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在幾乎每一個(gè)海港里，我們都可以看到一種奇異的船只。它們個(gè)頭不大，有高高的艏樓和地坪的尾部。這些船裝著超大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)，它們自己不能載貨也不能載人，卻能拖著巨輪進(jìn)進(jìn)出出，這就是拖船。如今在太空里，也有它們的兄弟了。這些太空拖船，說(shuō)不定還能把飛船拖到月球和火星上去呢。

發(fā)射器公司的太空拖船

太空拖船是用來(lái)做什么的？

在傳統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)射當(dāng)中，經(jīng)常會(huì)遇到變軌的需求，也就是改變衛(wèi)星的軌道。有的時(shí)候，火箭只能把衛(wèi)星送到某一個(gè)高度或者傾角，然后衛(wèi)星要靠自己的發(fā)動(dòng)機(jī)，逐步前往預(yù)定軌道。在發(fā)射地球靜止軌道衛(wèi)星的時(shí)候，這樣的案例最為明顯。

另外在有些時(shí)候，一顆衛(wèi)星在某個(gè)軌道上完成了任務(wù)，就要機(jī)動(dòng)到另外一個(gè)軌道上去。當(dāng)衛(wèi)星徹底完成了自己的使命，準(zhǔn)備退休的時(shí)候，還需要把自己拖到墓地軌道上，把軌道位置讓給自己的繼任者，同時(shí)也避免成為軌道垃圾。

在傳統(tǒng)上，這樣的工作都要靠衛(wèi)星自己攜帶的發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)進(jìn)行。靜止軌道衛(wèi)星上的遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)，就是用來(lái)將衛(wèi)星從同步轉(zhuǎn)移軌道送往靜止軌道的設(shè)備。

但是衛(wèi)星自己攜帶這么大的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)是很重的負(fù)擔(dān)。在發(fā)射的時(shí)候，它是作為衛(wèi)星的一部分用火箭來(lái)送進(jìn)太空的。在衛(wèi)星飛行的絕大多數(shù)時(shí)間里，變軌發(fā)動(dòng)機(jī)都是處在閑置的狀態(tài)。軌道保持的任務(wù)，也并不一定需要大推力的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)。等到衛(wèi)星壽命結(jié)束，它又要隨著衛(wèi)星一起前往墓地軌道。終其一生，發(fā)揮作用的時(shí)間也沒有多少。變軌發(fā)動(dòng)機(jī)還需要攜帶相當(dāng)數(shù)量的燃料，當(dāng)衛(wèi)星壽命結(jié)束，如果燃料還沒有用完，就白白浪費(fèi)掉了。

要知道，人類送進(jìn)太空的每一克重量都是非常寶貴的。能不能有一種辦法，把變軌發(fā)動(dòng)機(jī)和衛(wèi)星分離開來(lái)，用其他的航天器把它們拖到要去的軌道上呢。宇航科學(xué)家們一直在考慮一種太空拖船的概念，也就是把一種具有強(qiáng)大推力的航天器部署在軌道里。它沒有通信、遙感或者導(dǎo)航載荷，唯一的用處就像港口的大馬力拖船一樣，幫助其他船只進(jìn)港和離港，也可以搶救故障的船只。

于是乎，商業(yè)太空拖船成了這幾年的一項(xiàng)新興業(yè)務(wù)。如果我們搜索航天媒體的關(guān)鍵詞“Spacetug”，就會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)名不見經(jīng)傳的企業(yè)，比如澳大利亞的“太空機(jī)器公司”、美國(guó)的“太空飛行公司”、“向量公司”等等。

太空機(jī)器公司提出的拖船方案

最早的太空拖船是什么樣的？

很少有人知道，太空拖船的概念早在上世紀(jì)40年代就出現(xiàn)了。埃里克·弗蘭克·羅素在1942年的短篇小說(shuō)《描述一個(gè)圓》中發(fā)明了這個(gè)概念。這篇小說(shuō)沒有中文版，作者本人也名不見經(jīng)傳。不過(guò)，spacetug這個(gè)詞匯確實(shí)是他發(fā)明的。也有人認(rèn)為是二戰(zhàn)后科幻作家默里·萊恩斯特提出了這個(gè)概念，他出版了一部小說(shuō)就叫做《太空拖船》，是《太空平臺(tái)》的續(xù)集。不過(guò)看來(lái)，羅素的想法確實(shí)更早一些。

在《描述一個(gè)圓》這篇小說(shuō)里，羅素想象了一艘采用四溴化鈾作為核燃料的宇宙飛船新澤西號(hào)，它試圖進(jìn)入赫克特小行星上的殖民地。這顆小行星是木星最大的特洛伊小行星。但是按照小行星殖民地的法律，外來(lái)飛船不能在距離100千米的軌道上開啟發(fā)動(dòng)機(jī)，所以殖民地派遣了一艘核動(dòng)力拖船布魯圖斯號(hào)前來(lái)接應(yīng)。布魯圖斯號(hào)采用核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，核裂變材料密封在一個(gè)熔融石英室中，所以被稱作核燈泡。羅素還很貼心地設(shè)想了兩艘核動(dòng)力飛船的對(duì)接方式，必須是鼻子對(duì)鼻子，裝有反應(yīng)堆的動(dòng)力部分必須處在遠(yuǎn)端的防護(hù)罩后面，不能直接面對(duì)駕駛艙。

按照這些早期概念，太空拖船是有人駕駛的小型飛船，配備了不成比例的超大型發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)械手，這與港口的拖輪概念一模一樣。拖船有兩種方式來(lái)驅(qū)動(dòng)自己的服務(wù)對(duì)象。如果是推動(dòng)，船頭就要設(shè)置一個(gè)巨大的推板，其中有一個(gè)結(jié)構(gòu)件核心，把發(fā)動(dòng)機(jī)的推力傳遞給推板。如果是拖拽，船尾會(huì)有纜繩和絞車，發(fā)動(dòng)機(jī)要傾斜一定的角度向后噴射，這樣不會(huì)燒壞被拖拽的航天器。但是這種情況下要損失一點(diǎn)推力。

到底什么是太空拖船？

到了今天，太空拖船的定義更加清晰了，它是一種航天器，可以把太空里的物體從一個(gè)軌道轉(zhuǎn)移到另一個(gè)軌道。例如，將航天器從低地球軌道（LEO）移動(dòng)到高軌道，如地球靜止轉(zhuǎn)移軌道、月球轉(zhuǎn)移軌道或逃逸軌道。

一般來(lái)說(shuō)，太空拖船指的是可重復(fù)使用的天基飛行器。有些人把火箭上面級(jí)也叫做太空拖船。上面級(jí)是運(yùn)載火箭的一部分，在很多時(shí)候都是用來(lái)實(shí)施一箭多星發(fā)射任務(wù)的，比如中國(guó)的遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)、美國(guó)的半人馬座上面級(jí)、俄羅斯的微風(fēng)上面級(jí)。但是上面級(jí)的使用時(shí)間也是有限的，當(dāng)所有的衛(wèi)星都進(jìn)入了預(yù)定軌道，上面級(jí)的任務(wù)就完成了，而這個(gè)時(shí)候上面級(jí)的絕大多數(shù)部件包括結(jié)構(gòu)、燃料儲(chǔ)罐、推力器、姿態(tài)和軌道控制系統(tǒng)都處在完好的狀態(tài)，就這樣扔在太空里實(shí)在有點(diǎn)浪費(fèi)。還有一種新概念航天器，也被支持者們歸入太空拖船的行列，那就是諾斯羅普-格魯曼公司首發(fā)的地球靜止軌道衛(wèi)星延壽器MEV。它所采用的技術(shù)和太空拖船有很多相似之處。

在軌服務(wù)有時(shí)也被歸于拖船類

但火箭上面級(jí)和衛(wèi)星延壽器這些航天器和太空拖船還是有所差異。太空拖船僅是那種把航天器在不同軌道甚至不同星體之間拖來(lái)拖去的設(shè)備，拖拽到位，兩者就分手了，就像港口的大馬力拖船一樣。

太空拖船現(xiàn)在發(fā)展的怎么樣了？

進(jìn)入21世紀(jì)后，試圖開展太空拖船研制的企業(yè)很多。俄羅斯能源公司于2005年提出了一種名為Parom的太空拖船概念。當(dāng)時(shí)俄羅斯正在考慮研制“快帆”新一代載人飛船。有了Parom拖船，“快帆”可以不帶燃料上天，進(jìn)入轉(zhuǎn)移軌道后靠拖船送到國(guó)際空間站。這樣可以降低發(fā)射成本。2015年，洛克希德·馬丁公司向美國(guó)宇航局提出了一個(gè)名為“木星”太空拖船的概念方案，該方案基于洛克希德·馬丁公司的兩個(gè)早期航天器“火星大氣和揮發(fā)性演化任務(wù)”和“朱諾”的設(shè)計(jì)，安裝一個(gè)加拿大MDA公司的機(jī)械臂。不過(guò)美國(guó)宇航局沒有為它提供資金，洛克希德·馬丁公司也就放棄了。

這幾個(gè)型號(hào)沒有成功，是因?yàn)樵诤教彀l(fā)射還不算太頻繁，商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)并不成熟的時(shí)候，太空拖船找不到足夠的客戶，也就沒有了研制和運(yùn)行的基礎(chǔ)。

如今隨著各種火箭頻繁發(fā)射，宇航發(fā)射越來(lái)越接近于航班化運(yùn)行。獵鷹9號(hào)火箭已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了每年超過(guò)40次的發(fā)射，幾乎每個(gè)星期都能發(fā)射一次，未來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)一個(gè)星期發(fā)射兩次，那么再加上其他國(guó)家正在研制的有希望實(shí)現(xiàn)航班化飛行的火箭，在今后幾年時(shí)間里，很可能出現(xiàn)一天發(fā)射好幾次火箭的情況。

對(duì)于火箭發(fā)射來(lái)說(shuō)，比較理想的方式就是把衛(wèi)星統(tǒng)一送到某一個(gè)軌道面上，再用別的辦把衛(wèi)星送往預(yù)定軌道，這樣可以極大地提高火箭飛行的效率。如果有一種長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的拖船，不停地從原始軌道把衛(wèi)星拖到各自的預(yù)定軌道上，那不就成了一門有利可圖的生意嗎？

在很多海港里，就有這樣的服務(wù)。很多大型船只在靠港或者離港的時(shí)候，因?yàn)榇睚嫶蟆⒉僮鞑混`，容易發(fā)生碰撞事故，這時(shí)候就需要拖船來(lái)把它們準(zhǔn)確送到預(yù)定位置。如果船只在海上發(fā)生事故，也需要拖船去搶救。一些失去動(dòng)力的船想要長(zhǎng)途航行，只能靠大馬力拖船來(lái)拉著走。當(dāng)船只報(bào)廢，要進(jìn)入拆船廠，同樣需要拖船把船只推到海灘上。太空拖船正好可以承擔(dān)同類任務(wù)，只是場(chǎng)景換到了太空里而已。

從航天技術(shù)本身的角度來(lái)說(shuō)，這相當(dāng)于設(shè)置了一個(gè)長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的上面級(jí)，可以分享給很多的衛(wèi)星來(lái)使用，每顆衛(wèi)星的業(yè)主只需要支付自己那一段航程就可以了，而不用買一套完整的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或者上面級(jí)，想起來(lái)還是蠻劃算的。

于是乎，有不少新興企業(yè)提出了一種“太空拖船即服務(wù)”的概念，希望能讓衛(wèi)星業(yè)主在部署和維護(hù)衛(wèi)星方面擁有更大的靈活性。

太空拖船的市場(chǎng)需求，號(hào)稱是商業(yè)化最后一英里交付服務(wù)。美國(guó)太空飛行公司的工程副總裁菲爾·布拉肯說(shuō)：“太空拖船有潛力從根本上改變小型衛(wèi)星市場(chǎng)。有了這種服務(wù)，此前一度無(wú)法到達(dá)的軌道，對(duì)衛(wèi)星業(yè)主就是可行的選擇，能夠滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)對(duì)軌道多樣化的需求。”

最近幾年，有大量的小衛(wèi)星入軌，但大多數(shù)小衛(wèi)星客戶都只是在進(jìn)行技術(shù)演示驗(yàn)證。有一些大規(guī)模星座的業(yè)主會(huì)購(gòu)買大型火箭服務(wù)來(lái)部署星座。但是很多小衛(wèi)星必須達(dá)到非常特殊的軌道，才能獲得最佳的創(chuàng)收服務(wù)。這種“極端的最終軌道狀態(tài)”，無(wú)論是搭載發(fā)射服務(wù)、拼車發(fā)射服務(wù)，還是專用小型運(yùn)載火箭都無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這就給太空拖船提供了機(jī)會(huì)。

另外，為減少空間碎片，報(bào)廢衛(wèi)星的脫軌問(wèn)題，也對(duì)太空拖船提出了需求。一部分企業(yè)已經(jīng)表示，要提供從搖籃到墳?zāi)狗?wù)的太空拖船服務(wù)。

太空拖船可以用來(lái)清理軌道碎片

比如美國(guó)太空飛行公司開發(fā)了一種叫“夏爾巴人”的系統(tǒng)。它其實(shí)是一種類似于上面級(jí)的型號(hào)，帶有推進(jìn)和電力系統(tǒng)。2018年12月，“夏爾巴人”搭乘獵鷹9號(hào)火箭首飛，部署了來(lái)自17個(gè)國(guó)家的64顆小型衛(wèi)星。但它更接近于上面級(jí)，而不是反復(fù)使用的拖船。

夏爾巴人太空拖船更類似于上面級(jí)

意大利空間物流和運(yùn)輸公司D-Orbit開發(fā)了InOrbitNOW（ION）衛(wèi)星載體。2022年5月25日，該公司在獵鷹9號(hào)火箭的Transporter-5任務(wù)中搭載發(fā)射了第六顆飛行器“無(wú)限藍(lán)”。

有了太空拖船，衛(wèi)星在發(fā)射后進(jìn)入某個(gè)等待軌道，然后用拖船送到預(yù)定軌道。有了這樣的服務(wù)，業(yè)主可以減小衛(wèi)星的自身變軌能力，甚至完全不考慮變軌能力，完全依靠拖船，以此來(lái)降低成本。

“太空拖船有潛力從根本上改變小型衛(wèi)星市場(chǎng)，”太空飛行工程副總裁菲爾·布拉肯說(shuō)。“有了在軌推進(jìn)能力，由于成本或推進(jìn)能力，一度無(wú)法到達(dá)的軌道將是可行的選擇，可滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)對(duì)軌道多樣化的需求。”

主打一個(gè)經(jīng)久耐用的太空拖船應(yīng)該使用什么燃料？

既然是長(zhǎng)期運(yùn)行的拖船，那么就不可能采用那種很快就消耗完的化學(xué)燃料，比如說(shuō)無(wú)水肼之類的。太空拖船需要一種能夠使用好幾年也不用補(bǔ)充耗材的能源方式。到目前為止，有兩種技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)這樣的要求，第一種就是電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第二種是核動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)然這兩種技術(shù)之間可能存在交叉。電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是我們非常熟悉的，它依靠太陽(yáng)能或者核能提供電力，通過(guò)高速噴射離子的方式來(lái)產(chǎn)生推力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的問(wèn)題是推力比較小，比如說(shuō)一兩牛頓，用它來(lái)拖帶衛(wèi)星，可能需要消耗比較長(zhǎng)的時(shí)間，適合于那種不著急讓衛(wèi)星投入使用的客戶。核動(dòng)力也有兩種，一種是用同位素電池來(lái)發(fā)電，提供給離子發(fā)動(dòng)機(jī)使用；另一種就是核熱火箭發(fā)電機(jī)，它通過(guò)反應(yīng)堆把水之類的介質(zhì)加熱到氣態(tài)，具備很高的壓力，然后用每秒9000多米的速度噴射出去。核熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖雖然比離子發(fā)動(dòng)機(jī)要小很多，但是能夠?qū)崿F(xiàn)的總推力是非常可觀的。比如俄羅斯提出的VASIMR等離子體火箭，只需9噸氬氣推進(jìn)劑即可往返月球，將34噸貨物從低地球軌道運(yùn)送到低月球軌道。

太空拖船一般采用離子發(fā)動(dòng)機(jī)

太空拖船怎么才能把衛(wèi)星拖走，同樣是一個(gè)需要解決的技術(shù)問(wèn)題。如果僅僅是打算把一顆衛(wèi)星拖到墓地軌道上報(bào)廢，那么在拖船上裝一套機(jī)械手就可以了，用機(jī)械手不分青紅皂白地抓住舊衛(wèi)星，啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)就可以啟航了，但是如果要把新衛(wèi)星送到工作軌道上，機(jī)械手的粗暴操作很可能就會(huì)損壞衛(wèi)星。因此必須要為后一種用途設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，將拖船用機(jī)械臂或者其他的連接器與受服務(wù)的衛(wèi)星穩(wěn)妥地連接在一起，再拖著它前往預(yù)定軌道。這實(shí)際上就是一種合作目標(biāo)的空間交會(huì)對(duì)接。在這個(gè)問(wèn)題上，載人航天器的艙段對(duì)接能夠?yàn)槲覀兲峁┖芏嗉夹g(shù)參考，特別是空間站的機(jī)械臂和艙段部件之間采用了標(biāo)準(zhǔn)化的接口，為機(jī)械臂進(jìn)行艙段轉(zhuǎn)位提供了良好的條件。

如果太空拖船要為整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)提供服務(wù)，那么業(yè)界就必須統(tǒng)一出一種普遍適用的接口標(biāo)準(zhǔn)來(lái)。目前這項(xiàng)工作還沒有完全提上議事日程。按照產(chǎn)業(yè)的一般規(guī)則，這件事需要通過(guò)商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)決定。