空军未能发射的载人轨道实验室

美国国家航空航天局 (NASA)

1966年11月3日上午8:50,一枚泰坦三世C型导弹从卡纳维拉尔角40号发射综合设施发射升空。它携带了一艘航天器,即经过翻新的双子座2号航天器,现命名为双子座B号,以及一个由泰坦II第一级氧化剂罐制成的模拟实验室模块。双子座B号沿着预定的亚轨道轨迹飞行,发射后39分钟溅落在南大西洋的阿森松岛附近。与此同时,泰坦号的上级转移级将模拟实验室及其卫星载荷送入了一个近乎圆形的轨道,位于地球上方约191英里处。实验室的轨道迅速衰减,1967年1月9日,美国空军载人轨道实验室空间站计划的唯一一次任务,随着其最后残余在大气层中燃烧殆尽而结束。

涉足高超音速领域

1952年,贝尔飞机公司的总工程师鲍勃·伍兹向国家航空咨询委员会(NACA)发送了一份备忘录,呼吁开展一项高超音速研究计划。火箭发动机已经能够常规地使飞机超越音速飞行。飞机能达到高超音速,以超过马赫数5的速度,即音速的五倍以上在空中飞行,只是时间问题。在伍兹看来,现在是时候建造一架高超音速研究飞机,以开始研究如何在这些惊人的速度下保持飞行员的生存。

两年后,伍兹提出的高超音速研究飞机X-15问世。它是一种小型、由火箭驱动的飞机,设计飞行速度高达马赫数7,高度可达250,000英尺。当它在返回地球着陆时,它将类似于航天器从轨道返回。很明显,太空时代即将到来,而将飞机转变为太空飞机的载具,在X-15甚至还没有离开地面之前就已经在开发之中了。这是一种滑翔机,设计用于通过火箭垂直发射入轨。绕地球轨道飞行后,它将以高达马赫数20的速度穿过大气层返回,然后无动力但可控地在跑道上着陆。

美国国家航空航天局 (NASA)

在20世纪50年代中期,这种高超音速滑翔机出现了多种形态。BoMi(Bomber Missile的首字母缩写,意为轰炸机导弹)和ROBO(Rocket Bomber的首字母缩写,意为火箭轰炸机)是两种武器化的版本。两者都将由飞行员在穿越高层大气时轰炸敌国。另一方面,Brass Bell是一种非武器化的侦察载具,设计用于从轨道收集情报。1956年,滑翔机概念被纳入HYWARDS计划,这是“hypersonic weapon and research and development system”(高超音速武器研发系统)的缩写。该系统也称为武器系统464L,后来因其动态滑翔着陆剖面而被昵称为Dyna-Soar。

Dyna-Soar的进展缓慢。随后,苏联于1957年10月4日发射了斯普特尼克号,国家迫切需要将宇航员送入太空,这使得Dyna-Soar计划脱颖而出;它是当时唯一一项能够将宇航员送入轨道的在研项目。同年10月,该项目得到了国防部(DOD)的认可,成为美国迈向太空飞行的下一步,到1958年1月,美国空军和国家航空咨询委员会(NACA)开始合作,以实现Dyna-Soar的问世。

但是,Dyna-Soar从概念走向现实并非一帆风顺。该计划在NACA转变为美国国家航空航天局(NASA)的过程中得以幸存,但新的航天机构将重心放在其自身的“水星计划”上,导致Dyna-Soar缺乏全面支持。1959年2月,该滑翔机计划主要被定义为一个武器计划。4月,它被重塑为一个亚轨道高超音速研究计划。5月,它再次被重新定义为一个武器系统;工程问题被搁置,转而确定该系统的真正军事潜力。该项目面临失败的风险,并非由于技术原因,而是因为它缺乏明确的方向。

到1960年中期,波音公司开始制造Dyna-Soar的硬件,空军已经确定它适合载人航天飞行,并且国防部承诺在整个轨道飞行阶段为该计划提供资金。甚至尝试通过取消无人任务来快速推进整个计划。空军希望Dyna-Soar能够立即进行载人轨道飞行。

波音

民用航天器的军事用途

两年后,Dyna-Soar在实现入轨方面并没有取得多大进展,而在太空领域,NASA正在与空军展开竞争。该机构已经成功完成了轨道水星任务,其下一个计划“双子座”也正在开发中。这将是该机构迈出的一大步。作为一艘更先进的航天器,“双子座”设计用于支持两名宇航员在太空中停留长达两周,并使用降落伞系统在跑道上着陆。

“双子座”的先进性引起了空军的兴趣,在1962年2月的国会听证会上,一项使用该航天器的军事计划开始成形。到6月份,一项概念已经发展成:一艘“双子座”航天器将把军事宇航员运送到一个名为“载人轨道开发系统”(Manned Orbital Development System,MODS)的四人空间站,并从中返回。MODS将探索长期太空飞行的挑战,存放用于实验的实验室设备,并携带自己的供应模块和推进系统。8月,这艘军事“双子座”被命名为“蓝色双子座”(Blue Gemini),并出现了一项提案,呼吁空军执行六次“双子座”任务,作为MODS计划的早期训练阶段。

国防部长罗伯特·麦克纳马拉迅速放弃了“蓝色双子座”和MODS,因为这在很大程度上是在复制NASA的计划。NASA局长詹姆斯·韦伯也不热衷于该计划,担心这会模糊民用太空探索与低地球轨道军事化之间的界限。但军事界对“双子座”的兴趣依然存在。1963年9月,空军开始向几家航空航天公司征求概念研究,结果是开发出了一艘名为“双子座B号”的航天器,它将与一个25英尺长的圆柱形实验室模块对接并绕地球轨道运行,该模块可以支持乘员长达一个月。甚至麦克纳马拉也仍在考虑“双子座”的潜力。

美国国家航空航天局 (NASA)

Dyna-Soar的终结

多年来,Dyna-Soar的主要卖点在于其可操纵的再入和着陆能力,但麦克纳马拉意识到没有人认真考虑它在轨道上实际会做什么。现在,“双子座”出现了一个同等的地球轨道计划,具有可控的再入能力,并且得到了NASA多年经验的支持。Dyna-Soar失去了优势,麦克纳马拉面临的问题是,与“双子座”轨道计划相比,空军从继续推进Dyna-Soar轨道计划中能获得什么。

由于不确定Dyna-Soar的未来,麦克纳马拉下令对高超音速滑翔机和“双子座”进行比较研究。结果各不相同。许多人认为Dyna-Soar是美国军事太空计划的最佳选择,但麦克纳马拉最终站在了那些认为利用NASA的经验来发展空军“双子座”衍生项目更有益的人一边。

1963年12月10日,麦克纳马拉宣布取消Dyna-Soar,并创建了载人轨道实验室(Manned Orbiting Laboratory,MOL)计划。为了加快项目进展,降低成本,最重要的是避免重复,NASA与国防部达成了合作协议,共同将该项目变为现实。

载人轨道实验室

MOL立即进入了审查阶段;麦克纳马拉知道,获得白宫和国防部的支持取决于证明其军事必要性。1964年1月,MOL的基本目标和指导方针得以确立,该计划被定位为旨在开发增强和改进军事太空能力的技术,并演示在轨空间站的组装。计划在空间站上进行的实验与军事目标相关,包括预警系统、弹道导弹防御、轨道卫星的探测和检查,以及潜在陆基核试验的侦察和监视。

图片来源:圣迭戈航空航天博物馆

基本任务结构也在此期间出现。宇航员将乘坐“双子座B号”航天器,搭载一枚泰坦III C型导弹发射升空。当整个组合体垂直矗立在发射台上时,航天器下方、隔热罩下方将对接2000立方英尺的任务测试舱,后来更名为实验室舱。这将容纳所有实验设备,并为乘员提供充足的工作空间。任务结束后,乘员将乘坐“双子座B号”返回地球。而实验室舱则留在轨道上,可以接待第二个乘员,或者遵循远程指令重新进入大气层并燃烧殆尽。

有效载荷的总重量约为20,500磅——“双子座B号”6,000磅,实验室舱8,000磅,实验载荷4,500磅,另外还有2,000磅的余量用于任何后期添加。这使得MOL完全在泰坦III C型导弹25,000磅的有效载荷能力之内。

基本任务确定后,MOL预计将在1966年进行一系列无人任务,载人飞行将于1967年或1968年初开始。总成本,包括六个实验室舱、三个备用航天器和一个地面测试单元,预计在15亿到25亿美元之间。现在剩下的是细节问题。

美国空军/国防部

定义与完善

1964年,空军有兴趣将一些阿波罗硬件集成到MOL中,但这个想法很快就夭折了。月球是国家优先事项,任何对月球任务硬件的二次利用都必须等到1970年以后。MOL将仅限于使用“双子座”硬件。

限制使用“双子座”硬件并不一定能解决阿波罗硬件会解决的问题。一个问题是乘员转移。实验室舱发射时对接在“双子座B号”隔热罩的后面,这意味着乘员转移是任务规划者必须解决的一个主要技术难题。

曾短暂讨论过让乘员在“双子座B号”和实验室舱之间进行太空行走,但这种未经测试的方法风险太大。这个想法被放弃了,尽管舱外活动(EVAs)仍作为紧急措施保留。通过一个可伸缩的通道连接“双子座B号”的舱门和实验室舱的舱门进行转移是可行的,但由于它需要重大的结构改造,最终被放弃了。通过铰链摆动“双子座B号”以使两个航天器的舱门对齐的想法也因同样的原因被放弃了。最后一个选择是,在“双子座B号”的隔热罩上开一个洞,让乘员使用内部通道在航天器之间转移。这个解决方案极其简单,尽管它引起了对重新进入时被切割的隔热罩完整性的严重担忧,但它仍然作为乘员转移方式被采纳。

其他的考虑也使得MOL与NASA的“双子座”计划保持高度一致。空军决定实验室舱将拥有自己的自主惯性导航系统。一个复杂的车载数字计算机需要能够解决复杂的轨道力学问题,为乘员提供接口,并能够与“双子座B号”和泰坦III C型进行通信。当然,这台计算机需要电力。任务规划者因电池的重量和功率限制而拒绝使用电池,因辅助动力装置寿命有限而拒绝使用它们,因太阳能电池板在MOL这样的小型空间站上笨拙且碍事而拒绝使用它们。这就剩下燃料电池,与NASA计划在后期的“双子座”和“阿波罗”任务中使用的相同。这项技术并非完全做好飞行准备,但MOL的规划者们相信,到空间站准备发射时,它们将是可靠的。与“双子座”一样,这些燃料电池也将为高频(VHF)定向无线电设备供电,并配备类似的空对地中继系统,以便地面站能够跟踪任务。

美国国家航空航天局 (NASA)

MOL的另一个与“双子座”相似之处是其发射逃逸系统。NASA在其“双子座”航天器中使用了弹射座椅,而不是像在“水星”和“阿波罗”任务中那样使用逃逸塔,以减轻重量;考虑到该航天器未来的应用,其设计者希望保持基础重量的低位。这些弹射座椅足以将宇航员从爆炸的泰坦II导弹中救出,但空军使用的是更大的泰坦III C型。除了液体燃料第一级和上层转移级外,该泰坦还有两个固体火箭发动机,它们将在第一级点火前几秒钟点火;它们被认为是零级。如果这枚火箭爆炸,会有更多的燃料助长火球。NASA的弹射座椅无法拯救“双子座B号”的乘员,但发射逃逸塔的重量同样对该计划不利。解决方案是一种折衷。Gemini B将使用弹射座椅,并配合安装在航天器适配器部分的火箭。

MOL正在变得越来越复杂,但同时也越来越先进,这将巩固空军在太空中的地位。但是,该计划面临的外部挑战比乘员转移方法和电源问题更难解决。

新的竞争

当MOL首次构思时,NASA的重点是“阿波罗”登月计划。但到1964年底,该机构的领导层开始意识到,在登月之后,其未来是不确定的。为了将其在太空中的核心作用扩展到“阿波罗”计划之后,NASA开始规划一个后续计划,称为“阿波罗延期支持”(Apollo Extension Support,AES)计划或“阿波罗X”(Apollo X),其目标之一是利用其先进的“双子座”和“阿波罗”硬件建造一个空间站。

MOL突然受到了国会的抨击。随着NASA不断取得成功,MOL似乎提供了比太空机构设想的功能较弱的版本。来自总统林登·约翰逊的反对声音也开始出现,他正在寻求连任。在1964年的选举季中,约翰逊的共和党挑战者巴里·戈德华特认为,应该将更多精力投入到军事太空计划中。这促使约翰逊放弃MOL,转而支持NASA纯粹的民用计划。他只批准了MOL的有限资金,即使在赢得选举后,他也向麦克纳马拉承诺,他只会支持MOL作为一个先进概念研究,以开发实验硬件。总统不会支持MOL成为一个成熟的项目。

毫不气馁的麦克纳马拉坚持MOL,尽管资金不足,仍批准了继续开发。1965年初,国防部和NASA宣布了MOL的进一步合作,强调一种统一的方法,双方将充分利用现有技术,避免任务重复。但重复似乎不可避免,国防部很快开始研究如何扩大MOL的能力,以证明该项目持续开发的合理性。通过大量的修改,国防部官员认为MOL能够支持乘员在轨道上停留长达四个月,可以与“双子座”或“阿波罗”对接,以便在任务中进行补给或更换乘员,并通过对接几个模块来增加工作空间。对国防部来说,MOL显然是必要的。

NASA,经由Astronautix

空间站的终结

约翰逊总统最终接受了MOL。1965年初,他正式批准了该计划,前提是它将满足国防部在太空中的所有需求,并支持NASA正在进行的努力。国会也很快给予了支持。一些国会议员甚至呼吁MOL获得与“阿波罗”计划相同的支持和看似无限的资金,认为国家的军事太空计划应该与民用计划相提并论。

政治态度的这种转变得到了“双子座4号”和5号任务的推动。这两次任务都传回了图像,不仅显示了地球令人惊叹的景色,还分辨出了道路和发射台。这证实了一个拥有高分辨率成像能力的军事空间站将是一个令人惊叹的间谍平台。空军将能够收集有关敌国军事设施的宝贵侦察情报,并更好地衡量其武器系统的真实威力。

最后,可行性研究于1965年3月1日开始,MOL开始成形为一个作战用的载人侦察计划,将超越最初的六次发射计划。而将其推进一步的是NASA授权空军使用已飞行的“双子座2号”航天器进行一次测试飞行,以证明切割隔热罩以供转移通道不会在再入时影响隔热罩的完整性。向飞行准备就绪的推进还看到了在加利福尼亚州范登堡空军基地建造发射场。

美国国家航空航天局 (NASA)

但每向前迈出一步,MOL的成本就会增加,预算超支开始显现。载人发射被推迟,先是到1970年,然后到1971年。成功的侦察卫星并没有帮助MOL。无人任务发现了苏联导弹部署的证据,就像MOL的摄影本应做的那样,这就提出了一个问题:为什么空军要冒着 men 的风险去执行机器正在成功完成的任务。最终,中央情报局(CIA)介入了。它认为,从MOL获得的任何侦察情报都无法证明其成本是合理的,无论国防部怎么想,而且没有理由重复现有的卫星计划。而与此同时,越南战争正在升级,消耗着国防开支。

空军为挽救一个日益不受欢迎的MOL而战。为了省钱,无人测试飞行被完全取消,甚至NASA副局长罗伯特·西曼斯也强调了空军空间站项目的价值。但什么也无法说服预算局认为MOL值得保留。到1969年5月17日,该项目已花费13亿美元,还需要额外19亿美元才能在真正的任务中发射升空。随着一个蓬勃发展的民用太空计划即将实现登月并规划空间站,一个军事版本已无容身之处。尼克松总统于1969年6月取消了MOL。

这远非MOL的全部故事。在这个片段中,我省略了很多细节,比如MOL的宇航员、一次MOL的测试飞行,以及MOL的硬件在项目被取消后去了哪里(提示——这些内容即将到来!)。我最终会梳理最近解密的数千份文件,并挖掘出这个故事!

来源:载人轨道实验室历史,作者Carl Berger;MOL第一部分:载人轨道实验室,作者Donald Pealer,《Quest》杂志v4 n3;NASA国防事务办公室:最初的五年Vintage Space

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我的学术背景是科学史,但我从小就对太空飞行感兴趣,那是在我小学时,我看到了一张两个宇航员在月球上的卡通画。我把七岁时对阿波罗计划的好奇心转化为一名太空飞行历史学家和自由撰稿人的职业生涯。

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