美國(guó)前宇航員：我們?yōu)槭裁葱枰猄LS火箭

+ 張雪松

美國(guó)航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS）重型火箭首飛時(shí)間不斷推遲，已經(jīng)從2017年推遲到2020年，至于SLS重型火箭昂貴的研制預(yù)算和高昂的發(fā)射費(fèi)用更是反對(duì)者攻訐的目標(biāo)。SLS火箭研制已經(jīng)花了約120億美元，而每枚的發(fā)射成本也高達(dá)至少5億美元。美國(guó)如此其他國(guó)家也不樂(lè)觀，俄羅斯重型火箭始終是紙面游戲，中國(guó)的重型火箭長(zhǎng)征九號(hào)遲遲未獲立項(xiàng)。因此，美國(guó)太空探索技術(shù)公司的重型獵鷹火箭今年首飛成功后，很多人都表示強(qiáng)烈的質(zhì)疑：人類真的需要SLS這樣的重型火箭么？

美國(guó)網(wǎng)站上質(zhì)疑SLS的文章

近日，參加過(guò)阿波羅17號(hào)任務(wù)的宇航員哈里森·施密特撰文表示，SLS重型火箭仍然有著無(wú)可替代的作用。本文簡(jiǎn)單整理了他的觀點(diǎn)。

深空任務(wù)的運(yùn)力門檻

重型獵鷹火箭一次性使用（即不回收）時(shí)可以向月球發(fā)射20噸載荷，兩枚助推器海上回收時(shí)運(yùn)力為18噸；而SLS Block 1火箭運(yùn)力達(dá)到約27噸，改進(jìn)的SLS Block 1B更可以達(dá)到40噸，一枚SLS火箭的運(yùn)力相當(dāng)于兩枚重型獵鷹火箭。SLS火箭發(fā)射成本為5億美元，而重型獵鷹火箭只有1.3億美元，看上去使用SLS十分吃虧，但事情并非如此。

阿波羅登月時(shí)代，兩艙式的阿波羅飛船重量約28.8噸，其中指令艙重約5.56噸、服務(wù)艙重約23.2噸。時(shí)隔幾十年后，新一代的獵戶座飛船功能更強(qiáng)，內(nèi)部空間更大，安全性和自動(dòng)化程度更高，但它的服務(wù)艙無(wú)需承擔(dān)近月制動(dòng)任務(wù)，兩艙整體重量反而略有降低，但也達(dá)到了約27噸。SLS Block 1將是未來(lái)唯一能發(fā)射這種大型飛船的火箭，而下一個(gè)版本SLS Block 1B火箭除了發(fā)射獵戶座飛船，還能順路帶上十幾噸的有效載荷，成為人類重返深空的鋪路石。

風(fēng)頭正勁的重型獵鷹火箭又如何呢？它具備將63.8噸的載荷送入近地軌道的能力，但作為一種二級(jí)的液氧煤油動(dòng)力火箭，深空軌道運(yùn)力就不那么出色了，它只能將約20噸載荷送入地月轉(zhuǎn)移軌道，這樣的運(yùn)力比長(zhǎng)征五號(hào)或是阿里安五號(hào)火箭高了不止一倍，但要將獵戶座飛船送入深空，實(shí)在力不從心。

SLS Block 1火箭效果圖

當(dāng)然，很多人認(rèn)為這是因?yàn)楂C戶座飛船太重，那么“商業(yè)乘員開(kāi)發(fā)”計(jì)劃中的載人龍或是CST-100飛船呢，它們的發(fā)射質(zhì)量14-15噸，看起來(lái)重型獵鷹火箭夠用了，但這些商業(yè)載人飛船缺乏載人深空飛行的必要能力。如果說(shuō)制導(dǎo)控制系統(tǒng)解決起來(lái)還比較容易，但必不可少的生命保障和環(huán)境控制系統(tǒng)，尤其是支持4人長(zhǎng)達(dá)21天長(zhǎng)期飛行的消耗，必將帶來(lái)顯著的增重。另外，獵戶座飛船還具有更大的速度增量，具備飛出月球軌道返回地球的能力，這也是其更重的重要原因。

如果為了滿足深空任務(wù)需求，把載人龍或CST-100飛船改進(jìn)到獵戶座的水平，它們也輕不下來(lái)，畢竟CST-100本就在當(dāng)年的競(jìng)爭(zhēng)中輸給了獵戶座飛船。總而言之，載人深空飛船很難“減肥”，也就無(wú)法用重型獵鷹火箭發(fā)射。如果沒(méi)有這個(gè)發(fā)射能力，那么重型獵鷹火箭發(fā)射成本再低又有什么用呢？

畢格羅太空艙 BA2100

深空任務(wù)的空間門檻

地球以外軌道的深空運(yùn)力是重型火箭的關(guān)鍵指標(biāo)，獵戶座飛船沒(méi)法拆成兩半發(fā)射。當(dāng)然，一些小型艙段可以用重型獵鷹火箭發(fā)射，比如LOP-G空間站的能源推進(jìn)模塊（PPE）就打算用其射入地月轉(zhuǎn)移軌道。

然而，對(duì)于復(fù)雜艱巨的深空任務(wù)來(lái)說(shuō)，運(yùn)力只是一張入場(chǎng)券，整流罩容積同樣十分重要，容積決定了載荷的大小，即使可以把一個(gè)大系統(tǒng)分割為幾個(gè)部分多次發(fā)射，但這樣不僅增加了項(xiàng)目成本，也提高了任務(wù)延遲乃至失敗的風(fēng)險(xiǎn)。因此深空飛行任務(wù)對(duì)火箭的整流罩容積提出了很高的要求。

SLS Block 1只發(fā)射一次，將與獵戶座飛船聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)性任務(wù)，而B(niǎo)lock 1B火箭將正式執(zhí)行任務(wù)，它擁有一個(gè)內(nèi)部容積537立方米的整流罩，留給載荷的可用體積超過(guò)270立方米，足以容納大型艙段比如未來(lái)的深空運(yùn)輸器（DST）。而重型獵鷹火箭整流罩內(nèi)部空間只有它的約三分之一。如果用它化整為零的發(fā)射DST，可能需要4到6次發(fā)射任務(wù)，還要面臨風(fēng)險(xiǎn)不小的月球軌道組裝。假設(shè)一枚SLS火箭發(fā)射需要5億美元，但4到6枚重型獵鷹也需要5-8億美元，如果算上月球軌道組裝的成本和風(fēng)險(xiǎn)，SLS火箭的發(fā)射優(yōu)勢(shì)是非常明顯的。

LUVOIR大型空間望遠(yuǎn)鏡

另外，并不是所有的系統(tǒng)都能化整為零分散發(fā)射，比如畢格羅公司的BA2100大型充氣艙段，還有載人火星任務(wù)的DST或是更大的載人航天器，它們?cè)趺纯赡懿鸪蓭讉€(gè)部分發(fā)射呢？未來(lái)的LUVOIR大型空間望遠(yuǎn)鏡，其主鏡直徑可達(dá)驚人的8-18米，使用韋伯望遠(yuǎn)鏡的折疊技術(shù)后也只能用SLS火箭來(lái)發(fā)射；用重型獵鷹火箭分別發(fā)射它的子系統(tǒng)，然后在150萬(wàn)千米外的L2軌道上自動(dòng)組裝？實(shí)力雄厚、經(jīng)驗(yàn)豐富的NASA也沒(méi)有這樣的能力和信心。如果再發(fā)射比獵戶座更大、自持能力更強(qiáng)的飛船前去組裝，那需要的成本就真是天價(jià)了，遠(yuǎn)不如一枚看起來(lái)昂貴的SLS直接打過(guò)去來(lái)得劃算。

重型運(yùn)載火箭運(yùn)力一覽①一次性發(fā)射時(shí)運(yùn)力20噸，若要海上回收兩枚助推器，則運(yùn)力為18噸。②一次性發(fā)射時(shí)的數(shù)據(jù)。

深空航天器重量一覽

結(jié)論

重型獵鷹這樣的商業(yè)火箭單位重量的發(fā)射成本更低，然而這樣的對(duì)比忽視了深空任務(wù)真正需要的東西。載人深空探索比我們熟悉的近地軌道任務(wù)難度更高、風(fēng)險(xiǎn)更大，隨之帶來(lái)對(duì)高性能和高可靠性的需求，僅僅實(shí)現(xiàn)載人深空飛行就具有不小的挑戰(zhàn)性。

無(wú)論是重返月球?qū)崿F(xiàn)載人登月，還是進(jìn)行月面開(kāi)發(fā)，甚至是飛向更遙遠(yuǎn)的小行星和火星，都是極具挑戰(zhàn)性的工作，目前只有研制時(shí)就針對(duì)這類任務(wù)專門設(shè)計(jì)的SLS火箭能滿足這樣的需求。重型獵鷹以及未來(lái)的新格倫火箭作為私營(yíng)航天的代表，它們?nèi)〉玫某晒苋菀撰@得世人的追捧，但土星五號(hào)和SLS這樣的“官辦”重型火箭仍然有無(wú)可取代的價(jià)值，除非太空探索技術(shù)公司的BFR超級(jí)火箭成為現(xiàn)實(shí)，否則SLS仍將是人類在月球和火星上實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期駐留的關(guān)鍵。