SLS：開啟美重返月球征程

文/張雪松

美國東部時間2022年11月16日凌晨1時47分（北京時間14時47分），屢經(jīng)波折的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）重型火箭終于發(fā)射升空，成功將獵戶座飛船送上前往月球的軌道。自2010年美國宇航局開始研制SLS火箭以來，經(jīng)過11年的漫長歷程和十幾次的反復(fù)延期，終獲成功，從而拉開了美國重返月球的阿爾忒彌斯計劃的序幕。然而，時過境遷，SLS火箭已經(jīng)遠(yuǎn)沒有當(dāng)初的重要地位，雖然它還是阿爾忒彌斯計劃的關(guān)鍵組成部分，前景卻日益黯淡。

▲ SLS火箭待發(fā)

星座計劃的遺產(chǎn)

2010年美國國會通過美國宇航局授權(quán)法案，要求美國宇航局研制名為SLS的重型運載火箭，作為航天飛機之后的運載工具，勝任載人深空探索的需求。國會還設(shè)定了具體的指標(biāo)，諸如初始階段近地軌道運載能力70～100噸，增加上面級后運力提高到至少130噸，可用于發(fā)射多用途載人飛船，另外還有不晚于2016年12月31日投入使用的要求。

當(dāng)時美國重返月球的星座計劃已經(jīng)取消，美國并沒有明確的深空探索計劃，這種名為SLS的重型火箭，只是為了維持美國作為航天超級大國的面子，當(dāng)然也少不了各州議員們拉攏航天工業(yè)選票的需求，通俗地說就是面子工程加就業(yè)工程。SLS火箭的誕生如此荒誕，后來出現(xiàn)各種意外也就絲毫不足為奇。如果從血脈上說，SLS可以看作是星座計劃的遺產(chǎn)，是戰(zhàn)神五號火箭精神上的繼承者，但在構(gòu)型上SLS更類似紙面上的戰(zhàn)神四號或戰(zhàn)神五號Lite火箭，是一種兼具載人和貨運能力的重型火箭。

2011年9月14日，美國宇航局正式宣布將研制新一代重型火箭SLS，用于把獵戶座飛船發(fā)射到地球軌道以外，執(zhí)行載人深空探索任務(wù)。SLS火箭的大推力固體助推器，RS-25氫氧主發(fā)動機，以及8.4米直徑的大型低溫儲箱，都和航天飛機技術(shù)一脈相承，而第一階段的過渡性低溫上面級（ICPS）就是德爾它4火箭的第二級?？雌饋碜鳛槌墒旒夹g(shù)的重新組合，SLS火箭的研制應(yīng)該駕輕就熟一帆風(fēng)順，但實際研制進(jìn)程卻遠(yuǎn)非如此。

▲ SLS火箭發(fā)射升空

SLS自提出以來就飽受批評，尤其是在項目研制進(jìn)度拖延不斷，而研發(fā)費用不斷超支后就更是如此。從技術(shù)上說，SLS火箭雖然試圖通過繼承航天飛機技術(shù)降低成本，但實際研制中不盡人意。即使是3.7米直徑的大推力固體助推器，也從航天飛機的四段式改進(jìn)為SLS火箭的五段式，大幅度提高了推力。RS-25主發(fā)動機由原洛克達(dá)因公司研制，前4枚SLS火箭直接使用航天飛機拆下來的RS-25D發(fā)動機，但發(fā)動機的地面測試和適應(yīng)性改進(jìn)也花銷不少，更別說重啟發(fā)動機生產(chǎn)后，新的一次性RS-25E發(fā)動機研制和生產(chǎn)成本高達(dá)1.46億美元一臺，通俗地說，買一臺RS-25E發(fā)動機的錢夠買一架F-22猛禽戰(zhàn)斗機。更大的攔路虎是SLS火箭的8.4米芯級儲箱。這個巨大的氫氧儲箱是軸向承力，而航天飛機外儲箱是側(cè)向承力，再加上材料也從航天飛機外儲箱的2195鋁鋰合金換回2219鋁合金，以降低成本并提高結(jié)構(gòu)承壓能力，夸張些說，SLS的外儲箱是新研制的。

另外，無論是米秋德組裝廠遭遇颶風(fēng)，還是米秋德垂直裝配塔的錯位，以及焊接中出現(xiàn)的各種問題，都導(dǎo)致SLS火箭研制不斷超期和超支。當(dāng)然，更重要的是美國宇航局簽訂的是成本加成合同，給了波音公司拖延進(jìn)度猛賺研制經(jīng)費的巨大動力。同時主承包商波音公司項目管理能力失控，本來就失去了保質(zhì)保量完成研制的能力，火箭的研制進(jìn)度自然失控。雪上加霜的是，SLS項目又受到2020年新冠疫情的沖擊。諸多不利因素影響下，SLS火箭第一階段的基本型號首飛時間從最初2016年底最后推遲到2022年底，首飛時間先后推遲了20次之多，而研制成本也從最初計劃的100億膨脹到230億美元！

▲ SLS火箭駛出總裝大樓向發(fā)射工位轉(zhuǎn)場

▲ 點火

一波三折的首飛之路

SLS重型火箭的首飛，也就是阿爾忒彌斯-1任務(wù)的成功著實不易。早在2019年11月，4臺來自航天飛機的主發(fā)動機就已經(jīng)裝上火箭芯級，同年12月美國宇航局宣布完成芯級的組裝。完整的火箭芯級于2020年1月離開米秋德組裝廠，船運到附近的斯坦尼斯航天中心，準(zhǔn)備進(jìn)行芯級靜態(tài)點火試驗，但由于新冠大流行的沖擊，名為GreenRun的靜態(tài)點火試驗不斷推遲，直到2020年12月才進(jìn)行加注合練，2021年1月16日進(jìn)行GreenRun試驗。然而首次靜態(tài)點火中一臺發(fā)動機檢測到意外，導(dǎo)致試驗于67秒時中止。事后發(fā)現(xiàn)這是傳感器閾值設(shè)置太過保守，并不影響正常使用，發(fā)動機也沒有任何損壞，實在令人哭笑不得。3月18日第二次靜態(tài)點火實驗，SLS芯級點火工作8分20秒，圓滿完成了預(yù)定驗證任務(wù)。

SLS火箭GreenRun成功后，美國宇航局計劃2021年11月發(fā)射火箭。2021年1月7日美國宇航局開始組裝分段式固體助推器。由于大推力固體助推器體積重量太大，組裝后垂直狀態(tài)的時間太長，內(nèi)部藥柱可能在重力作用下變形，影響到發(fā)動機的可靠性，美國宇航局最初限定這兩枚固推保質(zhì)期為1年。但同年9月諾斯羅普·格魯曼公司表示根據(jù)數(shù)據(jù)分析，固推的時間限制可以延長到組裝后的18個月，再后來又延長到2年。大推力固體助推器保質(zhì)期的不斷延長，完全是火箭其他分系統(tǒng)拖后腿的結(jié)果，也讓無數(shù)愛好者為火箭首飛能否成功捏一把汗。2021年6月12日，美國宇航局宣布在肯尼迪航天中心完成第一枚SLS火箭的組裝，9月完成了臍帶釋放和收回測試，以及使用獵戶座飛船質(zhì)量模擬器進(jìn)行的綜合模態(tài)測試，此后還進(jìn)行了獵戶座飛船的安裝以及臍帶塔的適配，但直到2022年3月才推出在LC-39B發(fā)射工位首秀。福無雙至禍不單行，SLS火箭在接下來的整箭加注合練測試中多次出現(xiàn)意外，先是4月2日強閃電雷擊避雷塔，隨后又是排風(fēng)扇連續(xù)跳閘，以及過渡性低溫上面級的氦止回閥故障等，4月14日的第三次加注合練中發(fā)現(xiàn)液氫泄漏被迫停止，火箭推回總裝廠房檢測排查故障。2個月后重新推出的SLS火箭，加注中臍帶快速斷開裝置曾出現(xiàn)液氫泄漏，但美國宇航局確認(rèn)最后10分鐘沒有檢測到液氫泄漏，就宣布加注合練成功，并計劃8月29日執(zhí)行首飛任務(wù)。

SLS的發(fā)射更不順利。都說“箭在弦上，不得不發(fā)”，但加注推進(jìn)劑時兩度出現(xiàn)泄漏問題，更致命的是點火倒計時40分鐘時，發(fā)現(xiàn)一臺RS-25發(fā)動機無法預(yù)冷到足夠的低溫，工程師沒能在兩小時發(fā)射窗口內(nèi)排故，8月29日的發(fā)射被迫取消。SLS火箭的第二次發(fā)射嘗試是9月3日，這次加注時出現(xiàn)了嚴(yán)重的液氫泄漏問題，泄漏氫氣濃度一度超過爆炸閾值，發(fā)射也只能取消。9月19日美國宇航局進(jìn)行了加注測試，證明更換密封件解決氫泄漏的方法有效，但原定9月27日的發(fā)射，由于颶風(fēng)伊恩的臨近被迫取消，火箭也為了避風(fēng)推回總裝大樓。10月12日美國宇航局公布了新的時間表，預(yù)定于11月14日再次嘗試發(fā)射，但它又遇到了新的颶風(fēng)妮可，這可是40年來第一次在11月登陸佛羅里達(dá)州的颶風(fēng)。更糟糕的是，颶風(fēng)妮可路過肯尼迪航天中心時，風(fēng)速達(dá)到了每小時86英里，恰好比SLS火箭設(shè)計承受的風(fēng)速上限85英里多一點。幸運的是，妮可過后SLS火箭并無大礙，發(fā)射前雖然又出現(xiàn)氫泄漏問題，但工程師緊急前往工位擰緊密封螺母后排除了故障，SLS火箭終于在2022年11月16日成功發(fā)射升空，拉開了美國重返月球的序幕。

SLS火箭的構(gòu)型和性能

2010年的美國宇航局授權(quán)法案已經(jīng)指明了道路，SLS火箭將先研制70～100噸級運力的基本型號，隨后發(fā)展出帶大型上面級、130噸級運力的完全版。美國宇航局在SLS火箭的研制過程中，根據(jù)實際需求最終決定發(fā)展出3個構(gòu)型的SLS火箭，目前首飛成功的SLS屬于Block 1型，未來還要發(fā)展出Block 1B和Block 2型。理論上3種構(gòu)型都有載人和貨運能力，但根據(jù)阿爾忒彌斯計劃最新的任務(wù)清單，SLS Block 1型只有3發(fā)，只用于發(fā)射獵戶座載人飛船，而直到2031年的阿爾忒彌斯-8任務(wù)，Block 1B和Block 2型的貨運型也仍只是紙面型號，不出意外的話，SLS火箭不會出現(xiàn)純貨運的發(fā)射任務(wù)。

SLS Block1型是最先投入發(fā)射的型號，也是SLS重型火箭系列中最基礎(chǔ)的型號。SLS Block 1型火箭芯級捆綁了兩個高54米、直徑3.7米的五段式大型固體助推器，單個固推的起飛推力約1630噸。芯級高度64.6米，直徑8.4米，推進(jìn)劑加注量約988噸，使用4臺RS-25D發(fā)動機，單臺地面推力189噸，真空推力232噸?；鸺倪^渡性低溫上面級由德爾它IV火箭第二級衍生而來，使用單臺RL10B-2氫氧發(fā)動機。SLS Block1型火箭的高度為98.4米，起飛質(zhì)量2608噸，起飛推力約4000噸，其近地軌道運載能力為95噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運力大于27噸，只用于在前三次阿爾忒彌斯任務(wù)中發(fā)射獵戶座載人飛船。

▲ 掛在發(fā)射場的標(biāo)語

▲ 觀看火箭發(fā)射的人群

▲ 靜靜豎立在發(fā)射臺上的SLS火箭

▲ 獵戶座飛船太陽翼頂端攝像頭拍攝的地球遠(yuǎn)景

SLS Block 1B型是一種承上啟下的發(fā)展型。它沿用Block 1型的五段式固體助推器和芯級，但上面級改用新研制的探索上面級（EUS）。EUS上面級長度24.7米， 直徑8.4米，加注后重量126噸，使用4臺RL10氫氧發(fā)動機，真空推力也增加到44.2噸。EUS上面級已經(jīng)開始研制，計劃在阿爾忒彌斯-4任務(wù)中首次投入使用。SLS Block 1B型改裝EUS上面級后，火箭高度增加到110米，同時近地軌道運力增加到105噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運力增加到38噸。SLS Block 1B型在發(fā)射獵戶座飛船的同時，還能搭載發(fā)射10噸級的載荷，由獵戶座飛船擺渡運送到月球門戶站。阿爾忒彌斯計劃中將使用它運送國際居住艙（I-HAB）和ESPRIT艙，以及尚未確定建造者的氣閘艙。

SLS Block 2型是進(jìn)一步升級的最終發(fā)展型。它沿用氫氧芯級和探索上面級的同時，使用了新的先進(jìn)固體助推器。SLS火箭的固體助推器由航天飛機現(xiàn)成的助推器拼裝而來，但庫存只能支持8次SLS發(fā)射任務(wù)，美國宇航局未雨綢繆啟動了助推器換代延壽項目（BOLE），由諾斯羅普·格魯曼公司作為主承包商研制的先進(jìn)固體助推器。BOLE助推器殼體使用碳纖維復(fù)合材料，結(jié)構(gòu)減重約30%，再加上使用比沖更高的端羥基聚丁二烯（HTPB）推進(jìn)劑，以及優(yōu)化改進(jìn)的噴管等技術(shù)，地月轉(zhuǎn)移軌道運力提高了至少3噸，直送木星和土星的運力分別提高了23%和67%。SLS Block 2載人版地月轉(zhuǎn)移軌道運力43噸，貨運版更是超過46噸。不過，SLS Block 2型還只存在于紙面上，甚至沒有得到預(yù)算撥款。

▲ 夜幕下的SLS火箭

▲ SLS火箭發(fā)射前，美國宇航局局長比爾·納爾遜在肯尼迪中心的運營大樓發(fā)表講話

SLS火箭的地位和前景

SLS Block 1型火箭已經(jīng)在2022年11月16日的首飛中成功發(fā)射，3次發(fā)射后將讓位給運力更強的Block 1B型火箭。Block 1B目前確定有阿爾忒彌斯-4到阿爾忒彌斯-8共計5次發(fā)射任務(wù)。更遙遠(yuǎn)的未來，阿爾忒彌斯計劃和SLS火箭的具體任務(wù)還沒有正式提上日程。從美國宇航局目前的任務(wù)規(guī)劃看，SLS火箭作為獵戶座載人飛船唯一的發(fā)射工具，是美國阿爾忒彌斯計劃不可或缺的關(guān)鍵組成部分。然而，這并不意味著SLS火箭的地位穩(wěn)如泰山前途一片光明，恰恰相反，在經(jīng)歷長達(dá)11年的漫長研制后，如今時過境遷，SLS火箭的地位遇到了挑戰(zhàn)，其前景也變得黯淡。

作為星座計劃的“遺孤”，討論SLS重型火箭的地位和前景，星座計劃的戰(zhàn)神五號火箭是一個合適的比較對象。戰(zhàn)神五號火箭用于發(fā)射牽牛座大型登月艙，并負(fù)責(zé)將登月艙和獵戶座飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道，它還將用于發(fā)射載人火星組合體的各個組成部分，是星座計劃當(dāng)之無愧的核心。SLS火箭用于發(fā)射獵戶座飛船，在2017年美國重新決定登月之前，美國宇航局曾打算使用它發(fā)射大型深空居住艙和大型登月艙等諸多大尺寸航天器組件，但計劃趕不上變化，隨著美國宇航局決定招標(biāo)商業(yè)登月艙，尤其是2021年4月美國宇航局選擇太空探索技術(shù)公司的登月版星艦執(zhí)行登月計劃，SLS火箭的地位就比較尷尬了。

星艦是一種二級完全重復(fù)使用的運載工具，復(fù)用時近地軌道運載能力可達(dá)100噸，通過多次在軌加注補充推進(jìn)劑后，星艦第二級還能載人飛向月球甚至火星。登月版星艦發(fā)射入軌后，就要在軌加注飛向月球，在月球門戶站上接收登月航天員執(zhí)行登月任務(wù)。

美國宇航局選擇星艦登月后，從航天愛好者到專家都有相同的疑問：星艦作為載人航天器，從地面發(fā)射執(zhí)行登月任務(wù)，為什么還需要獵戶座飛船載人飛向深空呢？更進(jìn)一步說，如果獵戶座載人飛船并不是不可或缺的，那專用的“坐騎”SLS重型火箭又有什么必要呢？換句話說，如果登月版星艦成功的話，美國宇航局甚至可以徹底拋棄SLS火箭和獵戶座飛船，完全使用星艦執(zhí)行登月任務(wù)。

▲ SLS火箭發(fā)射時在天空中留下的軌跡

根據(jù)美國總審計署（GAO）的報告，阿爾忒彌斯計劃前四次任務(wù)平均成本高達(dá)41億美元，其中SLS火箭就占去了22億美元，而美國宇航局最新發(fā)布給太空探索技術(shù)公司的登月合同中，阿爾忒彌斯-4任務(wù)的登月艙總價值11.5億美元。毫無疑問，如果不考慮SLS火箭和獵戶座飛船背后的利益集團(tuán)，完全使用星艦登月是非常劃算的選擇。畢竟每次登月任務(wù)能節(jié)省約30億美元，具有極大的誘惑力。這也意味著，SLS火箭未來的前景非常黯淡，不要說未來會不會再研制Block 2型號，就是現(xiàn)有阿爾忒彌斯-2到阿爾忒彌斯-8這7次任務(wù)都存在一定的變數(shù)。