□ 张雪松

紧急救护飞船：有翼航天器的希望

□ 张雪松

国际空间站是目前人类建造的最大、运行时间最久的的载人航天器，目前常驻6人，大约每半年轮换一次。航天员在天上也成不了不食人间烟火的仙人，同样会生病，甚至可能出现严重疾病，万一真的出现重病怎么办呢？现有的“联盟”号载人飞船，甚至未来的载人“龙”飞船和“星际线”飞船都存在过载较大的问题，所以一些美国工程师提出了一个独特的方案，以成功的X-37B无人航天器为基础，研制国际空间站救护飞船。

救护飞船概念的提出

我们对救生飞船的概念都并不陌生，无论是“联盟”号飞船或是X-38飞船都有这样的用途。国际空间站是人类在太空最大的“家园”，但这一人造航天器也可能发生严重故障，或是被太空垃圾击中失效，需要航天员紧急逃生。救生飞船只考虑了航天器硬件的情况，“联盟”号飞船还可以应付，但如果航天员本身出现问题，比如患上疾病急需送回地面怎么办呢，这种情况下“联盟”号飞船并不是合适的选择。

航天员在太空飞行中患上疾病并不罕见，根据人类现有的载人航天史的数据积累，假定国际空间站采用7人制乘组编制，那么每2.4年可能发生一次2级医疗事件，同样的情况下3级医疗事件的发生几率为15年内1到3次。2级医疗事故以心律失常和肺炎为代表，3级医疗事件包括诸如视网膜脱落以及急性阑尾炎等病症。如果发生这样的急性疾病，国际空间站上并没有合适的医疗手段，必须运回地面处理，但现有天地往返的运载工具比如“联盟”号、载人“龙”飞船或是“星际线”飞船，实在不是一个合适的选择。以“联盟”号飞船为例，返回舱容积约4立方米，航天员在内部十分拥挤，更糟糕的是飞船再入和着陆的过载很大，半升力的典型再入过载是4g～5g，如果出现控制失误以纯弹道方式再入，过载更是高达8g，本来就身染重病的伤员，如何经得起这样的摧残呢。“联盟”号飞船虽然很多年没有出过船毁人亡的灾难性事故，但小问题却不少，早期统计乘坐“联盟”号天地往返的24名美国航天员中就有9人受伤，这种安全性更是病人无法承受的。姑且不论未来人类在太空中工作生活规模的扩大，仅仅是国际空间站本身的伤患救护就是个大问题，怎么办呢？新救护飞船概念浮出水面，它们利用升力可以做到较低的过载，更适合运送伤患航天员返回地面。

美国航空航天学会（AIAA）召开的2016年航天会议上，长滩会议中心的罗宾逊等人提出了一个独特的概念：在X-37B小型航天飞机的基础上为国际空间站研制急救护飞船！其实这并非全新的概念，技术人员早就知道有翼/升力体航天器低过载的优势，只不过人类载人航天规模一直不大，病患应急返回并没有提上日程，但有翼航天器低过载再入的优势却早已得到认可。

HL-20从“自由”号空间站返回

美国航天员约翰·格伦1998年可以以77岁高龄再次进入太空

狭窄的“联盟”号飞船返回舱

低过载航天器的历史

神舟十一号飞船刚刚返回，它使用钟形返回舱，但并非像早期返回式卫星那样弹道式再入，而是具有一定的升力，属于半弹道式飞船。尽管如此，诸如“联盟”号和神舟这样的飞船在返回问题上仍然很麻烦，飞船落点误差较大，每次直升机搜索都要大费周章，更糟糕的是，半弹道再入时飞船的过载仍然不小，这就要求航天员进行足够的训练，制约了选材范围。要让更多的人往返太空，不仅需要发展可重复使用的火箭降低发射成本，降低再入过载放宽对航天员的要求，也是一个重要因素。

俄罗斯的“联盟”号飞船和我国的神舟飞船，以及美俄新一代的“猎户座”飞船、载人“龙”飞船、“星际线”飞船和“联邦”飞船都是半升力的飞船，新一代飞船的落点精度大有提高，但过载仍然较大。有没有办法降低过载呢？其实早就有了，早在35年前的1981年，美国航天飞机就首次发射升空，再入滑翔数千千米后在肯尼迪中心的机场降落。航天飞机的再入过载较小，所以美国航天员约翰·格伦1998年可以以77岁高龄再次进入太空。遗憾的是，随着美国载人航天重点转向深空，2011年航天飞机退役，美国航天局官方的“猎户座”飞船以及商业航天的载人“龙”飞船和“星际线”飞船取而代之。

成功投入运行的低过载航天器只有航天飞机一种，但是航天飞机绝非工程师们的唯一梦想。美国曾计划研制“戴纳索”军用助推-滑翔小型航天飞机，苏联针锋相对地提出了螺旋计划，并发射BOR-4缩比飞船进行试验。升力体BOR-4的设计还影响到美国人，产生了HL-20人员发射系统的概念。HL-20将是一种低运营成本、高可靠性和安全性的航天器，可作为航天飞机的载人备份，以及“自由”号空间站的救生飞船。由于“自由”号空间站的取消，以及研制开销太大，最终HL-20项目被迫取消。尽管如此，对这类有翼或升力体飞船的需求从未消失，这类飞船具有很低的过载，不仅可以运送更“娇贵”的载荷物资，更可以放宽对航天员身体的要求，是救生和救护飞船的首选。

上图：1995年美国航宇局决定研制一种升力体救生飞船，这就是著名的X-38

左图：“追梦者”飞船不仅具有很好的复用能力和自动着陆能力，飞行中过载很低，非常适合运送航天员和载荷返回地球

远去的X-38和“追梦者”

20世纪90年代随着“自由”号空间站的后继“阿尔法”空间站（也就是国际空间站）项目的进行，救生飞船再一次提上日程。1995年美国航宇局决定研制一种升力体救生飞船，这就是著名的X-38。X-38飞船由轨道科学公司负责研制，它具有很长的在轨飞行时间，一些说法认为可达4000天（约11年），不过独立飞行时间只有7小时，是货真价实的救生飞船。它最优秀的特征是低过载再入，以及全自动着陆能力。

X-38的研制更多地考虑了原有飞船的不足，比如俄罗斯的“联盟”号飞船在轨飞行时间只有180天，每半年必须更换一次，而且“联盟”号飞船载人只有3人，至少需要两艘飞船才能保证救生。X-38飞船设计上是一种乘员返回飞行器，它可以运送7名航天员全自动再入大气层，减速后在12000米高度展开翼伞，此外它底部还装有滑橇装置进行着陆。X-38飞船的研制比较顺利，但国际空间站预算面临严重超支，美国航宇局不得不在完成约90%的研制工作后，于2002年被迫放弃了X-38救生飞船项目。

目前国际空间站使用“联盟“号飞船进行天地往返和应急救生任务，未来还会增加载人“龙”和“星际线”飞船，新飞船即使增加了载人数量，外加反推精确着陆的新技术，但再入过载大，始终令人不太满意。无数航天爱好者们扼腕叹息，认为美国航宇局的商业载人航天计划放弃载人的“追梦者”飞船并非明智的选择。“追梦者”飞船基于HL-20人员发射系统展开进一步研制，它赢得了美国航宇局CCDev项目的合同，在进一步的CCiCap项目中也倍受青睐，遗憾的是美国航宇局2014年9月最终选定CCtCap的两家获胜者时，保守地选中了载人“龙”和“星际线”飞船，升力体的“追梦者”飞船最终落败。即使如此，开发商内华达山脉公司仍进一步推动“追梦者”飞船的研制，并表示看好“追梦者”飞船的应用，尤其是升力体机体复用和低过载再入带来的独特优势。“追梦者”飞船不仅具有很好的复用能力和自动着陆能力，飞行中过载很低，非常适合运送航天员和载荷返回地球。

借尸还魂的救护飞船

国际空间站航天员伤患的救护问题已经浮出水面，而航天飞机早已退役，“追梦者”飞船也落标，现在航天员如果遇上视网膜脱落以及急性阑尾炎等严重疾病，除了硬挺就只能靠“联盟”号这样并不安全的飞船碰运气了。为什么不研制专用的医疗救护飞船呢？

伤患救护的任务对救护飞船提出了很多独特的要求：伤患病人不可能一个人返回地面，至少需要一个队医陪同；返回速度必须足够快，神舟号飞船历次任务那样隔一天才落地或是现在“联盟”号飞船这样当天落地，都有些太慢了，美国人认为必须在3小时内完成从国际空间站脱离到着陆的全程。此外在轨飞行时间也要足够长，“联盟”号飞船那样半年的寿命是不行的，罗宾逊认为对接国际空间站在轨飞行时间至少要高于2年，以降低救护飞船的使用成本；作为一种运送伤病员的救护飞船，它还要求再入着陆的过载尽可能小，以及可以运送仰卧姿态的患者，另外还要保证仰卧姿态的伤病员在飞行期间可以得到医疗护理；飞船除了可以在政府和军队机场跑道着陆，还要具备在商业机场着陆的能力，并具备着陆后第一时间取出船员的能力。根据这些需求，无论是现役的“联盟”号飞船还是即将诞生的载人“龙”或“星际线”飞船，都不适合改装为医疗救护飞船，它们不是无法快速返回地面，就是再入过载太大，或是着陆精度不佳。

X-37B再入

X-37B

X-37UCD乘员舱模型

罗宾逊等人对此提出了新的方案：既然美国空军X-37B小型航天飞机在多次飞行中表现不错，何不以此为基础研制救护飞船呢。罗宾逊提出的X-37救护飞船（X-37UCD）改动不大，但它并非把X-37B的货舱直接换成载人舱那么简单。首先它抛弃了X-37B的四氧化二氮+甲基肼的有毒推进剂，以防对航天员造成意外的伤害；其次它无需X-37B那样强大的机动能力，只需要基本的减速再入能力，所以飞船提供的速度增量只有135米/秒；最后，为了满足救护飞船多人返回，尤其是运送仰卧状态伤病员的需要，它的载人舱长度从X-37B货舱的2.1米增加到4米，内部容积增加到4.2立方米。X-37UCD飞船使用成熟和得到检验的X-37B飞行器为基础，具有很高的人员安全性，具备人员快速进出能力，可以满足多种医疗救护任务的特殊需求。

航天飞机的再入下降和着陆过程的过载最高不过1.6g左右，X-37UCD飞船经过专门设计后还可以进一步降低到1g左右，从而为伤病航天员提供最舒适的返回过程。X-37UCD飞船的3人制乘员舱备选4种配置方式。第一种方式中驾驶员相对独立，乘组医生可以从左右两边对病人进行护理，但无法对病人进行全身护理，而且病人的腿伸直后没有多余空间。第二种方式中病人的腿部有充足的活动空间，也可以左右侧对病人进行护理，但仍无法做到全身护理，而且驾驶员失去独立空间，病人的出入也不方便，还可能承受更大的过载。第三种方式具备第一种方式的优点，不过配置上更为紧凑，不仅实现了乘组医生对病人进行全身护理，而且病人进出飞船更方便；不过由于病人位于医生的一侧，无法对另一侧进行有效的医疗护理，而且舱内的空间利用有点浪费。第四种方式中，舱内人员空间配置更为紧凑，为病人提供了充足的腿部活动空间，可以对病人进行全身护理，但是病人的出入不太方便，承受的过载可能更大，此外驾驶员也没有独立空间。综合可能遇到的各种因素，罗宾逊等人倾向于第三种空间配置方案，并制作乘员舱模型进行了初步试验。为了尽快进出飞船，研究人员还讨论了进出舱口的设置位置，综合热防护系统的连续性、主发动机和姿控发动机位置、接近和对接选择以及飞船内部结构，选中了尾部舱口方案。

X-37UCD方案目前已经完成了人员配置，出舱口位置选择等工作，制造了缩比例和全尺寸模型进行试验，并开始初步的内部容积评估。不过这只是X-37UCD概念万里长征的第一步，将来它还需要进行更多的模拟实验，并对飞船的电力系统、推进系统以及环境控制和生命保障系统进行更多的研制工作。

按照计划，2024年国际空间站将退役，如果没有更多的载人航天工作，X-37UCD救护飞船恐怕只能停留在纸面上。即使2024年后国际空间站商业化，商业航天公司为了省钱恐怕也只会使用载人“龙”飞船或“星际线”飞船。2022年后中国的空间站即将全面建成使用，而它的设计寿命大于10年。为了给航天员提供更好的医疗保障，类似X-37UCD的方案对于中国载人航天来说倒是很有必要的。