SLS：能否托舉美重返月球夢(mèng)想？

文/湯川學(xué)

太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，簡(jiǎn)稱SLS）重型火箭是美國(guó)實(shí)施重返月球的阿爾忒彌斯計(jì)劃關(guān)鍵的第一步。SLS首飛經(jīng)歷了十幾次的延期，終于在北京時(shí)間8月29日晚進(jìn)入發(fā)射倒計(jì)時(shí)。然而，因火箭芯級(jí)3號(hào)主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生泄漏，在倒計(jì)時(shí)停留在40分鐘一段時(shí)間后，美國(guó)宇航局正式宣布發(fā)射推遲。

至本刊截稿時(shí)，美國(guó)宇航局宣布于北京時(shí)間9月4日凌晨再次嘗試發(fā)射。如果不順利，發(fā)射還將繼續(xù)推遲。

▲ SLS火箭蓄勢(shì)待發(fā)

“星座”計(jì)劃的遺產(chǎn)

在之前美國(guó)被取消的登月計(jì)劃——“星座”計(jì)劃中，規(guī)劃了兩型戰(zhàn)神火箭，戰(zhàn)神一型和戰(zhàn)神五型，其中戰(zhàn)神五型從外形上看和SLS十分相像。它們?cè)谟?jì)劃中將通過(guò)接力的方式，在低地球軌道上組合飛向月球，以一種比阿波羅時(shí)期更安全、更經(jīng)濟(jì)、更可持續(xù)的方式，將美國(guó)人送回月球。不過(guò)，由于星座計(jì)劃過(guò)于緩慢的進(jìn)度和超支的費(fèi)用，2010年10月11日，美國(guó)國(guó)會(huì)通過(guò)了《2010年美國(guó)宇航局授權(quán)法案》，正式取消了“星座”計(jì)劃。

雖然“星座”計(jì)劃被取消，但是它留下的遺產(chǎn)并沒(méi)有消失，許多研究項(xiàng)目在“星座”計(jì)劃被取消時(shí)仍然在進(jìn)行。2009年9月，一項(xiàng)名為“重型運(yùn)載火箭研究”的方案論證工作被提上日程，從后來(lái)SLS的發(fā)展歷程看，我們也可以認(rèn)為該方案研究開始之日，便是SLS項(xiàng)目啟動(dòng)之時(shí)。

在《2010年美國(guó)宇航局授權(quán)法案》中曾提到：“……計(jì)劃由該局開發(fā)一種太空發(fā)射系統(tǒng)，作為航天飛機(jī)的后續(xù)運(yùn)載工具，它可以勝任地月空間和近地軌道以外的太空任務(wù)，以使美國(guó)能夠進(jìn)入和開發(fā)這些日益具有戰(zhàn)略意義的區(qū)域?！@種運(yùn)載火箭，應(yīng)能夠?qū)⒖偣?30噸以上的有效載荷送入近地軌道，并為近地軌道以外的任務(wù)提供完整的支持?！边@份法案，一方面為下一步的任務(wù)指明了方向，另一方面也勾勒出了新一代火箭的技術(shù)指標(biāo)。這將是一枚近地軌道運(yùn)力達(dá)到130噸的重型火箭。

▲ 特朗普發(fā)布太空指令

2017年12月11日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)唐納德·特朗普簽署了一號(hào)太空政策令，規(guī)劃了一項(xiàng)由美國(guó)宇航局牽頭、與民間企業(yè)合作伙伴共同合作的綜合太空探索計(jì)劃。

2019年5月14日，美國(guó)航天迎來(lái)一個(gè)歷史性節(jié)點(diǎn)。這一天，美國(guó)宇航局長(zhǎng)吉姆·布里登斯汀宣布，新載人登月計(jì)劃以希臘神話中的月亮女神命名，即“阿爾忒彌斯計(jì)劃”。該計(jì)劃將是一個(gè)由美國(guó)主導(dǎo)的載人航天項(xiàng)目。而在其中，用于托舉獵戶座飛船的火箭不再是戰(zhàn)神一型，而是一款從各方面來(lái)講都令人們感到熟悉又陌生的火箭——SLS。

SLS的構(gòu)型

SLS的構(gòu)型目前有3種，分別是Block1型、Block1B型、Block2型，而每一種都可以分為載人版和貨運(yùn)版。載人版搭載的是獵戶座飛船，而貨運(yùn)版則會(huì)把上方的獵戶座飛船更換為整流罩來(lái)搭載載荷。在計(jì)劃中，SLS有許多版本的整流罩。

Block1型是最先投入使用的型號(hào)，也是最基礎(chǔ)的型號(hào)，其特點(diǎn)是使用五段助推器，使用臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)，芯級(jí)和上面級(jí)之間有一個(gè)向上收縮的級(jí)間段，最高可以達(dá)到98米。其基本性能為：近地軌道運(yùn)力95噸，地月轉(zhuǎn)移軌道27噸。

Block1B型是在1型基礎(chǔ)上升級(jí)的版本。其仍然使用五段助推器，但是用上了遠(yuǎn)征上面級(jí)，使得其級(jí)間段不再向上收縮，最高可以達(dá)到110米。其基本性能為：近地軌道運(yùn)力105噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力40噸。

Block2型在之前1型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一次大升級(jí)。其使用全新的先進(jìn)助推器更換了五段助推器，使用遠(yuǎn)征上面級(jí)，性能也有了大幅提升，也是SLS目前發(fā)展目標(biāo)中的最終形態(tài)，最高可以達(dá)到111米。其基本性能為：近地軌道運(yùn)力130噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力45噸。

▲ 美國(guó)星座計(jì)劃LOGO

SLS使用的整流罩根據(jù)需求有著許多版本。寬度有5米（1型）、8.4米和10米（1B型和2型），長(zhǎng)度從14.4米到27.4米不等。其用處也從單一載荷到多載荷任務(wù)不等。

▲ SLS發(fā)展路徑圖

SLS的性能

《2010年美國(guó)宇航局授權(quán)法案》勾勒了美國(guó)下一代重型火箭的一些基本技術(shù)指標(biāo)，即近地軌道運(yùn)力達(dá)到130噸，而其任務(wù)將包括前往月球和進(jìn)行深空任務(wù)，并賦予其“太空發(fā)射系統(tǒng)”的名字。毫無(wú)疑問(wèn)，從參數(shù)上看，它絕對(duì)是人類航天史上最強(qiáng)的火箭之一。

法案中明確提到，SLS將是一種大量沿用航天飛機(jī)技術(shù)的火箭。比如它的一級(jí)安裝有四臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，而與RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)配套的生產(chǎn)設(shè)施和倉(cāng)庫(kù)等都可以繼續(xù)使用。在火箭的成本中，有相當(dāng)大一部分來(lái)自于精密的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，直接拿用仍可以使用的庫(kù)存發(fā)動(dòng)機(jī)，毫無(wú)疑問(wèn)可以大大降低生產(chǎn)成本。而SLS所使用的兩枚五段固體助推器，則可以追溯到航天飛機(jī)上的固體助推器；而火箭的上面級(jí)與芯級(jí)有諸多共同點(diǎn)，例如它的外徑、材料組成、子系統(tǒng)組件和制造設(shè)備與工藝。當(dāng)然，后來(lái)的實(shí)踐證明，這些節(jié)省成本舉措的效果并沒(méi)有當(dāng)初想象的那么好。

SLS是未來(lái)美國(guó)宇航局進(jìn)行深空探索任務(wù)的核心，從載人登月任務(wù)到預(yù)計(jì)在本世紀(jì)30年代實(shí)施的載人登火計(jì)劃，都要由SLS扛起重任。目前規(guī)劃中SLS的任務(wù)，都是阿爾忒彌斯計(jì)劃中的任務(wù)。在阿爾忒彌斯1到8任務(wù)中，前3次任務(wù)將由SLS Block1型火箭執(zhí)行，之后的5次將采用使用EUS上面級(jí)的SLS Block1B火箭，第九次任務(wù)將首飛使用先進(jìn)固體助推器、EUS上面級(jí)的SLS Block2型火箭。

▲ SLS的先進(jìn)助推器

從遠(yuǎn)處看，你會(huì)被SLS那頗有航天飛機(jī)遺風(fēng)的橘黃色外表所吸引，這是由于其外殼上覆蓋的泡沫隔熱材料所致。芯級(jí)由10個(gè)主要的圓筒結(jié)構(gòu)、4個(gè)圓頂結(jié)構(gòu)和7個(gè)圓環(huán)結(jié)構(gòu)組成。每個(gè)儲(chǔ)箱由8塊長(zhǎng)度和高度不同的鋁板組成。從正面看，SLS大部分面積都被芯級(jí)所占據(jù)。芯級(jí)長(zhǎng)65米，直徑8.4米，其直徑與航天飛機(jī)的外部?jī)?chǔ)箱一致，但長(zhǎng)度要更長(zhǎng)，所用的技術(shù)與航天飛機(jī)外部?jī)?chǔ)罐所用的基本相同但有所改進(jìn)，可以裝200萬(wàn)升的液氫和74萬(wàn)余升的液氧。芯級(jí)包括了整個(gè)火箭的主推進(jìn)系統(tǒng)，并且在目前的規(guī)劃中，Block1、1B和2都將使用同樣的芯級(jí)，加強(qiáng)了同系列的通用性，節(jié)省成本。SLS芯級(jí)的建造地點(diǎn)位于新奧爾良的米丘德工廠，這個(gè)地方曾經(jīng)也是航天飛機(jī)外部?jī)?chǔ)罐的生產(chǎn)地。

芯級(jí)下方安裝有4臺(tái)顯眼的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)洛克達(dá)因公司研發(fā)，是一種可重復(fù)使用、采用了富燃分級(jí)燃燒循環(huán)和再生冷卻原理的氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力超過(guò)232噸，在航天飛機(jī)上有著極為良好的可靠性表現(xiàn)。雖然它是可復(fù)用的發(fā)動(dòng)機(jī)，但是在SLS的任務(wù)中，所有RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)都不會(huì)被回收。

目前的規(guī)劃中，前4發(fā)SLS火箭將會(huì)使用庫(kù)存中被航天飛機(jī)使用過(guò)的16臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。當(dāng)然，“RS-25”在航天飛機(jī)上和SLS的工況十分不同，并且在測(cè)試的過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)了不少問(wèn)題，比如液氧入口壓力較大、液氧入口溫度過(guò)低、熱學(xué)環(huán)境復(fù)雜等。為了能讓它們?cè)诨鸺弦材芄ぷ髁己?，美?guó)宇航局開展了“RS-25”適配計(jì)劃，這些舊引擎都已經(jīng)重新進(jìn)行了現(xiàn)代化改裝，有了許多優(yōu)化，比如使用了全新的遠(yuǎn)征上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，提高了油門的極限，并且為了承受來(lái)自側(cè)邊固體發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫做了防熱處理等等。在剩余的舊引擎用完之后，將會(huì)改用由“RS-25生產(chǎn)重啟項(xiàng)目”為SLS專門設(shè)計(jì)的一次性RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)，這些改進(jìn)在計(jì)劃中將會(huì)把每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的成本降低30%以上，從而減少開支。在過(guò)去的幾年里，RS-25引擎已經(jīng)在美國(guó)斯坦尼斯航天中心的試車臺(tái)上進(jìn)行了約10000秒的靜態(tài)試車。

▲ SLS芯級(jí)正在斯坦尼斯試車臺(tái)上試車

▲ 安裝在芯級(jí)上的四臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)

SLS所采用的五級(jí)固體助推器，長(zhǎng)54米，寬3.6米，單枚重量725噸，它產(chǎn)生的峰值真空推力為1633噸，燃燒時(shí)間約為126秒。在SLS從發(fā)射臺(tái)上騰空而起時(shí)，芯級(jí)左右兩枚固體助推器將會(huì)為整個(gè)火箭提供四分之三的推力，它們也是有史以來(lái)最大的、用于火箭飛行的固體助推器。

從外形上也可以看出，這種助推器的技術(shù)來(lái)源于航天飛機(jī)的固體助推器，與戰(zhàn)神火箭中的五段式固體助推器的關(guān)系密切，因?yàn)樽畛跷寮?jí)助推器就是為了“戰(zhàn)神一型”所使用的，其上的許多部件也是直接從航天飛機(jī)時(shí)代遺留的庫(kù)存中取用的。由于采用了五節(jié)助推器而不是航天飛機(jī)上的四節(jié)半，所以它能提供更長(zhǎng)的燃燒時(shí)間和更高的比沖，并且由于沒(méi)有航天飛機(jī)時(shí)代回收固體助推器的需求，與回收相關(guān)的設(shè)備也被全部取消。

與航天飛機(jī)助推器相比，新的助推器采用了全新的航空電子設(shè)備、全新設(shè)計(jì)的噴管、無(wú)石棉隔熱外殼，在生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)用了簡(jiǎn)化的制造流程和新的檢測(cè)技術(shù)，提高了性能，降低了生產(chǎn)成本。負(fù)責(zé)固體助推器生產(chǎn)的美國(guó)軌道ATK公司（在2018年被諾格創(chuàng)新公司收購(gòu)）在2015年初和2016年7月成功進(jìn)行了QM-1和QM-2兩次固體助推器點(diǎn)火任務(wù)。雖然有了大量的改進(jìn)，但是SLS的固體助推器仍然是沿用了大量航天飛機(jī)時(shí)代的技術(shù)和部件的產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)一步改進(jìn)的空間十分有限，并且航天飛機(jī)的庫(kù)存只能支持SLS飛行8次。為了滿足后續(xù)的發(fā)射需求，也為了更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)，讓SLS達(dá)到國(guó)會(huì)所要求的130噸近地軌道運(yùn)載能力,BOLE計(jì)劃應(yīng)運(yùn)而生。

助推器換代延壽

BOLE計(jì)劃的全稱是助推器換代延壽項(xiàng)目，由美國(guó)宇航局牽頭，諾格創(chuàng)新公司作為項(xiàng)目的主要執(zhí)行方和研發(fā)方，項(xiàng)目目標(biāo)是研發(fā)一款能夠在各方面超越現(xiàn)有五級(jí)固體助推器的先進(jìn)固體助推器。

先進(jìn)固體助推器使用了復(fù)合材料外殼和采用先進(jìn)復(fù)合材料纖維技術(shù)的新型接頭，提供了接近30%的減重效果和更優(yōu)的接點(diǎn)密封性，降低了成本；更換了更好的工業(yè)級(jí)端羥基聚丁二烯（HTPB）固體助推劑；采用了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的噴管；改進(jìn)了助推器結(jié)構(gòu)，用新技術(shù)替代了上個(gè)世紀(jì)的老舊技術(shù)，包括一體化鼻錐和前錐段、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化的前段裙板、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)元件管路、全新的助推器/芯級(jí)連接-分離機(jī)構(gòu)，以及更易生產(chǎn)的后裙板。

該計(jì)劃處于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，將在2024年對(duì)第一臺(tái)地面測(cè)試開發(fā)助推器進(jìn)行點(diǎn)火試車，隨后將對(duì)助推器進(jìn)行初步設(shè)計(jì)審查。分析顯示，對(duì)于月球任務(wù)，先進(jìn)助推器至少提供了3噸的額外地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力提升；而如果要前往更遠(yuǎn)的深空，比如前往火星或小行星帶以外的木星和土星時(shí)，甚至可以提升20%左右的運(yùn)力，可見(jiàn)其對(duì)于SLS運(yùn)力提升的意義。采用了先進(jìn)固體助推器的SLS Block2預(yù)計(jì)將在2030年之后首飛，有希望在2024年進(jìn)行首次試車。

芯級(jí)的上方，便是SLS的上面級(jí)。在最早期的SLS設(shè)計(jì)方案中存在著多種上面級(jí)方案，其中有一個(gè)方案便是全狀態(tài)的SLS將使用曾計(jì)劃在戰(zhàn)神五型火箭上使用的J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)，而J-2X又是從阿波羅計(jì)劃中的登月火箭“土星5號(hào)”的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展而來(lái)，不過(guò)后來(lái)該方案被取消。目前SLS Block1型采用的上面級(jí)名為臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)，是一個(gè)經(jīng)過(guò)最低限度修改的5米級(jí)德爾它低溫二級(jí)DCSS，長(zhǎng)13.7米，寬5米，滿燃料質(zhì)量約30噸。物如其名，就是在真正的目標(biāo)上面級(jí)出現(xiàn)服役之前，暫時(shí)性承擔(dān)上面級(jí)的角色，完成任務(wù)。

▲ SLS底部畫面

臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)包含有一個(gè)RL10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)。RL10發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)洛克達(dá)因公司研發(fā)，最初型號(hào)誕生于上世紀(jì)50年代，發(fā)展幾十年后依然是一款性能優(yōu)異的膨脹循環(huán)液氫液氧真空引擎，真空推力約11噸，真空比沖可以達(dá)到465.5秒。SLS Block1的級(jí)間段和上面級(jí)與有效載荷，共同構(gòu)成了航天器/載荷組合體。載人型SLS Block1的航天器/載荷組合體由運(yùn)載火箭分級(jí)適配器、臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)和獵戶座飛船分級(jí)適配器組成。在任務(wù)期間，分級(jí)適配器可以根據(jù)需要，加裝次要任務(wù)載荷。而貨運(yùn)型的SLS Block1的航天器/載荷組合體，分級(jí)適配器會(huì)被替換為5米級(jí)直徑的載荷適配器和整流罩。

SLS真正的目標(biāo)上面級(jí)名為遠(yuǎn)征上面級(jí)。這種上面級(jí)會(huì)首先出現(xiàn)在1B上，相比于臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)孱弱的1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，遠(yuǎn)征上面級(jí)上加裝了整整4臺(tái)RL-10C-3型發(fā)動(dòng)機(jī)，它最終將升級(jí)為使用4臺(tái)采用3D打印技術(shù)的RL10C-X發(fā)動(dòng)機(jī)。加裝遠(yuǎn)征上面級(jí)后，1B將會(huì)比1型高出將近10米，使得SLS Block1B的最大高度達(dá)到了111米。而遠(yuǎn)征上面級(jí)的加入也將大大加強(qiáng)SLS前往深空的性能，與1相比，1B可以往地月轉(zhuǎn)移軌道多打?qū)⒔?0噸左右，1B的貨運(yùn)版可以最多達(dá)到42噸。不過(guò)，遠(yuǎn)征上面級(jí)的研發(fā)進(jìn)程一直進(jìn)展緩慢，可以執(zhí)行任務(wù)的日期仍然待定。

▲ 阿爾忒彌斯1任務(wù)示意圖

在延期與質(zhì)疑中前進(jìn)

SLS自誕生起便一直飽受各方面的批評(píng)與質(zhì)疑。最為人詬病的就是整個(gè)SLS項(xiàng)目不斷后延的發(fā)射日期和堪稱離譜的研發(fā)建造費(fèi)用。

SLS在最初的法案中被提出時(shí)，計(jì)劃在2016年末發(fā)射，但是在之后的十多年里，宣布了十幾次延期，而2020年的新冠疫情又讓SLS的發(fā)射日期一再推遲，被網(wǎng)友們戲稱為“鴿王”之一。而不斷超支的經(jīng)費(fèi)更是一個(gè)大問(wèn)題。雖說(shuō)SLS在很多方面都有節(jié)省成本的考慮，可是來(lái)自于部門和公司內(nèi)部的一些因素卻一直在無(wú)形地阻礙項(xiàng)目的進(jìn)程，一些設(shè)備的價(jià)格也達(dá)到了令人匪夷所思的程度。比如，用于發(fā)射SLS Block1型的移動(dòng)發(fā)射臺(tái)（ML-1）的造價(jià)，竟然高達(dá)10億美元；而由于遠(yuǎn)征上面級(jí)的加入使得1B型相比1型更高，無(wú)法在ML-1上發(fā)射，所以還需要再造一個(gè)ML-2來(lái)發(fā)射1B型。還有其他諸如發(fā)動(dòng)機(jī)的重啟費(fèi)用等等，也是不小的開支。至于整個(gè)SLS項(xiàng)目到底有多少不合理的超支，只有天知道。

雖然無(wú)法用一個(gè)較為公允的方式來(lái)計(jì)算每一次發(fā)射的成本，因?yàn)楹芏鄥⑴c制造的機(jī)構(gòu)的成本核算方式并不相同，有的成本計(jì)算中并不包含其開發(fā)成本費(fèi)用，僅考慮了制造費(fèi)用，但是根據(jù)美國(guó)宇航局監(jiān)察辦公室在2021年11月發(fā)布的報(bào)告，直到阿爾忒彌斯4號(hào)，發(fā)射一個(gè)SLS/獵戶座系統(tǒng)的成本至少為41億美元，大約每年執(zhí)行一次任務(wù)。41億美元的總成本包括火箭的生產(chǎn)和發(fā)射SLS/獵戶座系統(tǒng)所需的加工費(fèi)用，包括材料、勞動(dòng)力、設(shè)施等，不包含其他的開發(fā)資金，若算上部件的開發(fā)費(fèi)用將會(huì)更高。而SLS每次發(fā)射的生產(chǎn)和運(yùn)營(yíng)成本將為22億美元，外加5.68億美元用于如發(fā)射塔等地面系統(tǒng)。雖然SLS將會(huì)隨著未來(lái)發(fā)射的不斷增加逐漸變得便宜，但與其他火箭相比，依然是一款相當(dāng)昂貴的火箭。

▲ 在斯坦尼斯試車臺(tái)上的芯級(jí)

但是，無(wú)論如何，SLS將帶著美國(guó)人重返月球，在未來(lái)或許還要飛向火星，執(zhí)行載人登火任務(wù)。此外，還有許多深空任務(wù)，如小行星任務(wù)、許多旗艦級(jí)的探索任務(wù)都在等待著SLS去執(zhí)行。作為一款旗艦級(jí)的火箭，雖然SLS在成長(zhǎng)的道路上磕磕碰碰，但是人們期待它的未來(lái)足夠精彩。