并未“变现”的波音和美国宇航局登月拖船

文/迟惑

美国宇航局与俄罗斯航天局都提出过一些真正宏大的太空拖船概念。其中很多概念早在上世纪六七十年代就出现了。它们的用途是在地球和月球之间转运货物和人员。虽然这类拖船至今也没有变成现实，但是随着人类探月活动的开展，地月拖船的理念又开始受到重视。美国宇航局的科学家就曾提出：月球太空拖船是低地球轨道和地月轨道间栖息地之间的桥梁。

根据《全球探索路线图》，月球是人类探索火星的第一站。根据国际空间站的经验，需要开发一个地月门户空间站。为了建造和维持这个空间站，美国已经开发了猎户座飞船、SLS火箭。但是考虑到地月门户空间站的日常运行，特别是涉及所有无人或后勤任务（例如货物转移、在轨组装、样品返回），研制一种月球拖船是有价值的。因此，早年的地月拖船设计有了复活的希望。虽然不是由最初的倡议者实现，但也不影响其中的智慧发挥价值。

波音公司的太空拖船

波音公司的太空拖船设计于70年代，后来被美国宇航局看中，打算开发成国家航天任务型号，但是最终没有实现。两个方案的区别在于波音拖船的乘员舱和货舱是球形的，美国宇航局把它们都改成了圆柱形。波音公司后来公开发布了一份报告，题目是《使用五号卫星、国际21号卫星和其他五号卫星衍生工具，确定最佳第四级（太空拖船）的前期A阶段技术研究》。这是一份很庞大的文献，在第一卷第三册和第二卷中给出了详细的设计参数。

这个拖船考虑用航天飞机发射，以28.5°的倾角送入高度为180千米的轨道。拖船的不同舱段有不同的使用寿命，比如乘员舱可以执行10次登月任务或100次地球轨道任务。

默认的微流星体和热防护罩适合14天的地球轨道任务。如果要执行月球往返任务，为期50天，那么防护罩的质量必须增加，从而降低有效载荷能力。

推力 104,000N比冲 460sec重启次数 单任务4～20次，全寿命1000次。喷射时间 单任务1000秒，全寿命10万秒摆动范围 7°任务周期 可持续工作30天，待机180天维护和补加 在轨工作寿命 3年以上

▲ 波音拖船乘员舱的多人模式

▲ 波音拖船的乘员舱

推进舱的重复使用次数，与速度增量有关。如果单次任务的总速度增量小于8000英尺每秒，那么可以使用50次，大于这个数字可以使用20次。相当于实施20次地球静止轨道入轨任务、10次登月任务、50次月球轨道任务。

波音公司设计了3种推进舱，分别是小型、中型和大型。小型推进舱进入太空的困难不大。中型推进舱适合于用航天飞机发射，但如果装满了推进剂并与电子设备舱结合，就非常接近航天飞机的运载能力极限。大型推进舱就比较麻烦了，它很难装在航天飞机货舱中，如果装载了推进剂，航天飞机根本承受不起。推进舱的设计还有个趣事，姿态控制发动机并不是安装在表面的，而是嵌入外壳当中。这是为了能够减小尺寸，放进航天飞机货舱里。

每次任务结束后，所有舱段都需要检修。按照波音公司的设定，每个舱段的翻新费用是采购成本的3%。

▲ 波音拖船的推进舱

▲ 波音拖船方案的电子设备舱

▲ 波音拖船的环形货舱与推进舱结合

▲ 波音拖船方案的圆形货舱

波音拖船的乘员舱部分最为壮观，这个容积36立方米大型舱段最多可以容纳15名航天员。不过带这么多人，氧气、食物和水只能飞行2天，显然是用来支撑一次单程地月转移的。如果把乘员减少到3人，可以飞行50天。如果用来执行登月任务，乘员舱可以重复使用10次，在近地轨道或地球静止轨道任务中可使用100次。

拖船的宇航电子设备舱宽4.3米，高1.2米。根据任务性质，质量从857千克到1503千克不等。该结构为八角形，有八个承重柱。它位于推进舱前面，用来传递推力。在八根柱子之间，是八个组件安装面板。电子设备舱的使用寿命和推进舱完全一样。

货舱是波音方案当中，最有趣的一个部分。货舱主要用来运送多个小体积包裹。如果是运送大型单件就不需要货舱，用有效载荷适配器直接安装到拖船前端就可以了。

▲ 波音拖船方案着陆月球的想象图

▲ 波音拖船环形货舱与推进舱的结合面

波音的货舱有两种模式，圆形和圆环形，被后来的研究者称为饼干型和甜甜圈型。饼干型的用途是执行地球轨道转移任务，这很容易理解。那么为啥会有甜甜圈型？其实把它和推进舱结合到一起，就真相大白了。推进舱的主发动机正好从甜甜圈中间插进去，然后再伸出来一段。这样，当拖船降落在月球上的时候，甜甜圈底部距离月球表面只有1.5米，方便航天员取用物资。如果是饼干型，它就会高悬在月面上方15米的地方，足足六层楼高。虽然月球重力只有地球的六分之一，但航天员也跳不到这么高。很显然，甜甜圈货舱的直径比较大，没有办法用运载火箭和航天飞机来发射。所以这种货舱被设计成两个半环，中间用舱门连接。需要注意的是，货舱是不加压的，可以使用100次。圆形货舱载货量为9072千克，体积为36立方米，空重1316千克，仅提供维护货物所需的最低限度电气、仪表和环境控制系统。环形舱载货量为4536千克，体积28立方米。由于分为两部分，空重为2038千克，比圆形模块大。

▲ 地月拖船需要设置电梯供航天员上下

▲ 美国科学家提出的两人乘组拖船方案

既然是拖船，那么无论针对载人舱还是货舱，都需要一个对接适配器。这两类舱对应的适配器基本相同，额定使用100次。

需要注意的是，波音拖船是考虑月面着陆的，所以它必须安装着陆支腿。按照设计，拖船加上登月舱的高度达到15.2米，所以着陆腿要从拖船里向外伸展9.1米，才能确保稳定性。波音公司设计了4个间隔90°的管状结构起落架，用7075-T6铝制成，减震器系统由液体弹簧和着陆盘组成，以吸收冲击并用作调平机构。着陆支腿的上部连接点在液氧罐中点，离地面约4.6米。下部交点与液氧罐的下部大致齐平。这套起落架大概可以使用10次。

▲ 美国宇航局的太空拖船的载人舱

▲ 美国宇航局的太空拖船任务框架

除了上述大型舱段，波音的太空拖船设计了机械臂套件（MA），显示器和控制器安装在机组控制室内。在登月过程中，由于灰尘和其他能见度抑制环境影响，激光系统将无法提供必要的着陆地形识别，所以设计了雷达套件来提供着陆所需的能见度。

此外还有航天器所必须的姿态控制推力器、级间适配器和分离机构套件（SASM）。

美国宇航局的太空拖船

1972年，美国宇航局把波音公司的设计方案拿过来，提出了一种太空拖船概念。然而外界对这种拖船的了解，并非来自波音，也不是美国宇航局，而是北美罗克韦尔公司的一份文件。这份材料题为《可重复使用的空间拖船分析的前期研究》的第4卷《航天器概念和系统设计最终报告》，以及第5卷《子系统最终报告》。

既然美国宇航局把拖船改成了圆柱形，那么直径应该是多少合适呢？他们对直径分别为3.6、4.5和6.7米的乘员舱进行了分析。4.5米与航天飞机货舱兼容。6.7米与土星五号火箭兼容。3.6米比较小，除非做成两层楼高才有价值。6.7米太大了，除非把其他舱段的内容塞进乘员舱，这就违背了模块化的想法。而且，航天员根本就不需要这么大的空间，6.7米也无法塞进航天飞机货舱，所以4.5米刚刚好。

美国宇航局拖船的模块化组件包括：推进舱（PM）、火箭发动机、主推进剂箱、辅助推进剂供应、对接机构、两副S波段天线、着陆传感器（如果安装了月球着陆制导和导航传感器套件）、接起落架套件、散热器、乘员舱、客舱（可以容纳4位往返月球基地的乘客）、货舱（CAM）、有效载荷。

货舱和有效载荷的区别是，货舱是把货物送往空间站或者月球。有些货舱悬挂在推进舱的两侧，像马鞍袋一样，以降低重心。有效载荷是那些不装在货舱里的货物，其中包括地球轨道卫星或者空间试验装置。

▲ 美国宇航局拖船方案的三类月球任务载荷

▲ 美国宇航局拖船方案的地球轨道应用配置

▲ 美国宇航局拖船方案的月球应用配置

在拖船前方，要安装制导和导航对接传感器组件，以实现主动交会和对接能力。主要是电视摄像机和接触式传感器，前者用于操纵，后者指示对接机构是不是可以启动。

如果要执行载人登月任务，当然也要考虑起落架。还要考虑额外的散热器，这主要是因为当拖船降落在月球上的时候，月球表面会反射强烈的阳光，还会干扰正常船体散热器的工作。所以需要为登月拖船设置单独的可展开散热器，面向天空。成员舱位于拖船顶部。当降落在月球上的时候，需要为航天员设置缆索电梯，才能下降到月球表面。

在美国宇航局的所有设计中，都仅仅考虑液氢液氧燃料。报告研究了携带36287千克推进剂和28576千克推进剂的概念。考虑到液氢液氧的比冲为464秒，4.5米直径着陆器设计了4个发动机，每个发动机的推力为44482牛顿。

和今天的小型太空拖船相比，美国宇航局的设计也是载人的，而且需要两名航天员来操作。为此他们安排了两名成员，并且提出“将乘员舱用作控制室”。不过它其实最多可以容纳12人，一旦需要执行月球救援任务，多出来的10个人空间就能发挥作用。在不同的任务模式中，这个舱段的位置并不相同。如果在地球轨道或者地月之间转运，那么乘员舱安装在整个飞行器组合的顶部。航天员可以通过舷窗看着对接口操作。

对于登月任务，乘员舱的位置要尽量低，放在整个组合体的底部。这样，航天员可以通过舷窗看到起落架的操作。当飞船着陆的时候，气闸舱距离月面仅一米左右，而不是几十米。当然，这种设计有个致命缺点，如果太空拖船不慎坠毁，整个组合体的动量都会作用在乘员舱上，把它像个易拉罐一样压扁。而且必须把推进舱的发动机向外倾斜，免得直接喷射到乘员舱上，这样会带来推力损失。

▲ 美国宇航局提出的地月拖船任务体系