半人馬座：最成功的上面級(jí)

文/錢(qián)衛(wèi)

“半人馬座”是迄今為止，美國(guó)乃至全世界最為成功的火箭上面級(jí)。它的研發(fā)起步于上世紀(jì)50年代，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)和改型，至今仍然在使用。洛馬公司打算繼續(xù)對(duì)它實(shí)施改進(jìn)，在新一代“火神”火箭上使用。這個(gè)型號(hào)之所以如此成功，用美國(guó)宇航局歷史學(xué)者的措辭來(lái)形容，關(guān)鍵點(diǎn)就是“馴服”了液氫這種物質(zhì)。

▲ 半人馬座6A上面級(jí)正在安裝到運(yùn)載火箭上

▲ 新一代火神火箭將繼續(xù)使用半人馬座上面級(jí)

歷史

半人馬座概念起源于1956年，當(dāng)時(shí)康沃爾公司的設(shè)計(jì)師恩里克想為宇宙神洲際導(dǎo)彈尋找一點(diǎn)和平用途，比如發(fā)射衛(wèi)星甚至探月。之所以起這個(gè)名字，是期望它能和希臘傳說(shuō)中的半人馬怪獸一樣，把強(qiáng)大的力量和精確的控制合二為一。恩里克對(duì)探月的興趣很大。他經(jīng)過(guò)計(jì)算之后，提出了一種使用氫氧燃料的上面級(jí)，把它和宇宙神火箭相結(jié)合，就能成為一種有效的航天運(yùn)載器。宇宙神-半人馬座在1958年正式立項(xiàng)，由康沃爾公司、美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的前身和美國(guó)空軍共同投資。1959年，美國(guó)宇航局取代了DARPA的角色。經(jīng)過(guò)幾十年的輾轉(zhuǎn)變遷，如今宇宙神火箭和半人馬座上面級(jí)都?xì)w入了洛·馬公司。

半人馬座的設(shè)計(jì)有幾個(gè)核心特色。首先是不銹鋼制造的壓力穩(wěn)定推進(jìn)劑罐，其壁厚只有0.51毫米，空罐子甚至無(wú)法支撐自己的結(jié)構(gòu)。但是裝入10多噸低溫燃料后，燃料本身的壓力就會(huì)讓它像吹氣球一樣膨脹起來(lái)，達(dá)到很高的強(qiáng)度。為了進(jìn)一步減輕儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)重量，沒(méi)有為液氫和液氧單獨(dú)設(shè)置儲(chǔ)罐，而是在同一個(gè)儲(chǔ)罐里，用一塊玻璃鋼纖維蜂窩板隔開(kāi)兩個(gè)部分，一部分裝比較冷的液氫，另一部分裝比較暖的液氧。玻璃纖維蜂窩板的絕熱效果很好，可以保證在幾個(gè)小時(shí)的飛行期間，液氫液氧各自保持液態(tài)。

▲ 1962年的半人馬座上面級(jí)，還不是很成熟

這樣的設(shè)計(jì)非常巧妙，但也充滿(mǎn)了風(fēng)險(xiǎn)。在1962年5月的首航中，半人馬座的第一個(gè)型號(hào)——半人馬座A型在發(fā)射54秒后爆炸，火箭被一個(gè)巨大的火球吞噬。調(diào)查顯示，出問(wèn)題的就是這個(gè)儲(chǔ)罐，因?yàn)橐簹洳糠制屏?，燃料噴射而出，被火箭尾焰點(diǎn)燃了。

在此前不到一年，美國(guó)總統(tǒng)肯尼迪宣布，把載人登月作為國(guó)家優(yōu)先事項(xiàng)。半人馬座的爆炸給了美國(guó)宇航局一個(gè)沉重打擊。在事故調(diào)查中，太空科學(xué)總監(jiān)霍默·紐厄爾表示：“將液態(tài)氫‘馴服’到可以執(zhí)行昂貴的太空任務(wù)的程度，比任何人一開(kāi)始想象的都要困難。”

在這次失敗之后，美國(guó)航天界分成兩派。以馮·布勞恩為首的一批人要求取消半人馬座。雖然它的設(shè)計(jì)更輕巧，結(jié)構(gòu)所占的重量比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常規(guī)設(shè)計(jì)，但可靠性實(shí)在太差了。不過(guò)支持者認(rèn)為，值得為此開(kāi)展一場(chǎng)艱苦的研發(fā)。特別是DARPA首席科學(xué)家赫伯特·約克曾在1959年敦促美國(guó)宇航局局長(zhǎng)T·基思·格倫南“快馬加鞭”，因?yàn)榘肴笋R座是“唯一有能力滿(mǎn)足我們高空軌道有效載荷要求的飛行器”。

最后一錘定音的是肯尼迪。在半人馬座A型首次飛行失敗后，肯尼迪要求美國(guó)宇航局解釋?zhuān)@東西到底有什么用。繼任局長(zhǎng)的詹姆斯·韋伯表示，既然阿波羅計(jì)劃打算為土星五號(hào)運(yùn)載火箭研制一種液氫液氧的上面級(jí)，那么就需要一種先導(dǎo)型號(hào)來(lái)驗(yàn)證液氫的可行性。此外，美國(guó)宇航局還指望宇宙神-半人馬座發(fā)射勘測(cè)者號(hào)無(wú)人月球探測(cè)器，用來(lái)確定月球表面是否足夠堅(jiān)硬，能不能讓載人飛船著陸。

▲ 半人馬座上面級(jí)的高壓氣瓶用碳纖維制成

▲ 半人馬座發(fā)射先鋒11號(hào)星際探測(cè)器

于是，問(wèn)題集中到了宇宙間分子量最小的元素上了，就是氫。氫作為火箭推進(jìn)劑，燃燒溫度極高（3037攝氏度）。氫氧組合是目前為止比沖最高的火箭推進(jìn)劑。但液氧和液氫都是低溫氣體，所以帶來(lái)了巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。尤其是液態(tài)氫必須儲(chǔ)存在零下217攝氏度的溫度下。為了防止其蒸發(fā)或沸騰，以液態(tài)氫為燃料的火箭必須小心地與所有熱源隔絕，例如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)排氣和在大氣中飛行時(shí)的空氣摩擦。一旦飛行器進(jìn)入太空，就必須確保其免受太陽(yáng)輻射的影響。當(dāng)液態(tài)氫吸收熱量時(shí)會(huì)迅速膨脹，因此必須進(jìn)行通風(fēng)以防止儲(chǔ)罐爆炸。暴露在極冷液態(tài)氫中的金屬會(huì)變脆。此外，液態(tài)氫可以通過(guò)焊縫中的微小孔隙泄漏。

通過(guò)半人馬座以及土星五號(hào)的攻關(guān)，美國(guó)率先掌握了液氫液氧作為火箭燃料的關(guān)鍵技術(shù)，取得了顯著的優(yōu)勢(shì)，比其他國(guó)家領(lǐng)先甚多。

我們現(xiàn)在回來(lái)說(shuō)半人馬座。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，1963年11月26日，半人馬座B的飛行獲得了成功。但是之后的半人馬座C三次飛行全部失敗，有兩次是火箭故障，第三次飛行的火箭取得成功，但是半人馬座的二次點(diǎn)火失敗了。

再次改進(jìn)的半人馬座D終于“馴服”了液氫，投入批量化生產(chǎn)和飛行，共發(fā)射了56次。1966年5月30日，宇宙神-半人馬座組合體將第一個(gè)勘測(cè)者號(hào)著陸器發(fā)射到月球。隨后，在接下來(lái)的兩年里，“勘測(cè)者號(hào)”又發(fā)射了6次，宇宙神-半人馬座組合體的性能讓人滿(mǎn)意，特別是演示了氫燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在太空中多次點(diǎn)火的可行性，為氫燃料的后續(xù)大氣層外應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。到20世紀(jì)70年代，半人馬座已經(jīng)完全成熟，最終取代了阿金納。

▲ 德?tīng)査黇火箭、宇宙神5火箭、半人馬座上面級(jí)共同用渡船運(yùn)往卡納維拉爾角發(fā)射

▲ 航天飛機(jī)版半人馬座的分離想象圖

多種型號(hào)

從半人馬座A到研發(fā)中的半人馬座5，歷經(jīng)多個(gè)具體型號(hào)。這些型號(hào)在可靠性、具體材料和技術(shù)、工藝、電子信息化水平方面有著顯著的差異，但基本構(gòu)架保持穩(wěn)定。它采用Aerojet Rocketdyne公司的RL10發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力，有單發(fā)和雙發(fā)兩種配置，可以實(shí)現(xiàn)多次在軌重新點(diǎn)火。比較有意思的是，作為上面級(jí)，半人馬座在進(jìn)入宇宙空間后，有一個(gè)滑行階段，發(fā)動(dòng)機(jī)不點(diǎn)火。所以在RL10發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的側(cè)面，可以攜帶一些低軌道小衛(wèi)星，在滑行階段把它們釋放后，再奔向主載荷的目標(biāo)軌道。姿態(tài)控制由多個(gè)肼推力器實(shí)現(xiàn)。

▲ 航天飛機(jī)版半人馬座的模型

▲ 半人馬座上面級(jí)發(fā)射卡西尼任務(wù)

半人馬座曾經(jīng)適配在宇宙神系列火箭和泰坦等火箭上，接口和配置有所不同，因此出現(xiàn)了大量不同的改型。半人馬座A-D，以及G型，都適配宇宙神火箭。D1T型適配泰坦火箭，S-V型是為土星一號(hào)火箭研制的。上世紀(jì)80年代，還曾經(jīng)出現(xiàn)了一種航天飛機(jī)版的設(shè)計(jì)，不改變發(fā)動(dòng)機(jī)配置，但是把燃料儲(chǔ)箱直徑大幅度擴(kuò)張，充分利用航天飛機(jī)貨艙空間。但美國(guó)宇航局非常擔(dān)心，在人貨混裝的航天飛機(jī)里，攜帶這么大一罐低溫燃料是不安全的。挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)事故讓美國(guó)宇航局下定決心，放棄半人馬座與航天飛機(jī)的組合。有關(guān)的研究成果形成了半人馬座T型，與泰坦4火箭相結(jié)合，發(fā)射了9次，其中包括卡西尼-惠更斯土星探測(cè)器的發(fā)射。

▲ 配用宇宙神5火箭的單發(fā)動(dòng)機(jī)半人馬座上面級(jí)

▲ 宇宙神5火箭配用超大整流罩時(shí)，上面級(jí)包裹在整流罩內(nèi)

▲ 設(shè)想中的半人馬座5上面級(jí)

不過(guò)，半人馬座的主要配套對(duì)象還是宇宙神系列。隨著宇宙神2火箭的研制，出現(xiàn)了半人馬座2上面級(jí)。但是從宇宙神3火箭開(kāi)始，洛馬公司開(kāi)始考慮研制一種技術(shù)狀態(tài)凍結(jié)的上面級(jí)，也就是通用型半人馬座。進(jìn)入21世紀(jì)前后，洛·馬公司已經(jīng)開(kāi)始考慮研制全新的宇宙神5火箭，這主要得益于俄羅斯提供的RD180發(fā)動(dòng)機(jī)。無(wú)論是洛·馬公司，還是美國(guó)空軍，都對(duì)這種火箭的設(shè)計(jì)非常滿(mǎn)意，打算作為演進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭EELV的合同內(nèi)容，長(zhǎng)期大量訂購(gòu)。這就給上面級(jí)的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化提供了基礎(chǔ)。

在研制通用半人馬座之前，洛·馬公司曾經(jīng)開(kāi)發(fā)過(guò)一種單發(fā)的半人馬座（SEC），于2000年5月在宇宙神3A上首飛成功。通用半人馬座的推進(jìn)劑儲(chǔ)箱比SEC延長(zhǎng)超過(guò)20米，以承載更多的推進(jìn)劑。2002年8月21日，宇宙神5和通用半人馬座組合首次飛行成功。此后20年時(shí)間里，這個(gè)組合成為洛馬公司以及聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的拳頭產(chǎn)品。早期的通用半人馬采用RL10-A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)。

宇宙神5火箭有多種配置，其中整流罩有兩種，一種是小型尖頂?shù)?米直徑，是多數(shù)發(fā)射任務(wù)使用的；另外一種是5.4米直徑的超大整流罩，用來(lái)發(fā)射超大型軍用衛(wèi)星和火星探測(cè)任務(wù)。使用小型整流罩的時(shí)候，半人馬座上面級(jí)是暴露在整流罩外面的。如果是用超大整流罩，半人馬座就會(huì)被包裹在整流罩里面。

雙發(fā)動(dòng)機(jī)的半人馬座上面級(jí)并沒(méi)有被廢棄，而是用來(lái)實(shí)施一些比較重的載荷發(fā)射任務(wù)。目前，只有波音CST-100星際航線載人飛船在使用這種上面級(jí)。后續(xù)可能還會(huì)用來(lái)發(fā)射追夢(mèng)者航天飛機(jī)。兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生更大的推力，可以用更高的水平速度和更低的垂直速度，讓飛船上升過(guò)程更平緩，讓航天員感到更舒適。如果發(fā)生意外，必須緊急撤回地球的時(shí)候，雙發(fā)帶來(lái)的大推力也能有效控制減速過(guò)程，不超過(guò)人體所能承受的過(guò)載范圍。

半人馬5型

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司這幾年的核心工作，就是研制“火神”運(yùn)載火箭。這種火箭打算采用藍(lán)色起源公司研制的BE-4氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，成為該公司的下一代主力?！盎鹕瘛痹敬蛩悴捎肁CES上面級(jí)，但是隨著ACES被基本放棄，“火神”的上面級(jí)改成半人馬5型，配備兩臺(tái)Aerojet Rocketdyne 公司的RL10氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，這種上面級(jí)還在研制當(dāng)中。