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載人版太空發(fā)射系統(tǒng)藝術(shù)想象圖，它具有70公噸的近地軌道運(yùn)載能力

      2011年9月14日美國(guó)航天局(NASA)終于對(duì)外公布了大家期盼已久的太空發(fā)射系統(tǒng)(SLS)，太空發(fā)射系統(tǒng)將用于發(fā)射多用途乘員飛行器(MPCV)，把美國(guó)航天員送進(jìn)深空開展小行星、月球和火星探測(cè)任務(wù)。多用途乘員飛行器還做為商業(yè)載人飛船的備份，必要時(shí)運(yùn)載宇航員前往國(guó)際空間站。

       美國(guó)航天局局長(zhǎng)查爾斯·博爾登和部分國(guó)會(huì)議員出席了當(dāng)天舉行的太空發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案揭幕儀式。根據(jù)美國(guó)航天局的介紹，太空發(fā)射系統(tǒng)作為一種重型運(yùn)載火箭，將用于載人深空探索，它還具有更高的安全性和經(jīng)濟(jì)性。太空發(fā)射系統(tǒng)使用了航天飛機(jī)和星座計(jì)劃的遺產(chǎn)，它的部分技術(shù)甚至可以追溯到土星五號(hào)火箭。2010年2月美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬宣布取消星座計(jì)劃后，憂慮于美國(guó)可能喪失航天領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，美國(guó)參議院強(qiáng)烈要求繼續(xù)研制重型運(yùn)載火箭。2010年7月15日美國(guó)參議院通過了美國(guó)航天局2011財(cái)年授權(quán)法案，10月11日美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬簽署了這一法案，法案要求從自2011年開始研制一種重型運(yùn)載火箭取代星座計(jì)劃中的戰(zhàn)神一號(hào)和戰(zhàn)神五號(hào)火箭用于客運(yùn)和貨運(yùn)發(fā)射，在2017年前完成火箭芯級(jí)的研制，火箭最大的運(yùn)載能力高于118公噸。美國(guó)航天局依法研制重型運(yùn)載火箭并命名為太空發(fā)射系統(tǒng)。

 

先進(jìn)的RS-25D/SSME發(fā)動(dòng)機(jī)是太空發(fā)射系統(tǒng)強(qiáng)大能力的基礎(chǔ)，圖為試車臺(tái)上的SSME發(fā)動(dòng)機(jī)

 

        運(yùn)載火箭決定運(yùn)載能力的關(guān)鍵是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。美國(guó)航天局的設(shè)計(jì)方案中太空發(fā)射系統(tǒng)將使用來自航天飛機(jī)的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)和可重復(fù)使用的固體發(fā)動(dòng)機(jī)(RSRM)，以及派生自土星五號(hào)火箭J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的J-2X新型上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。太空發(fā)射系統(tǒng)使用高性能的分級(jí)燃燒循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25D/E作為8.4米直徑芯級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)任務(wù)需求的不同選配3臺(tái)或5臺(tái)。RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)是美國(guó)洛克達(dá)因公司為航天飛機(jī)計(jì)劃研制的可復(fù)用高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，直至今天也是綜合性能最好的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量只有約3.5噸，地面推力189.6噸、真空推力232.4噸(使用109%額定推力)，推重比約66，具有高達(dá)452.3秒的真空比沖，是目前使用的比沖最高的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。RS-25D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的高比沖保證了太空發(fā)射系統(tǒng)具有更大的運(yùn)載系數(shù)。早期的太空發(fā)射系統(tǒng)將使用航天飛機(jī)退役后拆除和原有庫(kù)存的發(fā)動(dòng)機(jī)，耗盡庫(kù)存后改用新型的RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)，RS-25E較為便宜只能一次性使用的，因此更適合一次性使用的運(yùn)載火箭任務(wù)。雖然號(hào)稱大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)推力在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中一直數(shù)一數(shù)二，但RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)的推力仍小于太空發(fā)射系統(tǒng)的芯級(jí)重量，需要大推力固體助推器提供額外推力，這樣可以攜帶更多的氫氧推進(jìn)劑，彌補(bǔ)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力的不足；

 

 5段式復(fù)用固體發(fā)動(dòng)機(jī)的DM-3試驗(yàn)，尾焰和濃煙直沖天空

 

        發(fā)射系統(tǒng)的可復(fù)用固體發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)源自航天飛機(jī)的固體助推器，實(shí)際產(chǎn)品則來自星座計(jì)劃期間為了滿足戰(zhàn)神一號(hào)和戰(zhàn)神五號(hào)的需求研制的5段式可復(fù)用固體發(fā)動(dòng)機(jī)(RSRM-V)，單臺(tái)RSRMV發(fā)動(dòng)機(jī)推力達(dá)到了驚人的1630噸，是世界上推力最大的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。太空發(fā)射系統(tǒng)使用2具固體助推器，提供了起飛時(shí)的大部分推力。RSRMV發(fā)動(dòng)機(jī)由美國(guó)ATK公司研制，已經(jīng)進(jìn)行了多次地面試驗(yàn)，前不久剛剛進(jìn)行DM-3試驗(yàn)，根據(jù)ATK公司公布的消息，DM-3試驗(yàn)中RSRMV發(fā)動(dòng)機(jī)表現(xiàn)極為成功。

 

J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)研制比較順利，圖為 9月末J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)正在進(jìn)行40秒試車

 

        太空發(fā)射系統(tǒng)的第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)J-2X同樣是來自星座計(jì)劃的遺產(chǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量2.385噸真空比沖448秒。J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)源自阿波羅計(jì)劃中土星五號(hào)火箭使用的J-2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，在阿波羅計(jì)劃之后J-2還發(fā)展出J-2S、XRS-2200等發(fā)動(dòng)機(jī)，可惜沒能投入使用。J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖遠(yuǎn)超傳統(tǒng)燃?xì)獍l(fā)射器循環(huán)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至比分級(jí)燃燒循環(huán)的日本LE7發(fā)動(dòng)機(jī)的447秒發(fā)動(dòng)機(jī)還高，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)真空推力達(dá)到了133噸，將是推力最大的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，幾乎相當(dāng)于我國(guó)未來長(zhǎng)征五號(hào)火箭第一級(jí)所用的YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍。J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)具有大推力、高比沖外加二次點(diǎn)火能力等特點(diǎn)，滿足了太空發(fā)射系統(tǒng)將大質(zhì)量載荷送入深空軌道的需求。

太空發(fā)射系統(tǒng)載人版和貨運(yùn)版的性能數(shù)據(jù)

 

      太空發(fā)射系統(tǒng)所使用RS-25D/E，RSRMV還是J-2X等發(fā)動(dòng)機(jī)都是當(dāng)之無愧的巔峰之作，其他國(guó)家未來10年甚至20年內(nèi)都不太可能研制出綜合性能相近的發(fā)動(dòng)機(jī)。高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，使太空發(fā)射系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)尤其是運(yùn)載能力遠(yuǎn)超其他國(guó)家的重型運(yùn)載火箭。根據(jù)美國(guó)航天局的規(guī)劃，太空發(fā)射系統(tǒng)初期將具備70公噸的地球低軌道運(yùn)載能力，進(jìn)一步演進(jìn)的太空發(fā)射系統(tǒng)地球低軌道運(yùn)載能力還將達(dá)到更為驚人的130公噸。這樣的運(yùn)載能力是十分驚人的，目前主流重型運(yùn)載火箭如美國(guó)德爾塔4，俄羅斯質(zhì)子火箭和歐洲的阿里安5火箭的地球低軌道最大運(yùn)載能力都只有25公噸左右，已經(jīng)退役的航天飛機(jī)運(yùn)載能力為27噸左右，即使是阿波羅計(jì)劃使用的巨無霸土星五號(hào)火箭，地球低軌道運(yùn)載能力也只有118公噸。美國(guó)媒體赫芬頓郵報(bào)的報(bào)道中，太空發(fā)射系統(tǒng)未來運(yùn)力甚至可能進(jìn)一步提高到150公噸不過這一說法沒有得到美國(guó)航天局的發(fā)布會(huì)和SLS的官方網(wǎng)頁(yè)的證實(shí)。不過即使未來太空發(fā)射系統(tǒng)只有130公噸運(yùn)載能力，仍無愧于美國(guó)航天局宣傳“有史以來最大、能力最強(qiáng)的運(yùn)載火箭”的說法。

 貨運(yùn)版太空發(fā)射系統(tǒng)藝術(shù)圖，它將達(dá)到130公噸的金地軌道運(yùn)載能力，超過土星五號(hào)成為最強(qiáng)大的運(yùn)載火箭

       作為美國(guó)未來深空探索的主力重型運(yùn)載火箭，太空發(fā)射系統(tǒng)在公布前后就被人頻繁的用來和同樣用于深空探索的土星五號(hào)火箭比較，美國(guó)航天局公開的文件也未能免俗。初期的太空發(fā)射系統(tǒng)全長(zhǎng)320英尺(97.5米)，起飛質(zhì)量達(dá)到了5.5百萬磅(2495噸)。3臺(tái)RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)外加2臺(tái)RSRMV固體助推器，提供了高達(dá)8.4百萬磅(3810噸)的起飛推力，比土星五號(hào)的起飛推力還高了10%。不過太空發(fā)射系統(tǒng)初期使用的是來自德爾塔4火箭的低溫上面級(jí)(DCSS)，DCSS對(duì)最大運(yùn)載能力25噸左右的德爾塔4火箭來說是合適的，但對(duì)太空發(fā)射系統(tǒng)推力就太小了，這也是盡管起飛推力和起飛質(zhì)量都很大，但早期的太空發(fā)射系統(tǒng)只具備將70公噸的貨物發(fā)射進(jìn)入軌道的原因。最終版本的太空發(fā)射系統(tǒng)全長(zhǎng)400英尺(122米)，起飛質(zhì)量從5.5百萬磅增加到6.5百萬磅(2948噸)。第一級(jí)將改用5臺(tái)RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)，上面級(jí)直徑也增加到和芯級(jí)一樣的8.4米(27.5英尺)，發(fā)動(dòng)機(jī)為1~3臺(tái)大推力的J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)。得益于大推力高比沖的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的貢獻(xiàn)，雖然起飛推力比土星五號(hào)高20%增加不大，但運(yùn)載能力增加到130公噸比土星五號(hào)高了10%。細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，太空發(fā)射系統(tǒng)的運(yùn)載能力系數(shù)(運(yùn)載能力/飛質(zhì)量)比土星五號(hào)火箭低,許有人會(huì)問，難道40多年過去了美國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)反而退步了么？實(shí)則不然，土星五號(hào)火箭處于一個(gè)不計(jì)代價(jià)完成任務(wù)的年代，美國(guó)航天局那時(shí)也有如我所愿的預(yù)算撥款，土星五號(hào)火箭的第一級(jí)S-IC的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、第二級(jí)和第三級(jí)的J-2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)都是那個(gè)時(shí)代綜合性能最好的發(fā)動(dòng)機(jī)。盡管太空發(fā)射系統(tǒng)的RS-25D/E發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖很高，但土星五號(hào)第一級(jí)的F-1液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖比太空發(fā)射系統(tǒng)的RSRMV固體發(fā)動(dòng)機(jī)高得多，土星五號(hào)作為三級(jí)火箭固有運(yùn)載系數(shù)也就比二級(jí)半的太空發(fā)射系統(tǒng)更高，綜合下來反而是40多年前的土星五號(hào)具有更大的運(yùn)載能力系數(shù)。運(yùn)載能力系數(shù)雖然是衡量運(yùn)載火箭水平的一個(gè)重要指標(biāo)，但它并不是運(yùn)載火箭技術(shù)水平的全部，太空發(fā)射系統(tǒng)運(yùn)載能力系數(shù)較低是權(quán)衡費(fèi)用和效率的結(jié)果。太空發(fā)射系統(tǒng)吸收了數(shù)十年來航天技術(shù)進(jìn)步的成果，在核心的制導(dǎo)導(dǎo)航和控制(GN&C)系統(tǒng)上的水平要遠(yuǎn)高于數(shù)十年前的土星五號(hào)。RS-25D/E和J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)也比當(dāng)年的J-2性能要強(qiáng)的多，其中RS-25D經(jīng)歷了航天飛機(jī)30年135次飛行的考驗(yàn)，其高可靠性毋庸置疑。J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)大量使用其他發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟部件如基于J-2S發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪設(shè)計(jì)、基于RS-27發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的可再生冷卻噴管RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的燃?xì)獍l(fā)生器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制軟硬件系統(tǒng)等，可靠性大為提高。5段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)雖然改進(jìn)了4段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)的部分設(shè)計(jì)，但主要改進(jìn)在點(diǎn)火器和噴口，對(duì)可靠性影響不大，在歷次測(cè)試中5段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)的表現(xiàn)不錯(cuò)。箭體材料上太空發(fā)射系統(tǒng)使用了新一代的2195鋁鋰合金，比土星五號(hào)的2219鋁合金更輕、比強(qiáng)度和比剛度更高，耐熱和抗應(yīng)力抗腐蝕性更好。太空發(fā)射系統(tǒng)還使用復(fù)合材料整流罩，輕質(zhì)高強(qiáng)度的復(fù)合材料減輕了整流罩的質(zhì)量，降低了火箭的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。太空發(fā)射系統(tǒng)全數(shù)字化設(shè)計(jì)，在可靠性安全性和可維護(hù)性上都有顯著的進(jìn)步，降低了研制成本和使用成本。

      太空發(fā)射系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)和運(yùn)載能力雖然是當(dāng)之無愧的世界第一，不過現(xiàn)在看來太空發(fā)射系統(tǒng)的前景并不美妙。2010年國(guó)會(huì)授權(quán)法案要求美國(guó)航天局研制新型重型運(yùn)載火箭進(jìn)行載人和貨運(yùn)發(fā)射，取消戰(zhàn)神五號(hào)火箭之后美國(guó)航天局提出的重型運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)和2005年探索系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究(ESAS)中論證的重型運(yùn)載火箭方案大同小異，浪費(fèi)了大量時(shí)間令人哭笑不得。為了實(shí)現(xiàn)國(guó)會(huì)要求的時(shí)間表，太空發(fā)射系統(tǒng)的研制將分為幾個(gè)階段分別實(shí)現(xiàn)不同的功能和運(yùn)載能力。原定最少預(yù)算支持方案下，2017年太空發(fā)射系統(tǒng)將進(jìn)行第一次發(fā)射，編號(hào)SLS-1發(fā)射無人的20噸級(jí)多用途乘員飛行器執(zhí)行繞月任務(wù)。2021年進(jìn)行SLS-2任務(wù)發(fā)射載人MPCV進(jìn)行第一次載人繞月飛行。第三次和第四次發(fā)射預(yù)定在2022年和2023年，任務(wù)內(nèi)容和SLS-2相同。2024年進(jìn)行第一次貨運(yùn)發(fā)射SLS-5，使用新的整流罩，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的70公噸貨運(yùn)能力。2025年進(jìn)行第一次載人探索任務(wù)SLS-6，可能目的地是近地小行星，以完成現(xiàn)任總統(tǒng)奧巴馬提出的2025年小行星探測(cè)的目標(biāo)。2026年的SLS-7將開始使用一次性的RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)，這是一次貨運(yùn)發(fā)射。2030年的SLS-11，太空發(fā)射系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行一個(gè)重要升級(jí)，芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)增加為5臺(tái)RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)，但仍使用Delta4火箭的上面級(jí)。直到2032年的SLS-13任務(wù)中，太空發(fā)射系統(tǒng)才最終實(shí)現(xiàn)美國(guó)參議院要求的目標(biāo)，使用全新的J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)上面級(jí)從而使近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到130公噸以上。9月末修改過的方案將第二次SLS發(fā)射任務(wù)確定改為2019年，不過整體上仍沒有改變規(guī)劃的不給力，和阿波羅計(jì)劃一步到位研制118公噸運(yùn)載能力的土星五號(hào)形成了鮮明的對(duì)比。

月球、小行星和火星，但具體計(jì)劃仍未定。財(cái)政預(yù)算壓力下真的能去火星么？

      除了進(jìn)度拖沓，太空發(fā)射系統(tǒng)的預(yù)算也是一個(gè)大眾關(guān)注的話題。美國(guó)航天局已經(jīng)要求380億美元的經(jīng)費(fèi)開發(fā)太空發(fā)射系統(tǒng)，研制經(jīng)費(fèi)截止2017年SLS-1發(fā)射前就需要160億美元，另外還有20億美元的發(fā)射設(shè)施更新等費(fèi)用。8月份一份非官方發(fā)布的美國(guó)航天局太空發(fā)射系統(tǒng)項(xiàng)目費(fèi)用評(píng)估文件，依照各種方案進(jìn)行了評(píng)估。較快的參議院授權(quán)法案方案可以大大加速太空發(fā)射系統(tǒng)研制，在2021年末首次發(fā)射 130公噸運(yùn)載能力的太空發(fā)射系統(tǒng)，但是僅僅到2017年的研制費(fèi)用就要高達(dá)230億美元，2021年首次130公噸級(jí)太空發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射則需要391億美元，到2025年整個(gè)項(xiàng)目總投資要達(dá)到625億美元。即使按照前述最低預(yù)算支持來計(jì)算，到2025年投資也要高達(dá)410億美元，這樣的投資對(duì)于財(cái)大氣粗的美國(guó)也是很難承受的重?fù)?dān)。這還僅僅是太空發(fā)射系統(tǒng)的花費(fèi)，載人深空探索所需的多任務(wù)載具、深空居住艙、低溫推進(jìn)級(jí)和太陽(yáng)能電推進(jìn)系統(tǒng)等系統(tǒng)都不在內(nèi)，但僅憑太空發(fā)射系統(tǒng)和MPCV飛船，除了繞月飛行外無法進(jìn)行任何其他深空探索。最重要的是太空發(fā)射系統(tǒng)已經(jīng)開始研制，但美國(guó)總統(tǒng)、參議院和美國(guó)航天局都沒有為載人深空探索提出明確的目標(biāo)和時(shí)間表，這為太空發(fā)射系統(tǒng)的未來蒙上了一層陰影。