美欧的其他早期太空拖船方案

美国和欧洲的其他一些机构也设计过不同类型的太空拖船,虽然全都没有投入使用,但是其中的理论设计已经相当完善。特别是对燃料、轨道、推力器类型的权衡设计,已经到了非常详细的程度。当然,这些早期设计大多是有人驾驶的。这是因为当年的人工智能和自动制导导航控制技术还不成熟。不过,未来航天活动中必然包括大量载人因素。特别是地月经济和月球开发,需要大量人员往返于地月之间。这些早期研究中蕴藏的智慧,迟早有发光的时刻。

诺·格公司的前身之一格鲁曼航空航天公司曾经设计过一种全功能拖船,号称可以完成各种轨道、各种质量的轨道转移任务,包括地球静止轨道、椭圆轨道,甚至72万千米高的深空轨道。这种拖船也是有人驾驶的。

飞船采用液氢液氧推进系统,燃料携带量为17.5吨。发动机是两台比冲为458秒的RLIO cat IIB型,单台推力67000牛顿的扭矩,摆动范围达到±20°。如此之宽大的摆动范围,是因为它携带了4个外置燃料箱。每个可以携带27270千克燃料。每用完一个,就要从芯级上分离,用自己的脱轨发动机返回大气层。这么重的物体分离,必然会影响拖船的姿态控制。其实拖船上有四个姿控发动机模块,每个模块的推力为700牛。但这样还是不足,要靠主发动机的摆动来补偿。

▲ 诺·格拖船方案的基本版

这个拖船设计中最有意思的是乘员舱。拖船考虑2名或3名乘员操作。格鲁曼公司显然是参考了物流卡车的思路,提出了基本型和简配型的乘员舱设计。基本型乘员舱的每个航天员都有自己的隔间宿舍,个人空间达到4立方米。简配型的休息区是敞开的,每个人只有3立方米,没有任何隐私。简配型的用意当然是减轻重量,把工作区和睡眠区结合起来,消除隐私区,按3人舱就可以缩短1米,节省440千克干重。按两人舱就可以缩短1.5米,节省805千克。减少量是根据3人舱的长度和重量计算得出的。按照当时的设计,大多数任务可以由两名航天员执行。

美国宇航局约翰逊航天中心考虑过一个完整的空间太阳能概念体系,包括技术、环境和经济评估。在这个体系中,拖船将服务于太阳能电站(SPS)的施工。拖船分为人员轨道转移飞行器(POTV)或货物轨道转移载体(COTV)两种。其实区别仅仅在于运送的是人员舱还是货物舱。其中的OTV就是“太空拖船”。

约翰逊中心OTV的基本任务,是把载荷从低轨道(200~500千米)运送到到地球同步轨道,然后返回低轨道,上行过程耗时8至9小时。

OTV设计有三类主要任务:4名机组人员执行一周的地球同步设施维护任务,只需要运送一个乘员舱;
考虑到人体的允许辐射剂量,太阳能电站的施工和操作人员将至少每6个月轮换一次,需要运送1个乘员舱和1个乘客舱;
电站物资补给任务,运送180天所需要的消耗品、供应品和设备。

因为要往返地球静止轨道,所以OTV相当庞大。它从低轨道上启动时,推进剂装载量为106吨。怎么为它补充燃料,是个很麻烦的问题。

▲ 多尼尔公司的拖船方案

波音公司并没有在早期方案上止步。在1976年7月的美国宇航局/波音工作会议期间,波音还提出了核动力电推进推船方案。当时,喷气推进实验室的斯蒂穆斯发明了一种反应堆发电系统,采用了由热管冷却的高温快速反应堆技术,用热离子或高温布雷顿循环系统。根据计算,这种反应堆在满功率运行的情况下,10千米外的无防护人员就是安全的。加上防护罩就可以在更近距离上操作。

▲ 诺·格拖船方案的简化版

这种核热推进系统采用载人操作的非屏蔽防区外距离约为10千米。

1970年,欧洲发射装置发展组织(ELDO)也提出了太空拖船的概念。著名的多尼尔公司提出的方案,由核心舱(推进系统和基本推进剂负荷)和辅助舱(部署在核心舱周围,携带额外的推进剂)构成。辅助舱的数量可以根据任务的速度增量要求进行调整,最少2个、最多6个。如果6个辅助舱还不能满足速度增量要求,那么就可以采用分级携带方式。核心舱可以携带14.7吨推进剂,每个辅助舱可以携带6.6吨推进剂。如果不携带辅助舱,拖船可以把2吨的有效载荷送入地球静止轨道并返回,总速度增量8800米/秒。如果载荷增加到6100千克,那么核心舱只能做单程旅行。在两次任务之间,核心舱在低地球轨道上等待。

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