文/湯川學(xué)

太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，簡稱SLS）重型火箭是美國實施重返月球的阿爾忒彌斯計劃關(guān)鍵的第一步。SLS首飛經(jīng)歷了十幾次的延期，終于在北京時間8月29日晚進入發(fā)射倒計時。然而，因火箭芯級3號主發(fā)動機發(fā)生泄漏，在倒計時停留在40分鐘一段時間后，美國宇航局正式宣布發(fā)射推遲。

至本刊截稿時，美國宇航局宣布于北京時間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火箭蓄勢待發(fā)

“星座”計劃的遺產(chǎn)

在之前美國被取消的登月計劃——“星座”計劃中，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。它們在計劃中將通過接力的方式，在低地球軌道上組合飛向月球，以一種比阿波羅時期更安全、更經(jīng)濟、更可持續(xù)的方式，將美國人送回月球。不過，由于星座計劃過于緩慢的進度和超支的費用，2010年10月11日，美國國會通過了《2010年美國宇航局授權(quán)法案》，正式取消了“星座”計劃。

雖然“星座”計劃被取消，但是它留下的遺產(chǎn)并沒有消失，許多研究項目在“星座”計劃被取消時仍然在進行。2009年9月，一項名為“重型運載火箭研究”的方案論證工作被提上日程，從后來SLS的發(fā)展歷程看，我們也可以認為該方案研究開始之日，便是SLS項目啟動之時。

在《2010年美國宇航局授權(quán)法案》中曾提到：“……計劃由該局開發(fā)一種太空發(fā)射系統(tǒng)，作為航天飛機的后續(xù)運載工具，它可以勝任地月空間和近地軌道以外的太空任務(wù)，以使美國能夠進入和開發(fā)這些日益具有戰(zhàn)略意義的區(qū)域?！@種運載火箭，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力達到130噸的重型火箭。

▲ 特朗普發(fā)布太空指令

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

2019年5月14日，美國航天迎來一個歷史性節(jié)點。這一天，美國宇航局長吉姆·布里登斯汀宣布，新載人登月計劃以希臘神話中的月亮女神命名，即“阿爾忒彌斯計劃”。該計劃將是一個由美國主導(dǎo)的載人航天項目。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版。載人版搭載的是獵戶座飛船，而貨運版則會把上方的獵戶座飛船更換為整流罩來搭載載荷。在計劃中，SLS有許多版本的整流罩。

Block1型是最先投入使用的型號，也是最基礎(chǔ)的型號，其特點是使用五段助推器，使用臨時低溫推進級，芯級和上面級之間有一個向上收縮的級間段，最高可以達到98米。其基本性能為：近地軌道運力95噸，地月轉(zhuǎn)移軌道27噸。

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

Block2型在之前1型的基礎(chǔ)上進行了一次大升級。其使用全新的先進助推器更換了五段助推器，使用遠征上面級，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)，最高可以達到111米。其基本性能為：近地軌道運力130噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運力45噸。

▲ 美國星座計劃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年美國宇航局授權(quán)法案》勾勒了美國下一代重型火箭的一些基本技術(shù)指標(biāo)，即近地軌道運力達到130噸，而其任務(wù)將包括前往月球和進行深空任務(wù)，并賦予其“太空發(fā)射系統(tǒng)”的名字。毫無疑問，從參數(shù)上看，它絕對是人類航天史上最強的火箭之一。

法案中明確提到，SLS將是一種大量沿用航天飛機技術(shù)的火箭。比如它的一級安裝有四臺RS-25發(fā)動機，而與RS-25發(fā)動機配套的生產(chǎn)設(shè)施和倉庫等都可以繼續(xù)使用。在火箭的成本中，有相當(dāng)大一部分來自于精密的火箭發(fā)動機，直接拿用仍可以使用的庫存發(fā)動機，毫無疑問可以大大降低生產(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上的固體助推器；而火箭的上面級與芯級有諸多共同點，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，后來的實踐證明，這些節(jié)省成本舉措的效果并沒有當(dāng)初想象的那么好。

SLS是未來美國宇航局進行深空探索任務(wù)的核心，從載人登月任務(wù)到預(yù)計在本世紀(jì)30年代實施的載人登火計劃，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上面級的SLS Block1B火箭，第九次任務(wù)將首飛使用先進固體助推器、EUS上面級的SLS Block2型火箭。

▲ SLS的先進助推器

從遠處看，你會被SLS那頗有航天飛機遺風(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。芯級由10個主要的圓筒結(jié)構(gòu)、4個圓頂結(jié)構(gòu)和7個圓環(huán)結(jié)構(gòu)組成。每個儲箱由8塊長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所占據(jù)。芯級長65米，直徑8.4米，其直徑與航天飛機的外部儲箱一致，但長度要更長，所用的技術(shù)與航天飛機外部儲罐所用的基本相同但有所改進，可以裝200萬升的液氫和74萬余升的液氧。芯級包括了整個火箭的主推進系統(tǒng)，并且在目前的規(guī)劃中，Block1、1B和2都將使用同樣的芯級，加強了同系列的通用性，節(jié)省成本。SLS芯級的建造地點位于新奧爾良的米丘德工廠，這個地方曾經(jīng)也是航天飛機外部儲罐的生產(chǎn)地。

芯級下方安裝有4臺顯眼的RS-25發(fā)動機。RS-25發(fā)動機由美國洛克達因公司研發(fā)，是一種可重復(fù)使用、采用了富燃分級燃燒循環(huán)和再生冷卻原理的氫氧火箭發(fā)動機，真空推力超過232噸，在航天飛機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)動機，但是在SLS的任務(wù)中，所有RS-25發(fā)動機都不會被回收。

目前的規(guī)劃中，前4發(fā)SLS火箭將會使用庫存中被航天飛機使用過的16臺RS-25發(fā)動機。當(dāng)然，“RS-25”在航天飛機上和SLS的工況十分不同，并且在測試的過程中也發(fā)現(xiàn)了不少問題，比如液氧入口壓力較大、液氧入口溫度過低、熱學(xué)環(huán)境復(fù)雜等。為了能讓它們在火箭上也能工作良好，美國宇航局開展了“RS-25”適配計劃，這些舊引擎都已經(jīng)重新進行了現(xiàn)代化改裝，有了許多優(yōu)化，比如使用了全新的遠征上面級發(fā)動機控制器，提高了油門的極限，并且為了承受來自側(cè)邊固體發(fā)動機的高溫做了防熱處理等等。在剩余的舊引擎用完之后，將會改用由“RS-25生產(chǎn)重啟項目”為SLS專門設(shè)計的一次性RS-25E發(fā)動機，這些改進在計劃中將會把每臺發(fā)動機的成本降低30%以上，從而減少開支。在過去的幾年里，RS-25引擎已經(jīng)在美國斯坦尼斯航天中心的試車臺上進行了約10000秒的靜態(tài)試車。

▲ SLS芯級正在斯坦尼斯試車臺上試車

▲ 安裝在芯級上的四臺RS-25發(fā)動機

SLS所采用的五級固體助推器，長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，燃燒時間約為126秒。在SLS從發(fā)射臺上騰空而起時，芯級左右兩枚固體助推器將會為整個火箭提供四分之三的推力，它們也是有史以來最大的、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)來源于航天飛機的固體助推器，與戰(zhàn)神火箭中的五段式固體助推器的關(guān)系密切，因為最初五級助推器就是為了“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時代遺留的庫存中取用的。由于采用了五節(jié)助推器而不是航天飛機上的四節(jié)半，所以它能提供更長的燃燒時間和更高的比沖，并且由于沒有航天飛機時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)計的噴管、無石棉隔熱外殼，在生產(chǎn)過程中運用了簡化的制造流程和新的檢測技術(shù)，提高了性能，降低了生產(chǎn)成本。負責(zé)固體助推器生產(chǎn)的美國軌道ATK公司（在2018年被諾格創(chuàng)新公司收購）在2015年初和2016年7月成功進行了QM-1和QM-2兩次固體助推器點火任務(wù)。雖然有了大量的改進，但是SLS的固體助推器仍然是沿用了大量航天飛機時代的技術(shù)和部件的產(chǎn)物，對其進一步改進的空間十分有限，并且航天飛機的庫存只能支持SLS飛行8次。為了滿足后續(xù)的發(fā)射需求，也為了更長遠的發(fā)展目標(biāo)，讓SLS達到國會所要求的130噸近地軌道運載能力,BOLE計劃應(yīng)運而生。

助推器換代延壽

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

先進固體助推器使用了復(fù)合材料外殼和采用先進復(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)的接點密封性，降低了成本；更換了更好的工業(yè)級端羥基聚丁二烯（HTPB）固體助推劑；采用了經(jīng)過優(yōu)化的噴管；改進了助推器結(jié)構(gòu)，用新技術(shù)替代了上個世紀(jì)的老舊技術(shù)，包括一體化鼻錐和前錐段、結(jié)構(gòu)強度優(yōu)化的前段裙板、簡化設(shè)計的系統(tǒng)元件管路、全新的助推器/芯級連接-分離機構(gòu)，以及更易生產(chǎn)的后裙板。

該計劃處于詳細設(shè)計階段，將在2024年對第一臺地面測試開發(fā)助推器進行點火試車，隨后將對助推器進行初步設(shè)計審查。分析顯示，對于月球任務(wù)，先進助推器至少提供了3噸的額外地月轉(zhuǎn)移軌道運力提升；而如果要前往更遠的深空，比如前往火星或小行星帶以外的木星和土星時，甚至可以提升20%左右的運力，可見其對于SLS運力提升的意義。采用了先進固體助推器的SLS Block2預(yù)計將在2030年之后首飛，有希望在2024年進行首次試車。

芯級的上方，便是SLS的上面級。在最早期的SLS設(shè)計方案中存在著多種上面級方案，其中有一個方案便是全狀態(tài)的SLS將使用曾計劃在戰(zhàn)神五型火箭上使用的J-2X發(fā)動機，而J-2X又是從阿波羅計劃中的登月火箭“土星5號”的J-2發(fā)動機發(fā)展而來，不過后來該方案被取消。目前SLS Block1型采用的上面級名為臨時低溫推進級，是一個經(jīng)過最低限度修改的5米級德爾它低溫二級DCSS，長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)上面級出現(xiàn)服役之前，暫時性承擔(dān)上面級的角色，完成任務(wù)。

▲ SLS底部畫面

臨時低溫推進級包含有一個RL10B-2發(fā)動機。RL10發(fā)動機由美國洛克達因公司研發(fā)，最初型號誕生于上世紀(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，真空比沖可以達到465.5秒。SLS Block1的級間段和上面級與有效載荷，共同構(gòu)成了航天器/載荷組合體。載人型SLS Block1的航天器/載荷組合體由運載火箭分級適配器、臨時低溫推進級和獵戶座飛船分級適配器組成。在任務(wù)期間，分級適配器可以根據(jù)需要，加裝次要任務(wù)載荷。而貨運型的SLS Block1的航天器/載荷組合體，分級適配器會被替換為5米級直徑的載荷適配器和整流罩。

SLS真正的目標(biāo)上面級名為遠征上面級。這種上面級會首先出現(xiàn)在1B上，相比于臨時低溫推進級孱弱的1臺發(fā)動機，遠征上面級上加裝了整整4臺RL-10C-3型發(fā)動機，它最終將升級為使用4臺采用3D打印技術(shù)的RL10C-X發(fā)動機。加裝遠征上面級后，1B將會比1型高出將近10米，使得SLS Block1B的最大高度達到了111米。而遠征上面級的加入也將大大加強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的貨運版可以最多達到42噸。不過，遠征上面級的研發(fā)進程一直進展緩慢，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

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

SLS在最初的法案中被提出時，計劃在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)費更是一個大問題。雖說SLS在很多方面都有節(jié)省成本的考慮，可是來自于部門和公司內(nèi)部的一些因素卻一直在無形地阻礙項目的進程，一些設(shè)備的價格也達到了令人匪夷所思的程度。比如，用于發(fā)射SLS Block1型的移動發(fā)射臺（ML-1）的造價，竟然高達10億美元；而由于遠征上面級的加入使得1B型相比1型更高，無法在ML-1上發(fā)射，所以還需要再造一個ML-2來發(fā)射1B型。還有其他諸如發(fā)動機的重啟費用等等，也是不小的開支。至于整個SLS項目到底有多少不合理的超支，只有天知道。

雖然無法用一個較為公允的方式來計算每一次發(fā)射的成本，因為很多參與制造的機構(gòu)的成本核算方式并不相同，有的成本計算中并不包含其開發(fā)成本費用，僅考慮了制造費用，但是根據(jù)美國宇航局監(jiān)察辦公室在2021年11月發(fā)布的報告，直到阿爾忒彌斯4號，發(fā)射一個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)所需的加工費用，包括材料、勞動力、設(shè)施等，不包含其他的開發(fā)資金，若算上部件的開發(fā)費用將會更高。而SLS每次發(fā)射的生產(chǎn)和運營成本將為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將會隨著未來發(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。

▲ 在斯坦尼斯試車臺上的芯級

但是，無論如何，SLS將帶著美國人重返月球，在未來或許還要飛向火星，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)、許多旗艦級的探索任務(wù)都在等待著SLS去執(zhí)行。作為一款旗艦級的火箭，雖然SLS在成長的道路上磕磕碰碰，但是人們期待它的未來足夠精彩。