SLS：能否托举美重返月球梦想？

2022-09-17汤川学

太空探索 2022年9期

文/汤川学

太空发射系统（Space Launch System，简称SLS）重型火箭是美国实施重返月球的阿尔忒弥斯计划关键的第一步。SLS首飞经历了十几次的延期，终于在北京时间8月29日晚进入发射倒计时。然而，因火箭芯级3号主发动机发生泄漏，在倒计时停留在40分钟一段时间后，美国宇航局正式宣布发射推迟。

至本刊截稿时，美国宇航局宣布于北京时间9月4日凌晨再次尝试发射。如果不顺利，发射还将继续推迟。

▲ SLS火箭蓄势待发

“星座”计划的遗产

在之前美国被取消的登月计划——“星座”计划中，规划了两型战神火箭，战神一型和战神五型，其中战神五型从外形上看和SLS十分相像。它们在计划中将通过接力的方式，在低地球轨道上组合飞向月球，以一种比阿波罗时期更安全、更经济、更可持续的方式，将美国人送回月球。不过，由于星座计划过于缓慢的进度和超支的费用，2010年10月11日，美国国会通过了《2010年美国宇航局授权法案》，正式取消了“星座”计划。

虽然“星座”计划被取消，但是它留下的遗产并没有消失，许多研究项目在“星座”计划被取消时仍然在进行。2009年9月，一项名为“重型运载火箭研究”的方案论证工作被提上日程，从后来SLS的发展历程看，我们也可以认为该方案研究开始之日，便是SLS项目启动之时。

在《2010年美国宇航局授权法案》中曾提到：“……计划由该局开发一种太空发射系统，作为航天飞机的后续运载工具，它可以胜任地月空间和近地轨道以外的太空任务，以使美国能够进入和开发这些日益具有战略意义的区域。……这种运载火箭，应能够将总共130吨以上的有效载荷送入近地轨道，并为近地轨道以外的任务提供完整的支持。”这份法案，一方面为下一步的任务指明了方向，另一方面也勾勒出了新一代火箭的技术指标。这将是一枚近地轨道运力达到130吨的重型火箭。

▲ 特朗普发布太空指令

2017年12月11日，时任美国总统唐纳德·特朗普签署了一号太空政策令，规划了一项由美国宇航局牵头、与民间企业合作伙伴共同合作的综合太空探索计划。

2019年5月14日，美国航天迎来一个历史性节点。这一天，美国宇航局长吉姆·布里登斯汀宣布，新载人登月计划以希腊神话中的月亮女神命名，即“阿尔忒弥斯计划”。该计划将是一个由美国主导的载人航天项目。而在其中，用于托举猎户座飞船的火箭不再是战神一型，而是一款从各方面来讲都令人们感到熟悉又陌生的火箭——SLS。

SLS的构型

SLS的构型目前有3种，分别是Block1型、Block1B型、Block2型，而每一种都可以分为载人版和货运版。载人版搭载的是猎户座飞船，而货运版则会把上方的猎户座飞船更换为整流罩来搭载载荷。在计划中，SLS有许多版本的整流罩。

Block1型是最先投入使用的型号，也是最基础的型号，其特点是使用五段助推器，使用临时低温推进级，芯级和上面级之间有一个向上收缩的级间段，最高可以达到98米。其基本性能为：近地轨道运力95吨，地月转移轨道27吨。

Block1B型是在1型基础上升级的版本。其仍然使用五段助推器，但是用上了远征上面级，使得其级间段不再向上收缩，最高可以达到110米。其基本性能为：近地轨道运力105吨，地月转移轨道运力40吨。

Block2型在之前1型的基础上进行了一次大升级。其使用全新的先进助推器更换了五段助推器，使用远征上面级，性能也有了大幅提升，也是SLS目前发展目标中的最终形态，最高可以达到111米。其基本性能为：近地轨道运力130吨，地月转移轨道运力45吨。

▲ 美国星座计划LOGO

SLS使用的整流罩根据需求有着许多版本。宽度有5米（1型）、8.4米和10米（1B型和2型），长度从14.4米到27.4米不等。其用处也从单一载荷到多载荷任务不等。

▲ SLS发展路径图

SLS的性能

《2010年美国宇航局授权法案》勾勒了美国下一代重型火箭的一些基本技术指标，即近地轨道运力达到130吨，而其任务将包括前往月球和进行深空任务，并赋予其“太空发射系统”的名字。毫无疑问，从参数上看，它绝对是人类航天史上最强的火箭之一。

法案中明确提到，SLS将是一种大量沿用航天飞机技术的火箭。比如它的一级安装有四台RS-25发动机，而与RS-25发动机配套的生产设施和仓库等都可以继续使用。在火箭的成本中，有相当大一部分来自于精密的火箭发动机，直接拿用仍可以使用的库存发动机，毫无疑问可以大大降低生产成本。而SLS所使用的两枚五段固体助推器，则可以追溯到航天飞机上的固体助推器；而火箭的上面级与芯级有诸多共同点，例如它的外径、材料组成、子系统组件和制造设备与工艺。当然，后来的实践证明，这些节省成本举措的效果并没有当初想象的那么好。

SLS是未来美国宇航局进行深空探索任务的核心，从载人登月任务到预计在本世纪30年代实施的载人登火计划，都要由SLS扛起重任。目前规划中SLS的任务，都是阿尔忒弥斯计划中的任务。在阿尔忒弥斯1到8任务中，前3次任务将由SLS Block1型火箭执行，之后的5次将采用使用EUS上面级的SLS Block1B火箭，第九次任务将首飞使用先进固体助推器、EUS上面级的SLS Block2型火箭。

▲ SLS的先进助推器

从远处看，你会被SLS那颇有航天飞机遗风的橘黄色外表所吸引，这是由于其外壳上覆盖的泡沫隔热材料所致。芯级由10个主要的圆筒结构、4个圆顶结构和7个圆环结构组成。每个储箱由8块长度和高度不同的铝板组成。从正面看，SLS大部分面积都被芯级所占据。芯级长65米，直径8.4米，其直径与航天飞机的外部储箱一致，但长度要更长，所用的技术与航天飞机外部储罐所用的基本相同但有所改进，可以装200万升的液氢和74万余升的液氧。芯级包括了整个火箭的主推进系统，并且在目前的规划中，Block1、1B和2都将使用同样的芯级，加强了同系列的通用性，节省成本。SLS芯级的建造地点位于新奥尔良的米丘德工厂，这个地方曾经也是航天飞机外部储罐的生产地。

芯级下方安装有4台显眼的RS-25发动机。RS-25发动机由美国洛克达因公司研发，是一种可重复使用、采用了富燃分级燃烧循环和再生冷却原理的氢氧火箭发动机，真空推力超过232吨，在航天飞机上有着极为良好的可靠性表现。虽然它是可复用的发动机，但是在SLS的任务中，所有RS-25发动机都不会被回收。

目前的规划中，前4发SLS火箭将会使用库存中被航天飞机使用过的16台RS-25发动机。当然，“RS-25”在航天飞机上和SLS的工况十分不同，并且在测试的过程中也发现了不少问题，比如液氧入口压力较大、液氧入口温度过低、热学环境复杂等。为了能让它们在火箭上也能工作良好，美国宇航局开展了“RS-25”适配计划，这些旧引擎都已经重新进行了现代化改装，有了许多优化，比如使用了全新的远征上面级发动机控制器，提高了油门的极限，并且为了承受来自侧边固体发动机的高温做了防热处理等等。在剩余的旧引擎用完之后，将会改用由“RS-25生产重启项目”为SLS专门设计的一次性RS-25E发动机，这些改进在计划中将会把每台发动机的成本降低30%以上，从而减少开支。在过去的几年里，RS-25引擎已经在美国斯坦尼斯航天中心的试车台上进行了约10000秒的静态试车。

▲ SLS芯级正在斯坦尼斯试车台上试车

▲ 安装在芯级上的四台RS-25发动机

SLS所采用的五级固体助推器，长54米，宽3.6米，单枚重量725吨，它产生的峰值真空推力为1633吨，燃烧时间约为126秒。在SLS从发射台上腾空而起时，芯级左右两枚固体助推器将会为整个火箭提供四分之三的推力，它们也是有史以来最大的、用于火箭飞行的固体助推器。

从外形上也可以看出，这种助推器的技术来源于航天飞机的固体助推器，与战神火箭中的五段式固体助推器的关系密切，因为最初五级助推器就是为了“战神一型”所使用的，其上的许多部件也是直接从航天飞机时代遗留的库存中取用的。由于采用了五节助推器而不是航天飞机上的四节半，所以它能提供更长的燃烧时间和更高的比冲，并且由于没有航天飞机时代回收固体助推器的需求，与回收相关的设备也被全部取消。

与航天飞机助推器相比，新的助推器采用了全新的航空电子设备、全新设计的喷管、无石棉隔热外壳，在生产过程中运用了简化的制造流程和新的检测技术，提高了性能，降低了生产成本。负责固体助推器生产的美国轨道ATK公司（在2018年被诺格创新公司收购）在2015年初和2016年7月成功进行了QM-1和QM-2两次固体助推器点火任务。虽然有了大量的改进，但是SLS的固体助推器仍然是沿用了大量航天飞机时代的技术和部件的产物，对其进一步改进的空间十分有限，并且航天飞机的库存只能支持SLS飞行8次。为了满足后续的发射需求，也为了更长远的发展目标，让SLS达到国会所要求的130吨近地轨道运载能力,BOLE计划应运而生。

助推器换代延寿

BOLE计划的全称是助推器换代延寿项目，由美国宇航局牵头，诺格创新公司作为项目的主要执行方和研发方，项目目标是研发一款能够在各方面超越现有五级固体助推器的先进固体助推器。

先进固体助推器使用了复合材料外壳和采用先进复合材料纤维技术的新型接头，提供了接近30%的减重效果和更优的接点密封性，降低了成本；更换了更好的工业级端羟基聚丁二烯（HTPB）固体助推剂；采用了经过优化的喷管；改进了助推器结构，用新技术替代了上个世纪的老旧技术，包括一体化鼻锥和前锥段、结构强度优化的前段裙板、简化设计的系统元件管路、全新的助推器/芯级连接-分离机构，以及更易生产的后裙板。

该计划处于详细设计阶段，将在2024年对第一台地面测试开发助推器进行点火试车，随后将对助推器进行初步设计审查。分析显示，对于月球任务，先进助推器至少提供了3吨的额外地月转移轨道运力提升；而如果要前往更远的深空，比如前往火星或小行星带以外的木星和土星时，甚至可以提升20%左右的运力，可见其对于SLS运力提升的意义。采用了先进固体助推器的SLS Block2预计将在2030年之后首飞，有希望在2024年进行首次试车。

芯级的上方，便是SLS的上面级。在最早期的SLS设计方案中存在着多种上面级方案，其中有一个方案便是全状态的SLS将使用曾计划在战神五型火箭上使用的J-2X发动机，而J-2X又是从阿波罗计划中的登月火箭“土星5号”的J-2发动机发展而来，不过后来该方案被取消。目前SLS Block1型采用的上面级名为临时低温推进级，是一个经过最低限度修改的5米级德尔它低温二级DCSS，长13.7米，宽5米，满燃料质量约30吨。物如其名，就是在真正的目标上面级出现服役之前，暂时性承担上面级的角色，完成任务。

▲ SLS底部画面

临时低温推进级包含有一个RL10B-2发动机。RL10发动机由美国洛克达因公司研发，最初型号诞生于上世纪50年代，发展几十年后依然是一款性能优异的膨胀循环液氢液氧真空引擎，真空推力约11吨，真空比冲可以达到465.5秒。SLS Block1的级间段和上面级与有效载荷，共同构成了航天器/载荷组合体。载人型SLS Block1的航天器/载荷组合体由运载火箭分级适配器、临时低温推进级和猎户座飞船分级适配器组成。在任务期间，分级适配器可以根据需要，加装次要任务载荷。而货运型的SLS Block1的航天器/载荷组合体，分级适配器会被替换为5米级直径的载荷适配器和整流罩。

SLS真正的目标上面级名为远征上面级。这种上面级会首先出现在1B上，相比于临时低温推进级孱弱的1台发动机，远征上面级上加装了整整4台RL-10C-3型发动机，它最终将升级为使用4台采用3D打印技术的RL10C-X发动机。加装远征上面级后，1B将会比1型高出将近10米，使得SLS Block1B的最大高度达到了111米。而远征上面级的加入也将大大加强SLS前往深空的性能，与1相比，1B可以往地月转移轨道多打将近10吨左右，1B的货运版可以最多达到42吨。不过，远征上面级的研发进程一直进展缓慢，可以执行任务的日期仍然待定。

▲ 阿尔忒弥斯1任务示意图

在延期与质疑中前进

SLS自诞生起便一直饱受各方面的批评与质疑。最为人诟病的就是整个SLS项目不断后延的发射日期和堪称离谱的研发建造费用。

SLS在最初的法案中被提出时，计划在2016年末发射，但是在之后的十多年里，宣布了十几次延期，而2020年的新冠疫情又让SLS的发射日期一再推迟，被网友们戏称为“鸽王”之一。而不断超支的经费更是一个大问题。虽说SLS在很多方面都有节省成本的考虑，可是来自于部门和公司内部的一些因素却一直在无形地阻碍项目的进程，一些设备的价格也达到了令人匪夷所思的程度。比如，用于发射SLS Block1型的移动发射台（ML-1）的造价，竟然高达10亿美元；而由于远征上面级的加入使得1B型相比1型更高，无法在ML-1上发射，所以还需要再造一个ML-2来发射1B型。还有其他诸如发动机的重启费用等等，也是不小的开支。至于整个SLS项目到底有多少不合理的超支，只有天知道。

虽然无法用一个较为公允的方式来计算每一次发射的成本，因为很多参与制造的机构的成本核算方式并不相同，有的成本计算中并不包含其开发成本费用，仅考虑了制造费用，但是根据美国宇航局监察办公室在2021年11月发布的报告，直到阿尔忒弥斯4号，发射一个SLS/猎户座系统的成本至少为41亿美元，大约每年执行一次任务。41亿美元的总成本包括火箭的生产和发射SLS/猎户座系统所需的加工费用，包括材料、劳动力、设施等，不包含其他的开发资金，若算上部件的开发费用将会更高。而SLS每次发射的生产和运营成本将为22亿美元，外加5.68亿美元用于如发射塔等地面系统。虽然SLS将会随着未来发射的不断增加逐渐变得便宜，但与其他火箭相比，依然是一款相当昂贵的火箭。