太空拖船：助力航天器實現(xiàn)高效變軌

文/遲惑

在幾乎每一個海港里，我們都可以看到一種奇異的船只。它們個頭不大，有高高的艏樓和地坪的尾部。這些船裝著超大功率的發(fā)動機，它們自己不能載貨也不能載人，卻能拖著巨輪進進出出，這就是拖船。如今在太空里，也有它們的兄弟了。這些太空拖船，說不定還能把飛船拖到月球和火星上去呢。

最近，法國商業(yè)航天創(chuàng)業(yè)公司ExoTrail贏得了法國2030投資計劃中一份價值數(shù)百萬歐元的合同。根據(jù)這份合同，ExoTrail要在2024年證明其軌道轉(zhuǎn)移工具——“太空貨車”具備改變衛(wèi)星高度的能力，并在2025年執(zhí)行一次在軌投送任務(wù)，將一顆微小衛(wèi)星從星箭分離點提升至更高的最終工作軌道。ExoTrail將這樣的軌道轉(zhuǎn)移服務(wù)稱為“太空運送”。

這里的“太空貨車”與我們所說的“太空拖船”其實是一回事。雖然“太空貨車”的叫法也很形象，但是貨車需要在人造的公路上跑才能實現(xiàn)運貨功能；而與陸地相比，太空更像茫茫無際的海洋，太空里的運輸工具在太空航線上運行，自然叫“太空拖船”更貼切。

▲ 發(fā)射器公司的太空拖船也是部署器性質(zhì)

太空拖船是啥概念

變軌發(fā)動機的閑置

在傳統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射當中，經(jīng)常會遇到變軌的需求，也就是改變衛(wèi)星的軌道。有的時候，火箭只能把衛(wèi)星送到某一個高度或者傾角，然后衛(wèi)星要靠自己的發(fā)動機，逐步前往預(yù)定軌道。在發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星的時候，這樣的案例最為明顯。

另外在有些時候，一顆衛(wèi)星在某個軌道上完成了任務(wù)，就要機動到另外一個軌道上去。當衛(wèi)星徹底完成了自己的使命，準備退休的時候，還需要把自己拖到墓地軌道上，把軌道位置讓給自己的繼任者，同時也避免成為軌道垃圾。

在傳統(tǒng)上，這樣的工作都要靠衛(wèi)星自己攜帶的發(fā)動機來進行。靜止軌道衛(wèi)星上的遠地點發(fā)動機，就是用來將衛(wèi)星從同步轉(zhuǎn)移軌道送往靜止軌道的設(shè)備。

但是衛(wèi)星自己攜帶這么大的變軌發(fā)動機是很重的負擔(dān)。在發(fā)射的時候，它是作為衛(wèi)星的一部分用火箭來送進太空的。在衛(wèi)星飛行的絕大多數(shù)時間里，變軌發(fā)動機都是處在閑置的狀態(tài)。軌道保持的任務(wù)，也并不一定需要大推力的變軌發(fā)動機。等到衛(wèi)星壽命結(jié)束，它又要隨著衛(wèi)星一起前往墓地軌道。終其一生，發(fā)揮作用的時間也沒有多少。變軌發(fā)動機還需要攜帶相當數(shù)量的燃料，當衛(wèi)星壽命結(jié)束，如果燃料還沒有用完，就白白浪費掉了。

▲ 馬丁-瑪麗埃塔公司的拖船方案

太空拖船概念的出現(xiàn)

▲ 脈沖航天公司提出的拖船方案

要知道，人類送進太空的每一克重量都是非常寶貴的。能不能有一種辦法，把變軌發(fā)動機和衛(wèi)星分離開來，用其他的航天器把它們拖到要去的軌道上呢。宇航科學(xué)家們一直在考慮一種太空拖船的概念，也就是把一種具有強大推力的航天器部署在軌道里。它沒有通信、遙感或者導(dǎo)航載荷，唯一的用處就像港口的大馬力拖船一樣，幫助其他船只進港和離港，也可以搶救故障的船只。

于是乎，商業(yè)太空拖船成了這幾年的一項新興業(yè)務(wù)。如果我們搜索航天媒體的關(guān)鍵詞“Space tug”，就會出現(xiàn)幾個名不見經(jīng)傳的企業(yè)，比如澳大利亞的“太空機器公司”、美國的“太空飛行公司”、“向量公司”等等。

但很少有人知道，太空拖船的概念早在上世紀40年代就出現(xiàn)了。埃里克·弗蘭克·羅素在1942年的短篇小說《描述一個圓》中發(fā)明了這個概念。這篇小說沒有中文版，作者本人也名不見經(jīng)傳。不過，space tug這個詞匯確實是他發(fā)明的。也有人認為是二戰(zhàn)后科幻作家默里·萊恩斯特提出了這個概念，他出版了一部小說就叫做《太空拖船》，是《太空平臺》的續(xù)集。不過看來，羅素的想法確實更早一些。

在《描述一個圓》這篇小說里，羅素想象了一艘采用四溴化鈾作為核燃料的宇宙飛船新澤西號，它試圖進入赫克特小行星上的殖民地。這顆小行星是木星最大的特洛伊小行星。但是按照小行星殖民地的法律，外來飛船不能在距離100千米的軌道上開啟發(fā)動機，所以殖民地派遣了一艘核動力拖船布魯圖斯號前來接應(yīng)。布魯圖斯號采用核熱火箭發(fā)動機，核裂變材料密封在一個熔融石英室中，所以被稱作核燈泡。羅素還很貼心地設(shè)想了兩艘核動力飛船的對接方式，必須是鼻子對鼻子，裝有反應(yīng)堆的動力部分必須處在遠端的防護罩后面，不能直接面對駕駛艙。

▲ 太空拖船可以用來清理軌道碎片

按照這些早期概念，太空拖船是有人駕駛的小型飛船，配備了不成比例的超大型發(fā)動機和機械手，這與港口的拖輪概念一模一樣。拖船有兩種方式來驅(qū)動自己的服務(wù)對象。如果是推動，船頭就要設(shè)置一個巨大的推板，其中有一個結(jié)構(gòu)件核心，把發(fā)動機的推力傳遞給推板。如果是拖拽，船尾會有纜繩和絞車，發(fā)動機要傾斜一定的角度向后噴射，這樣不會燒壞被拖拽的航天器。但是這種情況下要損失一點推力。

太空拖船的定義

到了今天，太空拖船的定義就更加清晰了，它是一種航天器，可以把太空里的物體從一個軌道轉(zhuǎn)移到另一個軌道。例如，將航天器從低地球軌道（LEO）移動到高軌道，如地球靜止轉(zhuǎn)移軌道、月球轉(zhuǎn)移軌道或逃逸軌道。

▲ 太空機器公司提出的拖船方案

▲ 太空拖船一般采用離子發(fā)動機

一般來說，太空拖船指的是可重復(fù)使用的天基飛行器。有些人把火箭上面級也叫做太空拖船。上面級是運載火箭的一部分，在很多時候都是用來實施一箭多星發(fā)射任務(wù)的，比如中國的遠征一號上面級、美國的半人馬座上面級、俄羅斯的微風(fēng)上面級。但是上面級的使用時間也是有限的，當所有的衛(wèi)星都進入了預(yù)定軌道，上面級的任務(wù)就完成了，而這個時候上面級的絕大多數(shù)部件包括結(jié)構(gòu)、燃料儲罐、推力器、姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)都處在完好的狀態(tài)，就這樣扔在太空里實在有點浪費。還有一種新概念航天器，也被支持者們歸入太空拖船的行列，那就是諾斯羅普-格魯曼公司首發(fā)的地球靜止軌道衛(wèi)星延壽器MEV。它所采用的技術(shù)和太空拖船有很多相似之處。

但火箭上面級和衛(wèi)星延壽器這些航天器和我們這個專題的主題有所差異。我們所討論的，僅是那種把航天器在不同軌道甚至不同星體之間拖來拖去的設(shè)備，拖拽到位，兩者就分手了，就像港口的大馬力拖船一樣。所以在這個專題里，我們就不討論上面級和衛(wèi)星延壽器了。

現(xiàn)實需求呼喚太空拖船

“太空拖船即服務(wù)”

進入21世紀后，試圖開展太空拖船研制的企業(yè)很多。俄羅斯能源公司于2005年提出了一種名為Parom的太空拖船概念。當時俄羅斯正在考慮研制“快帆”新一代載人飛船。有了Parom拖船，“快帆”可以不帶燃料上天，進入轉(zhuǎn)移軌道后靠拖船送到國際空間站。這樣可以降低發(fā)射成本。2015年，洛克希德·馬丁公司向美國宇航局提出了一個名為“木星”太空拖船的概念方案，該方案基于洛克希德·馬丁公司的兩個早期航天器“火星大氣和揮發(fā)性演化任務(wù)”和“朱諾”的設(shè)計，安裝一個加拿大MDA公司的機械臂。不過美國宇航局沒有為它提供資金，洛克希德·馬丁公司也就放棄了。

▲ 為核動力提供備份的太陽電池

這幾個型號沒有成功，是因為在航天發(fā)射還不算太頻繁，商業(yè)發(fā)射市場并不成熟的時候，太空拖船找不到足夠的客戶，也就沒有了研制和運行的基礎(chǔ)。

如今隨著各種火箭頻繁發(fā)射，宇航發(fā)射越來越接近于航班化運行。獵鷹9號火箭已經(jīng)實現(xiàn)了每年超過40次的發(fā)射，幾乎每個星期都能發(fā)射一次，未來有可能實現(xiàn)一個星期發(fā)射兩次，那么再加上其他國家正在研制的有希望實現(xiàn)航班化飛行的火箭，在今后幾年時間里，很可能出現(xiàn)一天發(fā)射好幾次火箭的情況。

對于火箭發(fā)射來說，比較理想的方式就是把衛(wèi)星統(tǒng)一送到某一個軌道面上，再用別的辦把衛(wèi)星送往預(yù)定軌道，這樣可以極大地提高火箭飛行的效率。如果有一種長期在軌運行的拖船，不停地從原始軌道把衛(wèi)星拖到各自的預(yù)定軌道上，那不就成了一門有利可圖的生意嗎？

在很多海港里，就有這樣的服務(wù)。很多大型船只在靠港或者離港的時候，因為船身龐大、操作不靈，容易發(fā)生碰撞事故，這時候就需要拖船來把它們準確送到預(yù)定位置。如果船只在海上發(fā)生事故，也需要拖船去搶救。一些失去動力的船想要長途航行，只能靠大馬力拖船來拉著走。當船只報廢，要進入拆船廠，同樣需要拖船把船只推到海灘上。太空拖船正好可以承擔(dān)同類任務(wù)，只是場景換到了太空里而已。

▲ 夏爾巴人太空拖船更類似于上面級

▲ 在軌服務(wù)有時也被歸于拖船類

從航天技術(shù)本身的角度來說，這相當于設(shè)置了一個長期在軌運行的上面級，可以分享給很多的衛(wèi)星來使用，每顆衛(wèi)星的業(yè)主只需要支付自己那一段航程就可以了，而不用買一套完整的變軌發(fā)動機系統(tǒng)或者上面級，想起來還是蠻劃算的。

于是乎，有不少新興企業(yè)提出了一種“太空拖船即服務(wù)”的概念，希望能讓衛(wèi)星業(yè)主在部署和維護衛(wèi)星方面擁有更大的靈活性。

像擺渡車一樣服務(wù)

太空拖船的市場需求，號稱是商業(yè)化最后一英里交付服務(wù)。美國太空飛行公司的工程副總裁菲爾·布拉肯說：“太空拖船有潛力從根本上改變小型衛(wèi)星市場。有了這種服務(wù)，此前一度無法到達的軌道，對衛(wèi)星業(yè)主就是可行的選擇，能夠滿足日益增長的市場對軌道多樣化的需求。”

最近幾年，有大量的小衛(wèi)星入軌，但大多數(shù)小衛(wèi)星客戶都只是在進行技術(shù)演示驗證。有一些大規(guī)模星座的業(yè)主會購買大型火箭服務(wù)來部署星座。但是很多小衛(wèi)星必須達到非常特殊的軌道，才能獲得最佳的創(chuàng)收服務(wù)。這種“極端的最終軌道狀態(tài)”，無論是搭載發(fā)射服務(wù)、拼車發(fā)射服務(wù)，還是專用小型運載火箭都無法實現(xiàn)，這就給太空拖船提供了機會。

另外，為減少空間碎片，報廢衛(wèi)星的脫軌問題，也對太空拖船提出了需求。一部分企業(yè)已經(jīng)表示，要提供從搖籃到墳?zāi)狗?wù)的太空拖船服務(wù)。

比如美國太空飛行公司開發(fā)了一種叫“夏爾巴人”的系統(tǒng)。它其實是一種類似于上面級的型號，帶有推進和電力系統(tǒng)。2018年12月，“夏爾巴人”搭乘獵鷹9號火箭首飛，部署了來自17個國家的64顆小型衛(wèi)星。但它更接近于上面級，而不是反復(fù)使用的拖船。

▲ 向量航天公司正在設(shè)法降低自己的方案成本

意大利空間物流和運輸公司D-Orbit開發(fā)了InOrbit NOW（ION）衛(wèi)星載體。2022年5月25日，該公司在獵鷹9號火箭的Transporter-5任務(wù)中搭載發(fā)射了第六顆飛行器“無限藍”。

有了太空拖船，衛(wèi)星在發(fā)射后進入某個等待軌道，然后用拖船送到預(yù)定軌道。有了這樣的服務(wù)，業(yè)主可以減小衛(wèi)星的自身變軌能力，甚至完全不考慮變軌能力，完全依靠拖船，以此來降低成本。

“太空拖船有潛力從根本上改變小型衛(wèi)星市場，”太空飛行工程副總裁菲爾·布拉肯說?！坝辛嗽谲壨七M能力，由于成本或推進能力，一度無法到達的軌道將是可行的選擇，可滿足日益增長的市場對軌道多樣化的需求。”

電火箭與核動力

既然是長期運行的拖船，那么就不可能采用那種很快就消耗完的化學(xué)燃料，比如說無水肼之類的。太空拖船需要一種能夠使用好幾年也不用補充耗材的能源方式。到目前為止，有兩種技術(shù)手段可以實現(xiàn)這樣的要求，第一種就是電火箭發(fā)動機，第二種是核動力發(fā)動機，當然這兩種技術(shù)之間可能存在交叉。電火箭發(fā)動機是我們非常熟悉的，它依靠太陽能或者核能提供電力，通過高速噴射離子的方式來產(chǎn)生推力。這種發(fā)動機的問題是推力比較小，比如說一兩牛頓，用它來拖帶衛(wèi)星，可能需要消耗比較長的時間，適合于那種不著急讓衛(wèi)星投入使用的客戶。核動力也有兩種，一種是用同位素電池來發(fā)電，提供給離子發(fā)動機使用；另一種就是核熱火箭發(fā)電機，它通過反應(yīng)堆把水之類的介質(zhì)加熱到氣態(tài)，具備很高的壓力，然后用每秒9000多米的速度噴射出去。核熱火箭發(fā)動機的比沖雖然比離子發(fā)動機要小很多，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的總推力是非?？捎^的。比如俄羅斯提出的VASIMR等離子體火箭，只需9噸氬氣推進劑即可往返月球，將34噸貨物從低地球軌道運送到低月球軌道。

太空拖船怎么才能把衛(wèi)星拖走，同樣是一個需要解決的技術(shù)問題。如果僅僅是打算把一顆衛(wèi)星拖到墓地軌道上報廢，那么在拖船上裝一套機械手就可以了，用機械手不分青紅皂白地抓住舊衛(wèi)星，啟動發(fā)動機就可以啟航了，但是如果要把新衛(wèi)星送到工作軌道上，機械手的粗暴操作很可能就會損壞衛(wèi)星。因此必須要為后一種用途設(shè)計標準化的接口，將拖船用機械臂或者其他的連接器與受服務(wù)的衛(wèi)星穩(wěn)妥地連接在一起，再拖著它前往預(yù)定軌道。這實際上就是一種合作目標的空間交會對接。在這個問題上，載人航天器的艙段對接能夠為我們提供很多技術(shù)參考，特別是空間站的機械臂和艙段部件之間采用了標準化的接口，為機械臂進行艙段轉(zhuǎn)位提供了良好的條件。

如果太空拖船要為整個航天產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)，那么業(yè)界就必須統(tǒng)一出一種普遍適用的接口標準來。目前這項工作還沒有完全提上議事日程。按照產(chǎn)業(yè)的一般規(guī)則，這件事需要通過商業(yè)競爭來決定。