來(lái)源：中國(guó)航天報(bào)
轉(zhuǎn)載：空天大視野
北京時(shí)間11月16日14時(shí)47分，美國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭“太空發(fā)射系統(tǒng)”（SLS火箭）從肯尼迪航天中心LC-39B發(fā)射臺(tái)首次成功發(fā)射，將獵戶座載人飛船及10顆立方星送往月球軌道，正式開(kāi)始執(zhí)行“阿爾忒彌斯-1”任務(wù)。那么，SLS火箭有什么技術(shù)特點(diǎn)？其研制過(guò)程中有哪些值得一提的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)？未來(lái)應(yīng)用前景如何？
首次發(fā)射的SLS火箭嘗試將重達(dá)26.5噸的獵戶座載人飛船送入地月轉(zhuǎn)移軌道，與“阿波羅”計(jì)劃遙相呼應(yīng)的“阿爾忒彌斯”計(jì)劃由此正式拉開(kāi)帷幕。
據(jù)悉，獵戶座飛船將首次進(jìn)入大幅值逆行軌道，從而逆行繞飛月球，與月球距離最遠(yuǎn)時(shí)可達(dá)7萬(wàn)公里，有望刷新載人飛船到達(dá)的最遠(yuǎn)距離紀(jì)錄。不過(guò)，為安全起見(jiàn)，此次任務(wù)并不載人，飛船搭載了仿真假人系統(tǒng)，收集測(cè)試數(shù)據(jù)。任務(wù)完成后，飛船將以第二宇宙速度再入大氣層。
按照美國(guó)宇航局及廠商發(fā)布的任務(wù)路線圖，2024年SLS火箭將執(zhí)行“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)，獵戶座飛船屆時(shí)要首次載人升空。更加最雄心勃勃的任務(wù)是定于2025年執(zhí)行的“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)，SLS火箭將發(fā)射載有4名航天員的獵戶座飛船。
“阿爾忒彌斯-2”任務(wù)路線圖
飛船進(jìn)入繞月軌道后，將與登月艙實(shí)施在軌對(duì)接，把2名航天員轉(zhuǎn)移到登月艙上并踏上月球表面。預(yù)計(jì)完成6天多月面探索后，他們將返回繞月軌道并與飛船對(duì)接，最終4名航天員乘坐獵戶座飛船返回地球。
再往后，SLS火箭還將繼續(xù)執(zhí)行載人登月任務(wù)，并參與繞月空間站在軌組裝工作，甚至支持興建月面基地，以期對(duì)月球開(kāi)展長(zhǎng)期可持續(xù)的有人探索。
這樣一款擔(dān)當(dāng)重任的重型火箭成功首飛，通常應(yīng)該是值得“全球點(diǎn)贊”的航天史大事件。然SLS火箭卻并非如此，這款火箭一直與“超支拖延、擠占經(jīng)費(fèi)、問(wèn)題不斷、就業(yè)工程”等負(fù)面詞匯為伴。而這還要從SLS火箭的誕生說(shuō)起。
豎立在LC-39B發(fā)射臺(tái)上的SLS火箭
SLS火箭正式規(guī)劃于2010年，當(dāng)時(shí)美國(guó)宇航局寄予厚望的“戰(zhàn)神”計(jì)劃夭折，而航天飛機(jī)因事故纏身，即將退役。一時(shí)間，美國(guó)重返月球計(jì)劃處在無(wú)重型火箭可用的“空窗期”。同時(shí)，考慮到航天飛機(jī)退役后相關(guān)企業(yè)會(huì)面臨破產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，美國(guó)官方必須盡量維持航天產(chǎn)業(yè)鏈和就業(yè)，穩(wěn)住政治“票倉(cāng)”，SLS火箭工程就此上馬。
其實(shí)，火箭研發(fā)拖延、首飛推遲是業(yè)界常態(tài)，但要談起近年來(lái)火箭型號(hào)的“鴿王爭(zhēng)霸賽”，那SLS火箭絕對(duì)是當(dāng)仁不讓的第一名。該火箭集美國(guó)宇航局“萬(wàn)千寵愛(ài)”于一身，由美國(guó)國(guó)會(huì)在經(jīng)費(fèi)、政策上“雙重護(hù)航”，基于航天飛機(jī)成熟技術(shù)“堆砌”而成。SLS火箭于2011年正式立項(xiàng)，原定于2016年末首飛，但隨后歷經(jīng)十幾次重大推遲，11年來(lái)研發(fā)耗費(fèi)至少212億美元，以致被戲稱為“參議院發(fā)射系統(tǒng)”。
“成熟”的“新型”火箭
縱觀航天史，重型火箭作為航天工業(yè)的“大國(guó)重器”，普遍會(huì)融入大量新技術(shù)、新設(shè)計(jì)理念，但SLS火箭與眾不同。外界評(píng)價(jià)認(rèn)為，其設(shè)計(jì)乏善可陳，創(chuàng)新寥寥，甚至相比航天飛機(jī)可以稱得上“倒退”——它拋棄了近年來(lái)流行的火箭重復(fù)使用設(shè)計(jì)，僅將航天飛機(jī)技術(shù)“遺產(chǎn)”進(jìn)行重新組合，與20世紀(jì)60年代的土星五號(hào)重型火箭的理念一致，都是傳統(tǒng)一次性運(yùn)載火箭。
為確保穩(wěn)妥可靠，SLS火箭芯一級(jí)采用4臺(tái)航天飛機(jī)所用的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至服役初期干脆使用航天飛機(jī)退役后的庫(kù)存貨。然而，SLS火箭每次發(fā)射都會(huì)將4臺(tái)真空推力各220噸的分級(jí)燃燒循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)扔進(jìn)大海，而這種發(fā)動(dòng)機(jī)本可重復(fù)使用10多次。
SLS火箭芯一級(jí)安裝的4臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)
SLS火箭的2枚固體助推器也衍生自航天飛機(jī)系統(tǒng)，區(qū)別主要是將助推器分段從4段延長(zhǎng)至5段，以便獲得更大推力，同時(shí)放棄了回收復(fù)用設(shè)計(jì)。
為縮短研發(fā)周期，SLS火箭芯二級(jí)直接采用了即將退役的德?tīng)査?系列火箭的芯二級(jí)，但德?tīng)査?系列火箭與SLS火箭的級(jí)別相差太大，芯二級(jí)僅安裝1臺(tái)真空推力11噸的RL-10B-2膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，造成SLS火箭芯二級(jí)推力不足。可以說(shuō)，此次發(fā)射的SLS火箭初期型出現(xiàn)了“小馬拉大車”的情況，嚴(yán)重限制了運(yùn)力發(fā)揮。
SLS火箭芯二級(jí)僅安裝1臺(tái)RL-10B-2膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)
縱觀全箭，SLS火箭沒(méi)有新研任何一型發(fā)動(dòng)機(jī)，而是美國(guó)航天工業(yè)“豐厚家底”的重新組合。尤其是RL-10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)，其原始型號(hào)RL-10是美國(guó)第一款氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，自1963首飛以來(lái)，已服役近60年。
或許是為了平息外界非議，SLS火箭誕生之初，曾被美國(guó)宇航局定位為“可快速研發(fā)成型的低成本一次性重型運(yùn)載火箭”，宣稱單次發(fā)射成本僅4億美元，低于航天飛機(jī)的4.5億美元。然而，SLS火箭項(xiàng)目必須維持住航天飛機(jī)留下的供應(yīng)鏈，造成研發(fā)體系龐雜，不斷延期，單次發(fā)射成本已飆升至20億美元級(jí)別，而“阿爾忒彌斯”計(jì)劃前4次發(fā)射的平均成本更是高達(dá)40億美元。
“阿爾忒彌斯”計(jì)劃前4次發(fā)射的平均成本將超過(guò)40億美元
“寶座不穩(wěn)”前景難料
不同于美國(guó)宇航局近年來(lái)大獲成功的“公私合營(yíng)”項(xiàng)目模式，SLS火箭由美國(guó)宇航局抓總研發(fā)且全額撥款。盡管研發(fā)期間美國(guó)政府黨派輪替，航天政策搖擺不定，但SLS火箭項(xiàng)目每年撥款都是足額到賬，近年的年均撥款額高達(dá)25億美元，相當(dāng)于美國(guó)宇航局年度預(yù)算的1/10，堪稱“吞金巨箭”。不過(guò)，這款美國(guó)宇航局宣傳的“最強(qiáng)火箭”的“江湖地位”卻并不穩(wěn)固。
搭載獵戶座飛船后，此次發(fā)射的SLS火箭初期型全箭高98米，近地軌道運(yùn)力95噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力27噸，運(yùn)力指標(biāo)不及20世紀(jì)60年代的“土星五號(hào)”。未來(lái)，SLS火箭改進(jìn)型有望實(shí)現(xiàn)近地軌道運(yùn)力超過(guò)130噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力超過(guò)46噸，但考慮到研發(fā)進(jìn)度，它未必還能“坐穩(wěn)寶座”。
計(jì)劃推出SLS火箭的3個(gè)版本：Block1，Block1B和Block2
SLS火箭Block1和Block1B對(duì)比
近年來(lái)，引發(fā)航天愛(ài)好者關(guān)注最多、技術(shù)理念最激進(jìn)的重型火箭當(dāng)屬SpaceX公司的“星艦”。按設(shè)計(jì)，它的近地軌道運(yùn)力至少達(dá)到100噸以上，更采用了富有技術(shù)挑戰(zhàn)性的33機(jī)并聯(lián)、兩級(jí)全面回收方案，顯然比SLS火箭更有發(fā)展前景。
原本SLS火箭比星艦擁有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)勢(shì)，但SpaceX公司一再保證“星艦”進(jìn)展符合預(yù)期，已贏得商業(yè)訂單。考慮到SpaceX公司中標(biāo)了載人登月艙合同，預(yù)計(jì)最早在2025年，2款重型火箭就將在“阿爾忒彌斯-3”任務(wù)中合作，那也將是一場(chǎng)直觀的“比拼”。
事實(shí)上，SLS火箭曾規(guī)劃了多種構(gòu)型和任務(wù)，但隨著進(jìn)度拖延和成本增加，部分任務(wù)已被技術(shù)成熟、成本相對(duì)低廉的商業(yè)火箭搶走。如“歐羅巴快帆”和繞月空間站的核心艙段發(fā)射均已被SpaceX公司的“獵鷹重型”收入囊中。可以說(shuō)，SLS火箭目前已成為“獵戶座飛船專用火箭”，短期內(nèi)難以獲得其他任務(wù)。
隆隆起飛的SLS火箭是人類重返月球、常駐月球的序幕，也掀起了重型火箭新時(shí)代的揭幕戰(zhàn)。誰(shuí)能笑到最后？航天愛(ài)好者不妨拭目以待。
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