短命的“星座”：新一代空天飛船曇花一現

■肖東

“獵戶座”飛船（Orion）是美國航空航天局為“星座”計劃研發的新一代載人航天器，原定目標是在2015年開始載人到達國際空間站。該飛船計劃用同樣處于設計狀態的“戰神1”號運載火箭來發射。這二者是美國“星座”計劃的一部分，旨在2020年將人類再次送往月球，并接著征服火星等太陽系內目標。

“獵戶座”飛船的外貌與“阿波羅”飛船相似，但內部空間比“阿波羅”飛船大2.5倍，最多可容納6名宇航員，融入了電腦、電子、維生系統、推進系統及熱防護系統等領域的諸多最新技術。同航天飛機比，“獵戶座”飛船的使用成本更加低廉，安全系數也提高10倍，而且與航天飛機一樣可以回收再用。盡管它是美國新一代的載人飛船，但不少外界人士認為，它深受早期“阿波羅”飛船的設計思路影響，甚至有人說，它就是2.0版的“阿波羅”飛船。

“獵戶座”飛船是繼航天飛機計劃以后的另一個里程碑，也是太空探索方面的一大步。

“太空探索遠景”計劃

2004年1月14日，時任美國總統的布什對外宣布了“太空探索遠景”計劃，其中包括了當時被稱為“載人探索飛行器”的“獵戶座”飛船：

……我們的目標是在2008年開始開發并測試新一代的航天飛船——載人探索飛行器，然后在2014年之前實施其首次載人航天任務。載人探索飛行器將可以替代屆時業已退役的航天飛機，將宇航員及科學家運送至空間站中，但其主要目標是將宇航員運送到地球軌道之外的其他地方。這一飛船將是自“阿波羅”指令艙以來的首個同類型航天載具。

“獵戶座”飛船完全替代了還在概念階段的軌道空間飛機，后者是之前X－33試驗機計劃失敗后被提出來作為航天飛機的頂替方案。

2004年7月，邁克爾·格里芬被任命為美國航空航天局局長之前，他以組長之一的身份參與了一個行星學會的研究——將人類送至更遠的太陽系空間，該研究為“星座”計劃提供了一個可負擔且可實現的實施策略，因此可以從中探知未來“獵戶座”相關計劃的可能發展方向。

根據執行概述，該研究制訂了一個“分階段將人類探索范圍延伸至低地球軌道空間以外”的方案，并具體建議分為如下三個階段：

第一，將重心放在開發新一代載人探索飛行器、完成國際空間站以及退役過時的航天飛機之上。其中，在完成了國際空間站美國艙核心（需要六七次的飛行任務），以及滿足其他合作成員對完成國際空間站的需求所必須提供的最少附加分型任務之后，航天飛機將會盡快退役。航天飛機退役將會導致美國低軌道載人航天能力的缺失，而與此同時，退役所節省出來的資金將用來加快新一代飛行器的開發計劃，以盡可能減少甚至消除這一空缺時間。

第二，必須開發更多附加組件（包括提高運載系統的功率以適應需要飛行數月的行星際載人航天探索擴展任務），以及居住艙、實驗艙、燃料模塊和推進模塊，以適應將人類運送至月球、火星、拉格朗日點和某些近地小行星附近的目標。

第三，載人行星著陸器的開發將在本階段完成，以允許實施人類登陸月球，進而于2010年登陸火星的任務。

載人探索飛行器的原始計劃后來經過了若干修改，這在美國航空航天局探索系統架構中進行了相關說明。該研究建議2014年開始進行“獵戶座”的載人飛行任務，并認同采用月球軌道集合的方法登陸月球。其中，低地球軌道版本的“獵戶座”飛船可以將4人～6人運送至國際空間站。與此同時，還會發展一個類似于俄羅斯“進步”號飛船的無人貨運飛船版本。

“獵戶座”的返回艙重達12噸，這幾乎是“阿波羅”指令艙的2倍。和“阿波羅”指令艙一樣，它也可以與一個服務模塊連接，以提供諸如生命維持以及飛船推進等功能。“獵戶座”的外殼類型和“阿波羅”號的相似，而隔熱板則與“海盜”號類似，這和航天飛機這種帶有機翼的結構完全不同。需要特別說明的是，它的燒蝕式隔熱板在每次使用過后便會拋棄，這與“阿波羅”的設計類似，而返回艙本身則可以重復使用大約10次。“獵戶座”的著陸方式被設計為在陸地上著陸，而不是在海上著陸。采用這類著陸方式的還有俄羅斯的“聯盟”號飛船以及中國的“神舟”系列飛船。不過在緊急情況下，它也可以在水上著陸。目前已選定的可用著陸點包括加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地、內華達州的卡森平原以及華盛頓州的摩西湖市。在西部海岸選擇著陸點可以讓大部分的著陸路徑在太平洋上空，從而避開了人口密集的地區。

正在返回地球的假想圖（返回艙)

“獵戶座”飛船與國際空間站接合假想圖

正在執行任務的構想圖

“獵戶座”飛船飛近月球的構想圖

“戰神1”號在上升階段的構想圖

航天飛機：一段歲月的記憶

登月任務的開發原計劃在航天飛機退役后立即提速。其中的登月艙以及重型起飛推進器會同時開發，并且在2018年進入可以執行任務的狀態，并最終于2020年在月球表面著陸。登月艙比“阿波羅”登月艙大很多，可以攜帶重量高達23噸的載荷抵達月球表面。這么大的載荷重量，甚至可以用于支持長期有人照料的月球基地。這一大載荷的特性，對于運送大量物資和科研設備至月球表面基地來說，是非常有意義的。

和“阿波羅”登月艙一樣，“獵戶座”的登月艙也包含降落和起飛二個過程。在起飛階段，登月艙可以搭乘4人至環月軌道。在這個基礎上，還會衍生出結構近似的、用于火星任務的著陸器。

設計修改及更新

2006年7月下旬，美國航空航天局的第二次設計評審，導致了飛船設計的重大變化。起初，美國航空航天局想使用液體甲烷作為“獵戶座”飛船的燃料，但是因為甲烷—氧氣動力的火箭技術還不成熟，而且需要在2012年發射“獵戶座”飛船，所以在2006年7月下旬批準換成了自燃式推進器。該決定使得美國航空航天局能在2011年前對“獵戶座”飛船和“戰神1”號火箭進行安全評估，并且能夠填補航天飛機退役和第一次“獵戶座”飛船的載人飛行之間潛在的空缺。2007年4月20日，美國航空航天局和波音公司簽訂了“獵戶座”飛船合同的一項修改，更新后的合同將“獵戶座”飛船的設計時間延長了2年，加入了“獵戶座”飛船發射中斷系統的飛行測試，并且刪除了為國際空間站運送密封貨物的功能。在“獵戶座”飛船登月艙的最新設計中，服務模塊有一個外部的面板，它會在“戰神1”號運載火箭的第二次點火階段后不久脫落。相比之前的結構，這項設計會節省約450千克的重量。

飛船的結構

“獵戶座”飛船載人及服務模塊的結構包括二個主要部分：一個圓錐形的載人艙和一個圓柱形的服務艙。后者除了提供飛船的推進動力之外，還提供額外的供給。這二者都是在1967年—1975年執行任務的“阿波羅”飛船命令及服務模塊的基礎上設計的，除此以外，還參考了航天飛機計劃中衍生出來的新型技術。探索系統任務部綜合辦主任尼爾·伍德沃德認為，“使用現有技術和解決方案能降低風險”。

“獵戶座”飛船的載人模塊計劃由洛克希德·馬丁公司建造。它的形狀與“阿波羅”號指揮艙類似，是一個頂角為57.5°的圓臺體。其投影直徑為5.02米，長度為3.3米，重8.5噸。它的總體積是“阿波羅”號的2.5倍，內部空間容積約為5.9立方米，可以容納4名～6名宇航員。與之對比，“阿波羅”飛船的載人模塊只能搭載3名人員，但航天飛機則可搭載7名人員。雖然“獵戶座”飛船采用了與20世紀60年代開發的“阿波羅”飛船相近的設計理念，但其載人模塊將會使用數項較為完善的技術，包括：衍生于波音787飛機駕駛艙的“玻璃駕駛艙”數字化控制系統；類似俄羅斯“進步”號飛船和歐洲自動運載飛船的自動對接系統，該系統允許在緊急情況下由宇航員全權控制；改進過的廢棄物管理設備，包括一個微型野營式馬桶以及一個在航天飛機和國際空間站中已投入使用的不分性別的“便溺管”；一個氮氣/氧氣混合空氣環境，保持海平面的大氣壓；一個比之前任何載人飛船更加先進的計算機系統。

載人模塊的另一個特性是可以部分重復使用。美國航空航天局計劃讓每一個載人模塊能夠執行最多10次飛行任務，以便能形成包含載人及無人駕駛的“獵戶座”飛船船隊。無論是載人模塊還是服務艙，都將使用鋁合金來建造，這種材料已被應用于航天飛機的外部燃料箱、德爾塔－4運載火箭以及宇宙神－5運載火箭的建造上。

為了使“獵戶座”飛船能夠與國際空間站或者其他星際飛船對接，對接系統采用了新的低沖擊對接系統設計。飛船及對接接合器均設置了“水星”號和“阿波羅”號上所使用的發射逃逸系統，以及源自“阿波羅”飛船的玻璃纖維推進器保護罩。升空過程中的前2%時間內出現問題，這些裝置將保證載人模塊安全逃逸。

經過長期研究，美國航空航天局決定選用低密度碳化燒蝕材料作為重返大氣層時的隔熱材料。低密度碳化燒蝕材料是由玻璃纖維及酚醛樹脂構成的蜂窩結構，其中填充以石英纖維。該材料曾在“阿波羅”計劃中使用，并用在航天飛機早期飛行任務中特定的部位。

然而，天有不測風云。美國總統奧巴馬在2010年2月1日正式提議取消“星座”計劃，理由是這一計劃“超預算、進度落后而且缺乏新意”。有關法案于同年10月成為法律，包括“獵戶座”飛船在內的“星座”計劃宣告終結，但相關技術很可能用于未來的太空探索計劃。

人類邁向宇宙的步伐不會停止，對未來的宇宙飛船，我們拭目以待。