并未“變現(xiàn)”的波音和美國(guó)宇航局登月拖船

文/遲惑

美國(guó)宇航局與俄羅斯航天局都提出過(guò)一些真正宏大的太空拖船概念。其中很多概念早在上世紀(jì)六七十年代就出現(xiàn)了。它們的用途是在地球和月球之間轉(zhuǎn)運(yùn)貨物和人員。雖然這類拖船至今也沒(méi)有變成現(xiàn)實(shí)，但是隨著人類探月活動(dòng)的開展，地月拖船的理念又開始受到重視。美國(guó)宇航局的科學(xué)家就曾提出：月球太空拖船是低地球軌道和地月軌道間棲息地之間的橋梁。

根據(jù)《全球探索路線圖》，月球是人類探索火星的第一站。根據(jù)國(guó)際空間站的經(jīng)驗(yàn)，需要開發(fā)一個(gè)地月門戶空間站。為了建造和維持這個(gè)空間站，美國(guó)已經(jīng)開發(fā)了獵戶座飛船、SLS火箭。但是考慮到地月門戶空間站的日常運(yùn)行，特別是涉及所有無(wú)人或后勤任務(wù)（例如貨物轉(zhuǎn)移、在軌組裝、樣品返回），研制一種月球拖船是有價(jià)值的。因此，早年的地月拖船設(shè)計(jì)有了復(fù)活的希望。雖然不是由最初的倡議者實(shí)現(xiàn)，但也不影響其中的智慧發(fā)揮價(jià)值。

波音公司的太空拖船

波音公司的太空拖船設(shè)計(jì)于70年代，后來(lái)被美國(guó)宇航局看中，打算開發(fā)成國(guó)家航天任務(wù)型號(hào)，但是最終沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)方案的區(qū)別在于波音拖船的乘員艙和貨艙是球形的，美國(guó)宇航局把它們都改成了圓柱形。波音公司后來(lái)公開發(fā)布了一份報(bào)告，題目是《使用五號(hào)衛(wèi)星、國(guó)際21號(hào)衛(wèi)星和其他五號(hào)衛(wèi)星衍生工具，確定最佳第四級(jí)（太空拖船）的前期A階段技術(shù)研究》。這是一份很龐大的文獻(xiàn)，在第一卷第三冊(cè)和第二卷中給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

這個(gè)拖船考慮用航天飛機(jī)發(fā)射，以28.5°的傾角送入高度為180千米的軌道。拖船的不同艙段有不同的使用壽命，比如乘員艙可以執(zhí)行10次登月任務(wù)或100次地球軌道任務(wù)。

默認(rèn)的微流星體和熱防護(hù)罩適合14天的地球軌道任務(wù)。如果要執(zhí)行月球往返任務(wù)，為期50天，那么防護(hù)罩的質(zhì)量必須增加，從而降低有效載荷能力。

推力 104,000N比沖 460sec重啟次數(shù) 單任務(wù)4～20次，全壽命1000次。噴射時(shí)間 單任務(wù)1000秒，全壽命10萬(wàn)秒擺動(dòng)范圍 7°任務(wù)周期 可持續(xù)工作30天，待機(jī)180天維護(hù)和補(bǔ)加 在軌工作壽命 3年以上

▲ 波音拖船乘員艙的多人模式

▲ 波音拖船的乘員艙

推進(jìn)艙的重復(fù)使用次數(shù)，與速度增量有關(guān)。如果單次任務(wù)的總速度增量小于8000英尺每秒，那么可以使用50次，大于這個(gè)數(shù)字可以使用20次。相當(dāng)于實(shí)施20次地球靜止軌道入軌任務(wù)、10次登月任務(wù)、50次月球軌道任務(wù)。

波音公司設(shè)計(jì)了3種推進(jìn)艙，分別是小型、中型和大型。小型推進(jìn)艙進(jìn)入太空的困難不大。中型推進(jìn)艙適合于用航天飛機(jī)發(fā)射，但如果裝滿了推進(jìn)劑并與電子設(shè)備艙結(jié)合，就非常接近航天飛機(jī)的運(yùn)載能力極限。大型推進(jìn)艙就比較麻煩了，它很難裝在航天飛機(jī)貨艙中，如果裝載了推進(jìn)劑，航天飛機(jī)根本承受不起。推進(jìn)艙的設(shè)計(jì)還有個(gè)趣事，姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)并不是安裝在表面的，而是嵌入外殼當(dāng)中。這是為了能夠減小尺寸，放進(jìn)航天飛機(jī)貨艙里。

每次任務(wù)結(jié)束后，所有艙段都需要檢修。按照波音公司的設(shè)定，每個(gè)艙段的翻新費(fèi)用是采購(gòu)成本的3%。

▲ 波音拖船的推進(jìn)艙

▲ 波音拖船方案的電子設(shè)備艙

▲ 波音拖船的環(huán)形貨艙與推進(jìn)艙結(jié)合

▲ 波音拖船方案的圓形貨艙

波音拖船的乘員艙部分最為壯觀，這個(gè)容積36立方米大型艙段最多可以容納15名航天員。不過(guò)帶這么多人，氧氣、食物和水只能飛行2天，顯然是用來(lái)支撐一次單程地月轉(zhuǎn)移的。如果把乘員減少到3人，可以飛行50天。如果用來(lái)執(zhí)行登月任務(wù)，乘員艙可以重復(fù)使用10次，在近地軌道或地球靜止軌道任務(wù)中可使用100次。

拖船的宇航電子設(shè)備艙寬4.3米，高1.2米。根據(jù)任務(wù)性質(zhì)，質(zhì)量從857千克到1503千克不等。該結(jié)構(gòu)為八角形，有八個(gè)承重柱。它位于推進(jìn)艙前面，用來(lái)傳遞推力。在八根柱子之間，是八個(gè)組件安裝面板。電子設(shè)備艙的使用壽命和推進(jìn)艙完全一樣。

貨艙是波音方案當(dāng)中，最有趣的一個(gè)部分。貨艙主要用來(lái)運(yùn)送多個(gè)小體積包裹。如果是運(yùn)送大型單件就不需要貨艙，用有效載荷適配器直接安裝到拖船前端就可以了。

▲ 波音拖船方案著陸月球的想象圖

▲ 波音拖船環(huán)形貨艙與推進(jìn)艙的結(jié)合面

波音的貨艙有兩種模式，圓形和圓環(huán)形，被后來(lái)的研究者稱為餅干型和甜甜圈型。餅干型的用途是執(zhí)行地球軌道轉(zhuǎn)移任務(wù)，這很容易理解。那么為啥會(huì)有甜甜圈型？其實(shí)把它和推進(jìn)艙結(jié)合到一起，就真相大白了。推進(jìn)艙的主發(fā)動(dòng)機(jī)正好從甜甜圈中間插進(jìn)去，然后再伸出來(lái)一段。這樣，當(dāng)拖船降落在月球上的時(shí)候，甜甜圈底部距離月球表面只有1.5米，方便航天員取用物資。如果是餅干型，它就會(huì)高懸在月面上方15米的地方，足足六層樓高。雖然月球重力只有地球的六分之一，但航天員也跳不到這么高。很顯然，甜甜圈貨艙的直徑比較大，沒(méi)有辦法用運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)來(lái)發(fā)射。所以這種貨艙被設(shè)計(jì)成兩個(gè)半環(huán)，中間用艙門連接。需要注意的是，貨艙是不加壓的，可以使用100次。圓形貨艙載貨量為9072千克，體積為36立方米，空重1316千克，僅提供維護(hù)貨物所需的最低限度電氣、儀表和環(huán)境控制系統(tǒng)。環(huán)形艙載貨量為4536千克，體積28立方米。由于分為兩部分，空重為2038千克，比圓形模塊大。

▲ 地月拖船需要設(shè)置電梯供航天員上下

▲ 美國(guó)科學(xué)家提出的兩人乘組拖船方案

既然是拖船，那么無(wú)論針對(duì)載人艙還是貨艙，都需要一個(gè)對(duì)接適配器。這兩類艙對(duì)應(yīng)的適配器基本相同，額定使用100次。

需要注意的是，波音拖船是考慮月面著陸的，所以它必須安裝著陸支腿。按照設(shè)計(jì)，拖船加上登月艙的高度達(dá)到15.2米，所以著陸腿要從拖船里向外伸展9.1米，才能確保穩(wěn)定性。波音公司設(shè)計(jì)了4個(gè)間隔90°的管狀結(jié)構(gòu)起落架，用7075-T6鋁制成，減震器系統(tǒng)由液體彈簧和著陸盤組成，以吸收沖擊并用作調(diào)平機(jī)構(gòu)。著陸支腿的上部連接點(diǎn)在液氧罐中點(diǎn)，離地面約4.6米。下部交點(diǎn)與液氧罐的下部大致齊平。這套起落架大概可以使用10次。

▲ 美國(guó)宇航局的太空拖船的載人艙

▲ 美國(guó)宇航局的太空拖船任務(wù)框架

除了上述大型艙段，波音的太空拖船設(shè)計(jì)了機(jī)械臂套件（MA），顯示器和控制器安裝在機(jī)組控制室內(nèi)。在登月過(guò)程中，由于灰塵和其他能見(jiàn)度抑制環(huán)境影響，激光系統(tǒng)將無(wú)法提供必要的著陸地形識(shí)別，所以設(shè)計(jì)了雷達(dá)套件來(lái)提供著陸所需的能見(jiàn)度。

此外還有航天器所必須的姿態(tài)控制推力器、級(jí)間適配器和分離機(jī)構(gòu)套件（SASM）。

美國(guó)宇航局的太空拖船

1972年，美國(guó)宇航局把波音公司的設(shè)計(jì)方案拿過(guò)來(lái)，提出了一種太空拖船概念。然而外界對(duì)這種拖船的了解，并非來(lái)自波音，也不是美國(guó)宇航局，而是北美羅克韋爾公司的一份文件。這份材料題為《可重復(fù)使用的空間拖船分析的前期研究》的第4卷《航天器概念和系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終報(bào)告》，以及第5卷《子系統(tǒng)最終報(bào)告》。

既然美國(guó)宇航局把拖船改成了圓柱形，那么直徑應(yīng)該是多少合適呢？他們對(duì)直徑分別為3.6、4.5和6.7米的乘員艙進(jìn)行了分析。4.5米與航天飛機(jī)貨艙兼容。6.7米與土星五號(hào)火箭兼容。3.6米比較小，除非做成兩層樓高才有價(jià)值。6.7米太大了，除非把其他艙段的內(nèi)容塞進(jìn)乘員艙，這就違背了模塊化的想法。而且，航天員根本就不需要這么大的空間，6.7米也無(wú)法塞進(jìn)航天飛機(jī)貨艙，所以4.5米剛剛好。

美國(guó)宇航局拖船的模塊化組件包括：推進(jìn)艙（PM）、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、主推進(jìn)劑箱、輔助推進(jìn)劑供應(yīng)、對(duì)接機(jī)構(gòu)、兩副S波段天線、著陸傳感器（如果安裝了月球著陸制導(dǎo)和導(dǎo)航傳感器套件）、接起落架套件、散熱器、乘員艙、客艙（可以容納4位往返月球基地的乘客）、貨艙（CAM）、有效載荷。

貨艙和有效載荷的區(qū)別是，貨艙是把貨物送往空間站或者月球。有些貨艙懸掛在推進(jìn)艙的兩側(cè)，像馬鞍袋一樣，以降低重心。有效載荷是那些不裝在貨艙里的貨物，其中包括地球軌道衛(wèi)星或者空間試驗(yàn)裝置。

▲ 美國(guó)宇航局拖船方案的三類月球任務(wù)載荷

▲ 美國(guó)宇航局拖船方案的地球軌道應(yīng)用配置

▲ 美國(guó)宇航局拖船方案的月球應(yīng)用配置

在拖船前方，要安裝制導(dǎo)和導(dǎo)航對(duì)接傳感器組件，以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)交會(huì)和對(duì)接能力。主要是電視攝像機(jī)和接觸式傳感器，前者用于操縱，后者指示對(duì)接機(jī)構(gòu)是不是可以啟動(dòng)。

如果要執(zhí)行載人登月任務(wù)，當(dāng)然也要考慮起落架。還要考慮額外的散熱器，這主要是因?yàn)楫?dāng)拖船降落在月球上的時(shí)候，月球表面會(huì)反射強(qiáng)烈的陽(yáng)光，還會(huì)干擾正常船體散熱器的工作。所以需要為登月拖船設(shè)置單獨(dú)的可展開散熱器，面向天空。成員艙位于拖船頂部。當(dāng)降落在月球上的時(shí)候，需要為航天員設(shè)置纜索電梯，才能下降到月球表面。

在美國(guó)宇航局的所有設(shè)計(jì)中，都僅僅考慮液氫液氧燃料。報(bào)告研究了攜帶36287千克推進(jìn)劑和28576千克推進(jìn)劑的概念?？紤]到液氫液氧的比沖為464秒，4.5米直徑著陸器設(shè)計(jì)了4個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為44482牛頓。

和今天的小型太空拖船相比，美國(guó)宇航局的設(shè)計(jì)也是載人的，而且需要兩名航天員來(lái)操作。為此他們安排了兩名成員，并且提出“將乘員艙用作控制室”。不過(guò)它其實(shí)最多可以容納12人，一旦需要執(zhí)行月球救援任務(wù)，多出來(lái)的10個(gè)人空間就能發(fā)揮作用。在不同的任務(wù)模式中，這個(gè)艙段的位置并不相同。如果在地球軌道或者地月之間轉(zhuǎn)運(yùn)，那么乘員艙安裝在整個(gè)飛行器組合的頂部。航天員可以通過(guò)舷窗看著對(duì)接口操作。

對(duì)于登月任務(wù)，乘員艙的位置要盡量低，放在整個(gè)組合體的底部。這樣，航天員可以通過(guò)舷窗看到起落架的操作。當(dāng)飛船著陸的時(shí)候，氣閘艙距離月面僅一米左右，而不是幾十米。當(dāng)然，這種設(shè)計(jì)有個(gè)致命缺點(diǎn)，如果太空拖船不慎墜毀，整個(gè)組合體的動(dòng)量都會(huì)作用在乘員艙上，把它像個(gè)易拉罐一樣壓扁。而且必須把推進(jìn)艙的發(fā)動(dòng)機(jī)向外傾斜，免得直接噴射到乘員艙上，這樣會(huì)帶來(lái)推力損失。

▲ 美國(guó)宇航局提出的地月拖船任務(wù)體系