謂極其嚴苛。龍-2飛船早在2015年就進行了成功的逃逸測試,按照創始人伊隆·馬斯克的說法,後續又經過了數千個小時不同的測試。即便是運載用的新型獵鷹9號-Block 5火箭,NASA也要求達到連續7次發射不得出任何問題,且要進行發射前的靜態點火試驗。

在這一次無人測試成功後,SpaceX還需要進行一次在軌逃逸測試,才有可能在2019年7月首次執行真正的載人任務。

2.可回收重複使用

龍-2飛船一大特色在於能做到最大限度的重複使用。此前,太空梭是人類唯一可重複且投入使用的載人航天器具,但價格更是驚人。龍-2飛船在實現可回收和降低成本方面,做出了一系列重大改變。

a.自帶逃逸系統。傳統載人飛船發射必須攜帶昂貴的逃逸塔,在發射後兩分鐘左右就會拋掉。而龍-2飛船自帶8台逃逸用SuperDraco超強發動機,可重複使用。

b.無需整流罩。整流罩是火箭衝出稠密大氣時保護航天器的重要部分,和航天器共同位於火箭頂部,它要求質量低、強度大、信號通透性強,因而造價不菲。SpaceX因而也一直嘗試回收自家獵鷹9號火箭的整流罩,畢竟這是500萬美元的產品,然而從未成功。龍-2飛船的設計充分考慮了這一點,可以節約不少費用。

SpaceX獵鷹9號和龍-2飛船組合(上)對比俄羅斯聯盟號火箭與飛船組合(下)

c.可更換隔熱罩。任何一個載人飛船返回大氣過程中,必須依靠隔熱罩摩擦減速和燒蝕降溫,這是幾乎無法逾越的障礙。龍-2飛船的隔熱罩/燒蝕層,也能輕易實現模塊化更新。

d.火箭亦可回收。龍-2飛船將會搭配獵鷹9號-Block 5型火箭發射,後者的理論可回收次數近百次,不經過大修保養可做到連續10次左右回收。考慮到即便一枚新火箭的造價(6000萬美元左右)也要比同行低很多,龍-2飛船使用自家公司的火箭發射費用也將大大降低。

e.著陸方案。目前由於NASA要求和安全性問題,龍-2飛船將採用經典的降落傘和大洋濺落並打撈的著陸方案。按照它原先的設想,飛船可以採用降落傘配合SuperDraco反衝發動機陸地降落,甚至全程反衝降落。未來在克服技術問題後,依然有可能恢復到原先方案。

3. 強大的載人能力

龍-2飛船最多可以搭載7名宇航員,相比而言,美國早期的水星計劃、雙子座、阿波羅飛船只能載1-3位,蘇聯/俄羅斯的東方號、聯盟號飛船只能載1-3位,中國神舟飛船只能載3位,NASA新一代在研的獵戶座飛船只能載2-6位。

龍-2飛船(左)與實際發射的聯盟飛船(右)對比,龍-2飛船有分離的貨物區,7名宇航員即便全副武裝準備發射,內部空間也要寬敞許多

因而,它的運力能夠與太空梭打成平手,同為世界第一。但二者單次發射費用相差懸殊:太空梭135次任務花掉了2000億美元,平均約15億美元一次,而龍-2飛船目前報價僅在單次1.6億美元左右。單純從載人航天的角度,性價比可謂極高。

4.新科技的運用

SpaceX代表了美國多年積累的航天技術商業化集中體現,也融合了一系列新技術。例如,8台逃逸發動機是採用了激光3D列印鐵鉻鎳材料製造而來,可重複使用。

龍-2飛船並沒有傳統意義上的巨大太陽能帆板

它的能量供應依然主要來自太陽能電池板,不過不同於傳統飛船巨大猶如翅膀一般的太陽能帆板,龍-2飛船採用了在貨艙外殼上貼摺疊式太陽能電池片的方式,整體更加集約高效。

龍-2飛船能夠實現自動對接國際空間站,並不需要空間站上機械臂的幫助,也大大簡單于曾經太空梭極其複雜的對接過程。一方面提高了安全性,另一方面也降低了總體工作量。

與國際空間站自動對接藝術效果圖

為應對突然的失壓甚至真空狀態,龍-2飛船的設計依然能夠讓整體正常運行。此外,SpaceX還設計了更加先進的宇航員艙內服,能夠保障宇航員在這種緊急情況下的生存,提高安全性。歷史上,1971年的聯盟11號任務就是在返回地球期間失壓,三名宇航員犧牲。

5.更加舒適的內部空間

龍-2飛船能裝7人,自然不小。它的內部加壓空間有9.3立方米,集中在一個艙段里,非加壓艙段也有12.1立方米,即便不載人它也是個優秀的貨運飛船。兩段式設計,是現在幾乎所有新一代飛船的思路,中國新一代載人飛船也將這樣設計。

中國新一代載人飛船(上)也將使用兩艙段模式,和神舟飛船區別明顯(下)

傳統的神舟飛船和聯盟號飛船載人部分又分成軌道艙和返回艙,導致每一個都很狹小逼仄。因而,龍-2飛船內部基本是一個科幻感十足的布局,空間並不擁擠。

考慮到NASA對商業航天運載器不得超過3倍過載的設計需求,這對人體的壓力還沒有遊樂場的娛樂項目大,普通人的身體素質可以接受。

聯盟飛船(左)與龍-2飛船(右)的操作界面也完全不同

它也創新使用了電子觸屏操作,與傳統的機械控制面板相比可謂是顛覆式創新。與此同時,它也保留了機械控制的備份,增加系統冗餘。對於高度智能化的飛船整體而言,宇航員在發射和返回過程中基本不需要複雜操作,整體環境非常友好。換句話說,降低了宇航員門檻。

6.極低的價格

表面看來,龍-2飛船1.6億美元的價格讓人咂舌,但比起其他飛船已經性價比極高。即便不與極其昂貴的太空梭相比,它比現今國際載人航天市場的聯盟號飛船也便宜許多。

太空梭退役後,一張聯盟號「飛船票」的價格猛漲

一艘聯盟號飛船僅能運送3人,飛船和火箭全部是一次性。此外,2011年太空梭退役後國際載人航天市場被俄羅斯完全壟斷,NASA不得不面對這一「封鎖」局面。導致的後果是NASA為宇航員購買「飛船票」的價格暴漲,現在(2019)已經在8200萬美元一張。

相比而言,龍-2飛船大約在2000萬美元一張。此外,7人的運力已經足夠把國際空間站一整個遠征隊(常年6人)全部替換。

如果考慮到它擁有貨物運輸能力,且返回時依然可以攜帶3噸左右貨物,性價比更高。

7.對NASA而言意義重大

進入新世紀後,NASA的發展方向發生了重大轉變,逐漸降低工程類項目比重,轉向側重科學研究領域。一個典型的表現就是NASA逐漸退出載人航天市場,讓給商業航天,軌道科學ATK(現併入諾格)、SpaceX、藍色起源、畢格羅、內華達山脈等都在這一波大潮中得以發展。從NASA的角度,充分引入商業航天的競爭和利用它們背後的社會資本,毫無疑問是一件性價比極高的事情,SpaceX無疑是其中的佼佼者。

商業航天發射階段,聯合發射同盟、SpaceX、藍色起源、軌道科學ATK等同台競技,最終SpaceX拿出性價比最高的方案:嶄新獵鷹9火箭報價6000萬美元,復用版可打折。獵鷹重型火箭,運力更是現役世界第一。

2018年2月,SpaceX獵鷹重型火箭首次測試時兩個助推器成功返回著陸,猶如科幻一般的場景

商業航天貨運階段,SpaceX、軌道科學ATK競爭,現在前者的龍飛船已經執行了16次國際空間站補給任務,後者的天鵝座飛船為10次。

商業航天載人飛船階段,SpaceX、波音、內華達山脈、藍色起源等充分競爭,但顯然SpaceX目前略勝一籌。NASA僅為龍-2飛船項目投入了大約26億美元。相較而言,NASA自己研發的獵戶座載人飛船已經花掉了超過200億美元,NASA也給作為SpaceX對手的波音投入了42億美元,SpaceX的龍-2飛船性價比明顯。

太空梭退役後,NASA每年在國際空間站項目上的投入都在15億美元級別,其中為宇航員買聯盟號「飛船票」就花掉了30多億美元。隨著商業航天的進一步發展,這種曾經燒錢維持載人航天發展的局面將得到很大改善,對NASA而言投資換來回報,可節約大筆資金,為下一步著重從事的深空探測儲蓄力量。

隨著商業力量逐漸降低載人航天的成本,它也距離走進普通人生活越來越近。1961年加加林秘密升空,當時的東方號飛船僅能供他一人勉強生存,返回時甚至需要在7千米的高空與飛船分離後跳傘。而2019年,酷炫十足的高科技龍-2飛船已經由商業航天公司推出。

人類載人航天60年,終於要逐步邁入一個嶄新的時代。

(本文圖源均來自NASA/SpaceX/國家航天局等)

出品:科普中國

製作:太空精釀

監製:中國科學院計算機網路信息中心

空間站:星辰大海之夢的起點?

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北京時間3月2日15:49分,美國太空探索技術公司(SpaceX)的「獵鷹9號」火箭搭載著載人「龍」飛船從肯尼迪航天中心的LC-39A號發射台發射升空,執行首次無人試飛任務Demo-1。圖源見水印。

在火箭發射升空大約10分鐘後,獵鷹9號一級火箭成功在大西洋上的SpaceX海上無人船「當然,我依舊愛你」上著陸,這是SpaceX第35次成功完成一級火箭回收。

僅僅11分鐘後,載人「龍」飛船就進入了預定軌道,它將於美國東部時間3月3日大約6點(北京時間3月3日19時)與國際空間站自動對接。

載人龍飛船由SpaceX研發,旨在幫助美國宇航局(NASA)運送宇航員往返國際空間站,是「龍」貨運飛船的升級版。

與此前的貨運飛船相比,「載人龍飛船增加了座位、窗戶、觸摸屏控制台、應急逃生系統、環境控制以及生命支持系統等人類需要的設施及系統。此外,飛船可由宇航員和地面控制中心控制,同時也能夠全自動飛行。

載人版龍飛船(Crew Dragon, Dragon2),人們習慣稱之為「龍飛船2號」或者「龍2」。作為商業航天員計劃的一部分,SpaceX正在幫助NASA開發Crew Dragon。NASA此前向SpaceX和波音發出了合同,製造及運營載人宇宙飛船,幫助美國宇航員往返於國際空間站。這一項目一方面將刺激私營企業對航天產業的興趣,另一方面也將幫助美國擺脫對俄羅斯載人飛船的依賴。

按照設計要求,載人龍飛船就很好的適應了近地軌道空間站大規模載人航天任務的需求,在經過發射、入軌、對接、再入返回回收之後,經過簡單的測試和維護,就可以快速投入下一次任務。按照設計指標,一艘載人龍飛船將重複使用10次左右。

飛船內部設計充滿了科幻電影中的未來感,黑白相間的極簡主義設計讓人眼前一亮拍手稱快。該飛船乘員艙提供了7個座椅,這些座椅採用碳纖維和Alcantara織物材料,座椅前方的顯示屏將向宇航員提供飛船位置和艙內環境等信息,載人龍飛船配備先進的觸摸顯示屏,再也不用拿個小棍在飛船里「指指點點」了。

SpaceX在佛羅里達州肯尼迪航天中心的39A發射台上安裝了一條宇航員進出臂(Crew access arm),這條進出臂是為NASA宇航員登上「龍飛船」而準備的。從照片上可以看到,這個登船臂的設計非常現代化,看起來十分科幻。看到這條登船臂,我就會想起北京航天城航天員訓練中心牆壁上的那句話——從這裡走向太空

與國際空間站對接後,它將在那裡停留五天。此次飛船將為國際空間站宇航員提供大約180千克的物資供應,然後在3月8日離開時將研究樣本帶回地球。

如果這次無人試驗飛行能取得成功,將有助於美國宇航員往返國際空間站,逐步擺脫對俄羅斯載人飛船的依賴。

如果一切順利,2019年7月,載人龍飛船將正式執行載人任務,運送兩名美國宇航員前往國際空間站。這將是自2011年太空梭退役以來美國宇航員首次使用本國載人航天器前往國際空間站。載人龍飛船的首次載人發射任務將開啟載人航天新時代。

目前,美國宇航員前往國際空間站執行任務只能乘坐俄羅斯聯盟MS載人飛船,從2011年太空梭退役以來,票價一路飈升,現在的票價是8000萬美元/每位,NASA都看不下去了,坐地起價嘛這不是。

發射美圖,圖源見水印。

龍飛船Demo-2載人試飛任務將於7月進行,送兩名NASA宇航員進入國際空間站,而到正式任務時,另外兩名宇航員將執行飛行任務,屆時商業載人航天將進入新的歷史進程。對於SpaceX而言,這將是一次極其重要的測試,也是NASA載人航天項目成敗的關鍵時刻。

現在,隨著越多越多的私營公司加入載人航天的舞台,並將視線瞄準到太空旅遊、太空移民等領域,且在航天器研製、發射和回收等環節都取得重大技術突破,普通人的太空夢距離實現也越來越近。

雖然到現在,人類星際旅行的未來還在遠方,但一日千里的科技發展速度正快速推動著人類太空探索的發展,或許《流浪地球》中萬千枚火箭齊破天穹、數百艘載人飛船在國際空間站自由穿梭的畫面,將不再只是想像。

重要意義:一方面將刺激私營企業對航天產業的興趣,另一方面也將幫助美國擺脫對俄羅斯載人飛船的依賴。


有幸買到了現場的票。

https://www.bilibili.com/video/av45136910/

這怎一個壯觀了得。在距離僅6千米的觀景台觀看,還有2分鐘的時候熄燈,發射時什麼聲音都沒有甚至能聽見周圍人的呼吸聲音。然後伴隨著一個宛如太陽的亮光,LC-39A驟然點亮,沒有任何聲音,只是像日出一般緩緩升起照亮了凌晨2:49周圍的一切,宛如白晝。

19秒後身體感受到了巨大的轟鳴聲和衝擊波,獵鷹9火箭則拖著藍色的火光消失在視野里。

可惜本次是海上回收,僅僅目睹了遠方的再入點火沒有看到降落點火,不然會更壯觀。


還能怎麼看?

我來補充一些最近被「遺忘」的新聞:

1. 2018年11月26日,美國洞察號(InSight)探測器成功登陸火星,「運用地震調查、測地學與熱傳導對火星內部進行探測」(Interior Exploration using Seismic Investigations, Geodesy and Heat Transport,縮寫InSight)。

2. 2018年10月18日,旅行者1號距離太陽143.6 AU(2.15×10^10 km)的位置,是離地球最遠的人造物體。這台探測器是1977年9月5日發射的。截止到2019年3月3日,旅行者1號還有72.04%的鈈-238燃料(與剛發射時相比)。預計到了2050年,燃料約將剩餘56.5%。

3. 2018年12月10日,美國宇航局確認,旅行者2號已於2018年11月5日離開太陽系,成為第二個進入星際空間的人造物體。旅行者2號於1977年8月20日發射。

旅行者2號

4. 2019年2月22日,日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)的隼鳥2號探測器成功登陸小行星「龍宮」(Ryugu)。採集樣本後,計劃在2020年返航,將採集到的樣本送回地球。

而在更早的2010年6月13日,隼鳥1號成功採集小行星25143上的樣本,在澳大利亞內陸著陸。旅行了七年,穿越了六十億公里的路,是人類第一次從對地球有威脅性的小行星上採樣,第一個把小行星物質帶回地球的任務。

對了,小行星25143全長僅約 500 米。

隼鳥2號

5. 2019年1月1日,美國新視野號(New Horizons)探測器于飛越小行星486958,這是人類所探測的距離地球最遠的天體。

6. 2019年2月22日,以色列創世紀號探測器搭載獵鷹9號Block5從卡納維拉爾角發射升空,預計在4月11日在月球表面澄海著陸。如果著陸成功,以色列將成為繼俄、美、中之後第四個有探測器在月表著陸的國家。包括發射在內的整個項目的資金約1億美元。

創世紀 (航天器)月球著落概念圖

夫舊而能守,斯亦已矣!然鄙人以為人之處於世也,如逆水行舟,不進則退。」

-----梁啟超《蒞山西票商歡迎會學說詞》


美國的宇航成就:

有哪些令你深感震撼的照片或視頻??

www.zhihu.com圖標真空中羽毛和鐵塊下落速度是否一樣??

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