緊急救護飛船：有翼航天器的希望

□ 張雪松

緊急救護飛船：有翼航天器的希望

□ 張雪松

國際空間站是目前人類建造的最大、運行時間最久的的載人航天器，目前常駐6人，大約每半年輪換一次。航天員在天上也成不了不食人間煙火的仙人，同樣會生病，甚至可能出現(xiàn)嚴重疾病，萬一真的出現(xiàn)重病怎么辦呢？現(xiàn)有的“聯(lián)盟”號載人飛船，甚至未來的載人“龍”飛船和“星際線”飛船都存在過載較大的問題，所以一些美國工程師提出了一個獨特的方案，以成功的X-37B無人航天器為基礎，研制國際空間站救護飛船。

救護飛船概念的提出

我們對救生飛船的概念都并不陌生，無論是“聯(lián)盟”號飛船或是X-38飛船都有這樣的用途。國際空間站是人類在太空最大的“家園”，但這一人造航天器也可能發(fā)生嚴重故障，或是被太空垃圾擊中失效，需要航天員緊急逃生。救生飛船只考慮了航天器硬件的情況，“聯(lián)盟”號飛船還可以應付，但如果航天員本身出現(xiàn)問題，比如患上疾病急需送回地面怎么辦呢，這種情況下“聯(lián)盟”號飛船并不是合適的選擇。

航天員在太空飛行中患上疾病并不罕見，根據(jù)人類現(xiàn)有的載人航天史的數(shù)據(jù)積累，假定國際空間站采用7人制乘組編制，那么每2.4年可能發(fā)生一次2級醫(yī)療事件，同樣的情況下3級醫(yī)療事件的發(fā)生幾率為15年內1到3次。2級醫(yī)療事故以心律失常和肺炎為代表，3級醫(yī)療事件包括諸如視網(wǎng)膜脫落以及急性闌尾炎等病癥。如果發(fā)生這樣的急性疾病，國際空間站上并沒有合適的醫(yī)療手段，必須運回地面處理，但現(xiàn)有天地往返的運載工具比如“聯(lián)盟”號、載人“龍”飛船或是“星際線”飛船，實在不是一個合適的選擇。以“聯(lián)盟”號飛船為例，返回艙容積約4立方米，航天員在內部十分擁擠，更糟糕的是飛船再入和著陸的過載很大，半升力的典型再入過載是4g～5g，如果出現(xiàn)控制失誤以純彈道方式再入，過載更是高達8g，本來就身染重病的傷員，如何經(jīng)得起這樣的摧殘呢?！奥?lián)盟”號飛船雖然很多年沒有出過船毀人亡的災難性事故，但小問題卻不少，早期統(tǒng)計乘坐“聯(lián)盟”號天地往返的24名美國航天員中就有9人受傷，這種安全性更是病人無法承受的。姑且不論未來人類在太空中工作生活規(guī)模的擴大，僅僅是國際空間站本身的傷患救護就是個大問題，怎么辦呢？新救護飛船概念浮出水面，它們利用升力可以做到較低的過載，更適合運送傷患航天員返回地面。

美國航空航天學會（AIAA）召開的2016年航天會議上，長灘會議中心的羅賓遜等人提出了一個獨特的概念：在X-37B小型航天飛機的基礎上為國際空間站研制急救護飛船！其實這并非全新的概念，技術人員早就知道有翼/升力體航天器低過載的優(yōu)勢，只不過人類載人航天規(guī)模一直不大，病患應急返回并沒有提上日程，但有翼航天器低過載再入的優(yōu)勢卻早已得到認可。

HL-20從“自由”號空間站返回

美國航天員約翰·格倫1998年可以以77歲高齡再次進入太空

狹窄的“聯(lián)盟”號飛船返回艙

低過載航天器的歷史

神舟十一號飛船剛剛返回，它使用鐘形返回艙，但并非像早期返回式衛(wèi)星那樣彈道式再入，而是具有一定的升力，屬于半彈道式飛船。盡管如此，諸如“聯(lián)盟”號和神舟這樣的飛船在返回問題上仍然很麻煩，飛船落點誤差較大，每次直升機搜索都要大費周章，更糟糕的是，半彈道再入時飛船的過載仍然不小，這就要求航天員進行足夠的訓練，制約了選材范圍。要讓更多的人往返太空，不僅需要發(fā)展可重復使用的火箭降低發(fā)射成本，降低再入過載放寬對航天員的要求，也是一個重要因素。

俄羅斯的“聯(lián)盟”號飛船和我國的神舟飛船，以及美俄新一代的“獵戶座”飛船、載人“龍”飛船、“星際線”飛船和“聯(lián)邦”飛船都是半升力的飛船，新一代飛船的落點精度大有提高，但過載仍然較大。有沒有辦法降低過載呢？其實早就有了，早在35年前的1981年，美國航天飛機就首次發(fā)射升空，再入滑翔數(shù)千千米后在肯尼迪中心的機場降落。航天飛機的再入過載較小，所以美國航天員約翰·格倫1998年可以以77歲高齡再次進入太空。遺憾的是，隨著美國載人航天重點轉向深空，2011年航天飛機退役，美國航天局官方的“獵戶座”飛船以及商業(yè)航天的載人“龍”飛船和“星際線”飛船取而代之。

成功投入運行的低過載航天器只有航天飛機一種，但是航天飛機絕非工程師們的唯一夢想。美國曾計劃研制“戴納索”軍用助推-滑翔小型航天飛機，蘇聯(lián)針鋒相對地提出了螺旋計劃，并發(fā)射BOR-4縮比飛船進行試驗。升力體BOR-4的設計還影響到美國人，產(chǎn)生了HL-20人員發(fā)射系統(tǒng)的概念。HL-20將是一種低運營成本、高可靠性和安全性的航天器，可作為航天飛機的載人備份，以及“自由”號空間站的救生飛船。由于“自由”號空間站的取消，以及研制開銷太大，最終HL-20項目被迫取消。盡管如此，對這類有翼或升力體飛船的需求從未消失，這類飛船具有很低的過載，不僅可以運送更“嬌貴”的載荷物資，更可以放寬對航天員身體的要求，是救生和救護飛船的首選。

上圖：1995年美國航宇局決定研制一種升力體救生飛船，這就是著名的X-38

左圖：“追夢者”飛船不僅具有很好的復用能力和自動著陸能力，飛行中過載很低，非常適合運送航天員和載荷返回地球

遠去的X-38和“追夢者”

20世紀90年代隨著“自由”號空間站的后繼“阿爾法”空間站（也就是國際空間站）項目的進行，救生飛船再一次提上日程。1995年美國航宇局決定研制一種升力體救生飛船，這就是著名的X-38。X-38飛船由軌道科學公司負責研制，它具有很長的在軌飛行時間，一些說法認為可達4000天（約11年），不過獨立飛行時間只有7小時，是貨真價實的救生飛船。它最優(yōu)秀的特征是低過載再入，以及全自動著陸能力。

X-38的研制更多地考慮了原有飛船的不足，比如俄羅斯的“聯(lián)盟”號飛船在軌飛行時間只有180天，每半年必須更換一次，而且“聯(lián)盟”號飛船載人只有3人，至少需要兩艘飛船才能保證救生。X-38飛船設計上是一種乘員返回飛行器，它可以運送7名航天員全自動再入大氣層，減速后在12000米高度展開翼傘，此外它底部還裝有滑橇裝置進行著陸。X-38飛船的研制比較順利，但國際空間站預算面臨嚴重超支，美國航宇局不得不在完成約90%的研制工作后，于2002年被迫放棄了X-38救生飛船項目。

目前國際空間站使用“聯(lián)盟“號飛船進行天地往返和應急救生任務，未來還會增加載人“龍”和“星際線”飛船，新飛船即使增加了載人數(shù)量，外加反推精確著陸的新技術，但再入過載大，始終令人不太滿意。無數(shù)航天愛好者們扼腕嘆息，認為美國航宇局的商業(yè)載人航天計劃放棄載人的“追夢者”飛船并非明智的選擇?！白穳粽摺憋w船基于HL-20人員發(fā)射系統(tǒng)展開進一步研制，它贏得了美國航宇局CCDev項目的合同，在進一步的CCiCap項目中也倍受青睞，遺憾的是美國航宇局2014年9月最終選定CCtCap的兩家獲勝者時，保守地選中了載人“龍”和“星際線”飛船，升力體的“追夢者”飛船最終落敗。即使如此，開發(fā)商內華達山脈公司仍進一步推動“追夢者”飛船的研制，并表示看好“追夢者”飛船的應用，尤其是升力體機體復用和低過載再入帶來的獨特優(yōu)勢?！白穳粽摺憋w船不僅具有很好的復用能力和自動著陸能力，飛行中過載很低，非常適合運送航天員和載荷返回地球。

借尸還魂的救護飛船

國際空間站航天員傷患的救護問題已經(jīng)浮出水面，而航天飛機早已退役，“追夢者”飛船也落標，現(xiàn)在航天員如果遇上視網(wǎng)膜脫落以及急性闌尾炎等嚴重疾病，除了硬挺就只能靠“聯(lián)盟”號這樣并不安全的飛船碰運氣了。為什么不研制專用的醫(yī)療救護飛船呢？

傷患救護的任務對救護飛船提出了很多獨特的要求：傷患病人不可能一個人返回地面，至少需要一個隊醫(yī)陪同；返回速度必須足夠快，神舟號飛船歷次任務那樣隔一天才落地或是現(xiàn)在“聯(lián)盟”號飛船這樣當天落地，都有些太慢了，美國人認為必須在3小時內完成從國際空間站脫離到著陸的全程。此外在軌飛行時間也要足夠長，“聯(lián)盟”號飛船那樣半年的壽命是不行的，羅賓遜認為對接國際空間站在軌飛行時間至少要高于2年，以降低救護飛船的使用成本；作為一種運送傷病員的救護飛船，它還要求再入著陸的過載盡可能小，以及可以運送仰臥姿態(tài)的患者，另外還要保證仰臥姿態(tài)的傷病員在飛行期間可以得到醫(yī)療護理；飛船除了可以在政府和軍隊機場跑道著陸，還要具備在商業(yè)機場著陸的能力，并具備著陸后第一時間取出船員的能力。根據(jù)這些需求，無論是現(xiàn)役的“聯(lián)盟”號飛船還是即將誕生的載人“龍”或“星際線”飛船，都不適合改裝為醫(yī)療救護飛船，它們不是無法快速返回地面，就是再入過載太大，或是著陸精度不佳。

X-37B再入

X-37B

X-37UCD乘員艙模型

羅賓遜等人對此提出了新的方案：既然美國空軍X-37B小型航天飛機在多次飛行中表現(xiàn)不錯，何不以此為基礎研制救護飛船呢。羅賓遜提出的X-37救護飛船（X-37UCD）改動不大，但它并非把X-37B的貨艙直接換成載人艙那么簡單。首先它拋棄了X-37B的四氧化二氮+甲基肼的有毒推進劑，以防對航天員造成意外的傷害；其次它無需X-37B那樣強大的機動能力，只需要基本的減速再入能力，所以飛船提供的速度增量只有135米/秒；最后，為了滿足救護飛船多人返回，尤其是運送仰臥狀態(tài)傷病員的需要，它的載人艙長度從X-37B貨艙的2.1米增加到4米，內部容積增加到4.2立方米。X-37UCD飛船使用成熟和得到檢驗的X-37B飛行器為基礎，具有很高的人員安全性，具備人員快速進出能力，可以滿足多種醫(yī)療救護任務的特殊需求。

航天飛機的再入下降和著陸過程的過載最高不過1.6g左右，X-37UCD飛船經(jīng)過專門設計后還可以進一步降低到1g左右，從而為傷病航天員提供最舒適的返回過程。X-37UCD飛船的3人制乘員艙備選4種配置方式。第一種方式中駕駛員相對獨立，乘組醫(yī)生可以從左右兩邊對病人進行護理，但無法對病人進行全身護理，而且病人的腿伸直后沒有多余空間。第二種方式中病人的腿部有充足的活動空間，也可以左右側對病人進行護理，但仍無法做到全身護理，而且駕駛員失去獨立空間，病人的出入也不方便，還可能承受更大的過載。第三種方式具備第一種方式的優(yōu)點，不過配置上更為緊湊，不僅實現(xiàn)了乘組醫(yī)生對病人進行全身護理，而且病人進出飛船更方便；不過由于病人位于醫(yī)生的一側，無法對另一側進行有效的醫(yī)療護理，而且艙內的空間利用有點浪費。第四種方式中，艙內人員空間配置更為緊湊，為病人提供了充足的腿部活動空間，可以對病人進行全身護理，但是病人的出入不太方便，承受的過載可能更大，此外駕駛員也沒有獨立空間。綜合可能遇到的各種因素，羅賓遜等人傾向于第三種空間配置方案，并制作乘員艙模型進行了初步試驗。為了盡快進出飛船，研究人員還討論了進出艙口的設置位置，綜合熱防護系統(tǒng)的連續(xù)性、主發(fā)動機和姿控發(fā)動機位置、接近和對接選擇以及飛船內部結構，選中了尾部艙口方案。

X-37UCD方案目前已經(jīng)完成了人員配置，出艙口位置選擇等工作，制造了縮比例和全尺寸模型進行試驗，并開始初步的內部容積評估。不過這只是X-37UCD概念萬里長征的第一步，將來它還需要進行更多的模擬實驗，并對飛船的電力系統(tǒng)、推進系統(tǒng)以及環(huán)境控制和生命保障系統(tǒng)進行更多的研制工作。

按照計劃，2024年國際空間站將退役，如果沒有更多的載人航天工作，X-37UCD救護飛船恐怕只能停留在紙面上。即使2024年后國際空間站商業(yè)化，商業(yè)航天公司為了省錢恐怕也只會使用載人“龍”飛船或“星際線”飛船。2022年后中國的空間站即將全面建成使用，而它的設計壽命大于10年。為了給航天員提供更好的醫(yī)療保障，類似X-37UCD的方案對于中國載人航天來說倒是很有必要的。