并未“變現(xiàn)”的波音和美國宇航局登月拖船

文/遲惑

美國宇航局與俄羅斯航天局都提出過一些真正宏大的太空拖船概念。其中很多概念早在上世紀六七十年代就出現(xiàn)了。它們的用途是在地球和月球之間轉(zhuǎn)運貨物和人員。雖然這類拖船至今也沒有變成現(xiàn)實，但是隨著人類探月活動的開展，地月拖船的理念又開始受到重視。美國宇航局的科學家就曾提出：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)國際空間站的經(jīng)驗，需要開發(fā)一個地月門戶空間站。為了建造和維持這個空間站，美國已經(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行，特別是涉及所有無人或后勤任務（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值的。因此，早年的地月拖船設計有了復活的希望。雖然不是由最初的倡議者實現(xiàn)，但也不影響其中的智慧發(fā)揮價值。

波音公司的太空拖船

波音公司的太空拖船設計于70年代，后來被美國宇航局看中，打算開發(fā)成國家航天任務型號，但是最終沒有實現(xiàn)。兩個方案的區(qū)別在于波音拖船的乘員艙和貨艙是球形的，美國宇航局把它們都改成了圓柱形。波音公司后來公開發(fā)布了一份報告，題目是《使用五號衛(wèi)星、國際21號衛(wèi)星和其他五號衛(wèi)星衍生工具，確定最佳第四級（太空拖船）的前期A階段技術研究》。這是一份很龐大的文獻，在第一卷第三冊和第二卷中給出了詳細的設計參數(shù)。

這個拖船考慮用航天飛機發(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次登月任務或100次地球軌道任務。

默認的微流星體和熱防護罩適合14天的地球軌道任務。如果要執(zhí)行月球往返任務，為期50天，那么防護罩的質(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4～20次，全壽命1000次。噴射時間 單任務1000秒，全壽命10萬秒擺動范圍 7°任務周期 可持續(xù)工作30天，待機180天維護和補加 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

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

波音公司設計了3種推進艙，分別是小型、中型和大型。小型推進艙進入太空的困難不大。中型推進艙適合于用航天飛機發(fā)射，但如果裝滿了推進劑并與電子設備艙結(jié)合，就非常接近航天飛機的運載能力極限。大型推進艙就比較麻煩了，它很難裝在航天飛機貨艙中，如果裝載了推進劑，航天飛機根本承受不起。推進艙的設計還有個趣事，姿態(tài)控制發(fā)動機并不是安裝在表面的，而是嵌入外殼當中。這是為了能夠減小尺寸，放進航天飛機貨艙里。

每次任務結(jié)束后，所有艙段都需要檢修。按照波音公司的設定，每個艙段的翻新費用是采購成本的3%。

▲ 波音拖船的推進艙

▲ 波音拖船方案的電子設備艙

▲ 波音拖船的環(huán)形貨艙與推進艙結(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，這個容積36立方米大型艙段最多可以容納15名航天員。不過帶這么多人，氧氣、食物和水只能飛行2天，顯然是用來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。如果用來執(zhí)行登月任務，乘員艙可以重復使用10次，在近地軌道或地球靜止軌道任務中可使用100次。

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

貨艙是波音方案當中，最有趣的一個部分。貨艙主要用來運送多個小體積包裹。如果是運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，這很容易理解。那么為啥會有甜甜圈型？其實把它和推進艙結(jié)合到一起，就真相大白了。推進艙的主發(fā)動機正好從甜甜圈中間插進去，然后再伸出來一段。這樣，當拖船降落在月球上的時候，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，沒有辦法用運載火箭和航天飛機來發(fā)射。所以這種貨艙被設計成兩個半環(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。

▲ 地月拖船需要設置電梯供航天員上下

▲ 美國科學家提出的兩人乘組拖船方案

既然是拖船，那么無論針對載人艙還是貨艙，都需要一個對接適配器。這兩類艙對應的適配器基本相同，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。按照設計，拖船加上登月艙的高度達到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。波音公司設計了4個間隔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)平機構(gòu)。著陸支腿的上部連接點在液氧罐中點，離地面約4.6米。下部交點與液氧罐的下部大致齊平。這套起落架大概可以使用10次。

▲ 美國宇航局的太空拖船的載人艙

▲ 美國宇航局的太空拖船任務框架

除了上述大型艙段，波音的太空拖船設計了機械臂套件（MA），顯示器和控制器安裝在機組控制室內(nèi)。在登月過程中，由于灰塵和其他能見度抑制環(huán)境影響，激光系統(tǒng)將無法提供必要的著陸地形識別，所以設計了雷達套件來提供著陸所需的能見度。

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

美國宇航局的太空拖船

1972年，美國宇航局把波音公司的設計方案拿過來，提出了一種太空拖船概念。然而外界對這種拖船的了解，并非來自波音，也不是美國宇航局，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)設計最終報告》，以及第5卷《子系統(tǒng)最終報告》。

既然美國宇航局把拖船改成了圓柱形，那么直徑應該是多少合適呢？他們對直徑分別為3.6、4.5和6.7米的乘員艙進行了分析。4.5米與航天飛機貨艙兼容。6.7米與土星五號火箭兼容。3.6米比較小，除非做成兩層樓高才有價值。6.7米太大了，除非把其他艙段的內(nèi)容塞進乘員艙，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米也無法塞進航天飛機貨艙，所以4.5米剛剛好。

美國宇航局拖船的模塊化組件包括：推進艙（PM）、火箭發(fā)動機、主推進劑箱、輔助推進劑供應、對接機構(gòu)、兩副S波段天線、著陸傳感器（如果安裝了月球著陸制導和導航傳感器套件）、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)星或者空間試驗裝置。

▲ 美國宇航局拖船方案的三類月球任務載荷

▲ 美國宇航局拖船方案的地球軌道應用配置

▲ 美國宇航局拖船方案的月球應用配置

在拖船前方，要安裝制導和導航對接傳感器組件，以實現(xiàn)主動交會和對接能力。主要是電視攝像機和接觸式傳感器，前者用于操縱，后者指示對接機構(gòu)是不是可以啟動。

如果要執(zhí)行載人登月任務，當然也要考慮起落架。還要考慮額外的散熱器，這主要是因為當拖船降落在月球上的時候，月球表面會反射強烈的陽光，還會干擾正常船體散熱器的工作。所以需要為登月拖船設置單獨的可展開散熱器，面向天空。成員艙位于拖船頂部。當降落在月球上的時候，需要為航天員設置纜索電梯，才能下降到月球表面。

在美國宇航局的所有設計中，都僅僅考慮液氫液氧燃料。報告研究了攜帶36287千克推進劑和28576千克推進劑的概念。考慮到液氫液氧的比沖為464秒，4.5米直徑著陸器設計了4個發(fā)動機，每個發(fā)動機的推力為44482牛頓。

和今天的小型太空拖船相比，美國宇航局的設計也是載人的，而且需要兩名航天員來操作。為此他們安排了兩名成員，并且提出“將乘員艙用作控制室”。不過它其實最多可以容納12人，一旦需要執(zhí)行月球救援任務，多出來的10個人空間就能發(fā)揮作用。在不同的任務模式中，這個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，那么乘員艙安裝在整個飛行器組合的頂部。航天員可以通過舷窗看著對接口操作。

對于登月任務，乘員艙的位置要盡量低，放在整個組合體的底部。這樣，航天員可以通過舷窗看到起落架的操作。當飛船著陸的時候，氣閘艙距離月面僅一米左右，而不是幾十米。當然，這種設計有個致命缺點，如果太空拖船不慎墜毀，整個組合體的動量都會作用在乘員艙上，把它像個易拉罐一樣壓扁。而且必須把推進艙的發(fā)動機向外傾斜，免得直接噴射到乘員艙上，這樣會帶來推力損失。

▲ 美國宇航局提出的地月拖船任務體系