短命的“星座”：新一代空天飛船曇花一現(xiàn)

■肖東

“獵戶(hù)座”飛船（Orion）是美國(guó)航空航天局為“星座”計(jì)劃研發(fā)的新一代載人航天器，原定目標(biāo)是在2015年開(kāi)始載人到達(dá)國(guó)際空間站。該飛船計(jì)劃用同樣處于設(shè)計(jì)狀態(tài)的“戰(zhàn)神1”號(hào)運(yùn)載火箭來(lái)發(fā)射。這二者是美國(guó)“星座”計(jì)劃的一部分，旨在2020年將人類(lèi)再次送往月球，并接著征服火星等太陽(yáng)系內(nèi)目標(biāo)。

“獵戶(hù)座”飛船的外貌與“阿波羅”飛船相似，但內(nèi)部空間比“阿波羅”飛船大2.5倍，最多可容納6名宇航員，融入了電腦、電子、維生系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)及熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域的諸多最新技術(shù)。同航天飛機(jī)比，“獵戶(hù)座”飛船的使用成本更加低廉，安全系數(shù)也提高10倍，而且與航天飛機(jī)一樣可以回收再用。盡管它是美國(guó)新一代的載人飛船，但不少外界人士認(rèn)為，它深受早期“阿波羅”飛船的設(shè)計(jì)思路影響，甚至有人說(shuō)，它就是2.0版的“阿波羅”飛船。

“獵戶(hù)座”飛船是繼航天飛機(jī)計(jì)劃以后的另一個(gè)里程碑，也是太空探索方面的一大步。

“太空探索遠(yuǎn)景”計(jì)劃

2004年1月14日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的布什對(duì)外宣布了“太空探索遠(yuǎn)景”計(jì)劃，其中包括了當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“載人探索飛行器”的“獵戶(hù)座”飛船：

……我們的目標(biāo)是在2008年開(kāi)始開(kāi)發(fā)并測(cè)試新一代的航天飛船——載人探索飛行器，然后在2014年之前實(shí)施其首次載人航天任務(wù)。載人探索飛行器將可以替代屆時(shí)業(yè)已退役的航天飛機(jī)，將宇航員及科學(xué)家運(yùn)送至空間站中，但其主要目標(biāo)是將宇航員運(yùn)送到地球軌道之外的其他地方。這一飛船將是自“阿波羅”指令艙以來(lái)的首個(gè)同類(lèi)型航天載具。

“獵戶(hù)座”飛船完全替代了還在概念階段的軌道空間飛機(jī)，后者是之前X－33試驗(yàn)機(jī)計(jì)劃失敗后被提出來(lái)作為航天飛機(jī)的頂替方案。

2004年7月，邁克爾·格里芬被任命為美國(guó)航空航天局局長(zhǎng)之前，他以組長(zhǎng)之一的身份參與了一個(gè)行星學(xué)會(huì)的研究——將人類(lèi)送至更遠(yuǎn)的太陽(yáng)系空間，該研究為“星座”計(jì)劃提供了一個(gè)可負(fù)擔(dān)且可實(shí)現(xiàn)的實(shí)施策略，因此可以從中探知未來(lái)“獵戶(hù)座”相關(guān)計(jì)劃的可能發(fā)展方向。

根據(jù)執(zhí)行概述，該研究制訂了一個(gè)“分階段將人類(lèi)探索范圍延伸至低地球軌道空間以外”的方案，并具體建議分為如下三個(gè)階段：

第一，將重心放在開(kāi)發(fā)新一代載人探索飛行器、完成國(guó)際空間站以及退役過(guò)時(shí)的航天飛機(jī)之上。其中，在完成了國(guó)際空間站美國(guó)艙核心（需要六七次的飛行任務(wù)），以及滿(mǎn)足其他合作成員對(duì)完成國(guó)際空間站的需求所必須提供的最少附加分型任務(wù)之后，航天飛機(jī)將會(huì)盡快退役。航天飛機(jī)退役將會(huì)導(dǎo)致美國(guó)低軌道載人航天能力的缺失，而與此同時(shí)，退役所節(jié)省出來(lái)的資金將用來(lái)加快新一代飛行器的開(kāi)發(fā)計(jì)劃，以盡可能減少甚至消除這一空缺時(shí)間。

第二，必須開(kāi)發(fā)更多附加組件（包括提高運(yùn)載系統(tǒng)的功率以適應(yīng)需要飛行數(shù)月的行星際載人航天探索擴(kuò)展任務(wù)），以及居住艙、實(shí)驗(yàn)艙、燃料模塊和推進(jìn)模塊，以適應(yīng)將人類(lèi)運(yùn)送至月球、火星、拉格朗日點(diǎn)和某些近地小行星附近的目標(biāo)。

第三，載人行星著陸器的開(kāi)發(fā)將在本階段完成，以允許實(shí)施人類(lèi)登陸月球，進(jìn)而于2010年登陸火星的任務(wù)。

載人探索飛行器的原始計(jì)劃后來(lái)經(jīng)過(guò)了若干修改，這在美國(guó)航空航天局探索系統(tǒng)架構(gòu)中進(jìn)行了相關(guān)說(shuō)明。該研究建議2014年開(kāi)始進(jìn)行“獵戶(hù)座”的載人飛行任務(wù)，并認(rèn)同采用月球軌道集合的方法登陸月球。其中，低地球軌道版本的“獵戶(hù)座”飛船可以將4人～6人運(yùn)送至國(guó)際空間站。與此同時(shí)，還會(huì)發(fā)展一個(gè)類(lèi)似于俄羅斯“進(jìn)步”號(hào)飛船的無(wú)人貨運(yùn)飛船版本。

“獵戶(hù)座”的返回艙重達(dá)12噸，這幾乎是“阿波羅”指令艙的2倍。和“阿波羅”指令艙一樣，它也可以與一個(gè)服務(wù)模塊連接，以提供諸如生命維持以及飛船推進(jìn)等功能?！矮C戶(hù)座”的外殼類(lèi)型和“阿波羅”號(hào)的相似，而隔熱板則與“海盜”號(hào)類(lèi)似，這和航天飛機(jī)這種帶有機(jī)翼的結(jié)構(gòu)完全不同。需要特別說(shuō)明的是，它的燒蝕式隔熱板在每次使用過(guò)后便會(huì)拋棄，這與“阿波羅”的設(shè)計(jì)類(lèi)似，而返回艙本身則可以重復(fù)使用大約10次?！矮C戶(hù)座”的著陸方式被設(shè)計(jì)為在陸地上著陸，而不是在海上著陸。采用這類(lèi)著陸方式的還有俄羅斯的“聯(lián)盟”號(hào)飛船以及中國(guó)的“神舟”系列飛船。不過(guò)在緊急情況下，它也可以在水上著陸。目前已選定的可用著陸點(diǎn)包括加利福尼亞州的愛(ài)德華茲空軍基地、內(nèi)華達(dá)州的卡森平原以及華盛頓州的摩西湖市。在西部海岸選擇著陸點(diǎn)可以讓大部分的著陸路徑在太平洋上空，從而避開(kāi)了人口密集的地區(qū)。

正在返回地球的假想圖（返回艙)

“獵戶(hù)座”飛船與國(guó)際空間站接合假想圖

正在執(zhí)行任務(wù)的構(gòu)想圖

“獵戶(hù)座”飛船飛近月球的構(gòu)想圖

“戰(zhàn)神1”號(hào)在上升階段的構(gòu)想圖

航天飛機(jī)：一段歲月的記憶

登月任務(wù)的開(kāi)發(fā)原計(jì)劃在航天飛機(jī)退役后立即提速。其中的登月艙以及重型起飛推進(jìn)器會(huì)同時(shí)開(kāi)發(fā)，并且在2018年進(jìn)入可以執(zhí)行任務(wù)的狀態(tài)，并最終于2020年在月球表面著陸。登月艙比“阿波羅”登月艙大很多，可以攜帶重量高達(dá)23噸的載荷抵達(dá)月球表面。這么大的載荷重量，甚至可以用于支持長(zhǎng)期有人照料的月球基地。這一大載荷的特性，對(duì)于運(yùn)送大量物資和科研設(shè)備至月球表面基地來(lái)說(shuō)，是非常有意義的。

和“阿波羅”登月艙一樣，“獵戶(hù)座”的登月艙也包含降落和起飛二個(gè)過(guò)程。在起飛階段，登月艙可以搭乘4人至環(huán)月軌道。在這個(gè)基礎(chǔ)上，還會(huì)衍生出結(jié)構(gòu)近似的、用于火星任務(wù)的著陸器。

設(shè)計(jì)修改及更新

2006年7月下旬，美國(guó)航空航天局的第二次設(shè)計(jì)評(píng)審，導(dǎo)致了飛船設(shè)計(jì)的重大變化。起初，美國(guó)航空航天局想使用液體甲烷作為“獵戶(hù)座”飛船的燃料，但是因?yàn)榧淄椤鯕鈩?dòng)力的火箭技術(shù)還不成熟，而且需要在2012年發(fā)射“獵戶(hù)座”飛船，所以在2006年7月下旬批準(zhǔn)換成了自燃式推進(jìn)器。該決定使得美國(guó)航空航天局能在2011年前對(duì)“獵戶(hù)座”飛船和“戰(zhàn)神1”號(hào)火箭進(jìn)行安全評(píng)估，并且能夠填補(bǔ)航天飛機(jī)退役和第一次“獵戶(hù)座”飛船的載人飛行之間潛在的空缺。2007年4月20日，美國(guó)航空航天局和波音公司簽訂了“獵戶(hù)座”飛船合同的一項(xiàng)修改，更新后的合同將“獵戶(hù)座”飛船的設(shè)計(jì)時(shí)間延長(zhǎng)了2年，加入了“獵戶(hù)座”飛船發(fā)射中斷系統(tǒng)的飛行測(cè)試，并且刪除了為國(guó)際空間站運(yùn)送密封貨物的功能。在“獵戶(hù)座”飛船登月艙的最新設(shè)計(jì)中，服務(wù)模塊有一個(gè)外部的面板，它會(huì)在“戰(zhàn)神1”號(hào)運(yùn)載火箭的第二次點(diǎn)火階段后不久脫落。相比之前的結(jié)構(gòu)，這項(xiàng)設(shè)計(jì)會(huì)節(jié)省約450千克的重量。

飛船的結(jié)構(gòu)

“獵戶(hù)座”飛船載人及服務(wù)模塊的結(jié)構(gòu)包括二個(gè)主要部分：一個(gè)圓錐形的載人艙和一個(gè)圓柱形的服務(wù)艙。后者除了提供飛船的推進(jìn)動(dòng)力之外，還提供額外的供給。這二者都是在1967年—1975年執(zhí)行任務(wù)的“阿波羅”飛船命令及服務(wù)模塊的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，除此以外，還參考了航天飛機(jī)計(jì)劃中衍生出來(lái)的新型技術(shù)。探索系統(tǒng)任務(wù)部綜合辦主任尼爾·伍德沃德認(rèn)為，“使用現(xiàn)有技術(shù)和解決方案能降低風(fēng)險(xiǎn)”。

“獵戶(hù)座”飛船的載人模塊計(jì)劃由洛克希德·馬丁公司建造。它的形狀與“阿波羅”號(hào)指揮艙類(lèi)似，是一個(gè)頂角為57.5°的圓臺(tái)體。其投影直徑為5.02米，長(zhǎng)度為3.3米，重8.5噸。它的總體積是“阿波羅”號(hào)的2.5倍，內(nèi)部空間容積約為5.9立方米，可以容納4名～6名宇航員。與之對(duì)比，“阿波羅”飛船的載人模塊只能搭載3名人員，但航天飛機(jī)則可搭載7名人員。雖然“獵戶(hù)座”飛船采用了與20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的“阿波羅”飛船相近的設(shè)計(jì)理念，但其載人模塊將會(huì)使用數(shù)項(xiàng)較為完善的技術(shù)，包括：衍生于波音787飛機(jī)駕駛艙的“玻璃駕駛艙”數(shù)字化控制系統(tǒng)；類(lèi)似俄羅斯“進(jìn)步”號(hào)飛船和歐洲自動(dòng)運(yùn)載飛船的自動(dòng)對(duì)接系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在緊急情況下由宇航員全權(quán)控制；改進(jìn)過(guò)的廢棄物管理設(shè)備，包括一個(gè)微型野營(yíng)式馬桶以及一個(gè)在航天飛機(jī)和國(guó)際空間站中已投入使用的不分性別的“便溺管”；一個(gè)氮?dú)?氧氣混合空氣環(huán)境，保持海平面的大氣壓；一個(gè)比之前任何載人飛船更加先進(jìn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

載人模塊的另一個(gè)特性是可以部分重復(fù)使用。美國(guó)航空航天局計(jì)劃讓每一個(gè)載人模塊能夠執(zhí)行最多10次飛行任務(wù)，以便能形成包含載人及無(wú)人駕駛的“獵戶(hù)座”飛船船隊(duì)。無(wú)論是載人模塊還是服務(wù)艙，都將使用鋁合金來(lái)建造，這種材料已被應(yīng)用于航天飛機(jī)的外部燃料箱、德?tīng)査?運(yùn)載火箭以及宇宙神－5運(yùn)載火箭的建造上。

為了使“獵戶(hù)座”飛船能夠與國(guó)際空間站或者其他星際飛船對(duì)接，對(duì)接系統(tǒng)采用了新的低沖擊對(duì)接系統(tǒng)設(shè)計(jì)。飛船及對(duì)接接合器均設(shè)置了“水星”號(hào)和“阿波羅”號(hào)上所使用的發(fā)射逃逸系統(tǒng)，以及源自“阿波羅”飛船的玻璃纖維推進(jìn)器保護(hù)罩。升空過(guò)程中的前2%時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)問(wèn)題，這些裝置將保證載人模塊安全逃逸。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研究，美國(guó)航空航天局決定選用低密度碳化燒蝕材料作為重返大氣層時(shí)的隔熱材料。低密度碳化燒蝕材料是由玻璃纖維及酚醛樹(shù)脂構(gòu)成的蜂窩結(jié)構(gòu)，其中填充以石英纖維。該材料曾在“阿波羅”計(jì)劃中使用，并用在航天飛機(jī)早期飛行任務(wù)中特定的部位。

然而，天有不測(cè)風(fēng)云。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在2010年2月1日正式提議取消“星座”計(jì)劃，理由是這一計(jì)劃“超預(yù)算、進(jìn)度落后而且缺乏新意”。有關(guān)法案于同年10月成為法律，包括“獵戶(hù)座”飛船在內(nèi)的“星座”計(jì)劃宣告終結(jié)，但相關(guān)技術(shù)很可能用于未來(lái)的太空探索計(jì)劃。

人類(lèi)邁向宇宙的步伐不會(huì)停止，對(duì)未來(lái)的宇宙飛船，我們拭目以待。