SLS：开启美重返月球征程

文/张雪松

美国东部时间2022年11月16日凌晨1时47分（北京时间14时47分），屡经波折的太空发射系统（SLS）重型火箭终于发射升空，成功将猎户座飞船送上前往月球的轨道。自2010年美国宇航局开始研制SLS火箭以来，经过11年的漫长历程和十几次的反复延期，终获成功，从而拉开了美国重返月球的阿尔忒弥斯计划的序幕。然而，时过境迁，SLS火箭已经远没有当初的重要地位，虽然它还是阿尔忒弥斯计划的关键组成部分，前景却日益黯淡。

▲ SLS火箭待发

星座计划的遗产

2010年美国国会通过美国宇航局授权法案，要求美国宇航局研制名为SLS的重型运载火箭，作为航天飞机之后的运载工具，胜任载人深空探索的需求。国会还设定了具体的指标，诸如初始阶段近地轨道运载能力70～100吨，增加上面级后运力提高到至少130吨，可用于发射多用途载人飞船，另外还有不晚于2016年12月31日投入使用的要求。

当时美国重返月球的星座计划已经取消，美国并没有明确的深空探索计划，这种名为SLS的重型火箭，只是为了维持美国作为航天超级大国的面子，当然也少不了各州议员们拉拢航天工业选票的需求，通俗地说就是面子工程加就业工程。SLS火箭的诞生如此荒诞，后来出现各种意外也就丝毫不足为奇。如果从血脉上说，SLS可以看作是星座计划的遗产，是战神五号火箭精神上的继承者，但在构型上SLS更类似纸面上的战神四号或战神五号Lite火箭，是一种兼具载人和货运能力的重型火箭。

2011年9月14日，美国宇航局正式宣布将研制新一代重型火箭SLS，用于把猎户座飞船发射到地球轨道以外，执行载人深空探索任务。SLS火箭的大推力固体助推器，RS-25氢氧主发动机，以及8.4米直径的大型低温储箱，都和航天飞机技术一脉相承，而第一阶段的过渡性低温上面级（ICPS）就是德尔它4火箭的第二级。看起来作为成熟技术的重新组合，SLS火箭的研制应该驾轻就熟一帆风顺，但实际研制进程却远非如此。

▲ SLS火箭发射升空

SLS自提出以来就饱受批评，尤其是在项目研制进度拖延不断，而研发费用不断超支后就更是如此。从技术上说，SLS火箭虽然试图通过继承航天飞机技术降低成本，但实际研制中不尽人意。即使是3.7米直径的大推力固体助推器，也从航天飞机的四段式改进为SLS火箭的五段式，大幅度提高了推力。RS-25主发动机由原洛克达因公司研制，前4枚SLS火箭直接使用航天飞机拆下来的RS-25D发动机，但发动机的地面测试和适应性改进也花销不少，更别说重启发动机生产后，新的一次性RS-25E发动机研制和生产成本高达1.46亿美元一台，通俗地说，买一台RS-25E发动机的钱够买一架F-22猛禽战斗机。更大的拦路虎是SLS火箭的8.4米芯级储箱。这个巨大的氢氧储箱是轴向承力，而航天飞机外储箱是侧向承力，再加上材料也从航天飞机外储箱的2195铝锂合金换回2219铝合金，以降低成本并提高结构承压能力，夸张些说，SLS的外储箱是新研制的。

另外，无论是米秋德组装厂遭遇飓风，还是米秋德垂直装配塔的错位，以及焊接中出现的各种问题，都导致SLS火箭研制不断超期和超支。当然，更重要的是美国宇航局签订的是成本加成合同，给了波音公司拖延进度猛赚研制经费的巨大动力。同时主承包商波音公司项目管理能力失控，本来就失去了保质保量完成研制的能力，火箭的研制进度自然失控。雪上加霜的是，SLS项目又受到2020年新冠疫情的冲击。诸多不利因素影响下，SLS火箭第一阶段的基本型号首飞时间从最初2016年底最后推迟到2022年底，首飞时间先后推迟了20次之多，而研制成本也从最初计划的100亿膨胀到230亿美元！

▲ SLS火箭驶出总装大楼向发射工位转场

▲ 点火

一波三折的首飞之路

SLS重型火箭的首飞，也就是阿尔忒弥斯-1任务的成功着实不易。早在2019年11月，4台来自航天飞机的主发动机就已经装上火箭芯级，同年12月美国宇航局宣布完成芯级的组装。完整的火箭芯级于2020年1月离开米秋德组装厂，船运到附近的斯坦尼斯航天中心，准备进行芯级静态点火试验，但由于新冠大流行的冲击，名为GreenRun的静态点火试验不断推迟，直到2020年12月才进行加注合练，2021年1月16日进行GreenRun试验。然而首次静态点火中一台发动机检测到意外，导致试验于67秒时中止。事后发现这是传感器阈值设置太过保守，并不影响正常使用，发动机也没有任何损坏，实在令人哭笑不得。3月18日第二次静态点火实验，SLS芯级点火工作8分20秒，圆满完成了预定验证任务。

SLS火箭GreenRun成功后，美国宇航局计划2021年11月发射火箭。2021年1月7日美国宇航局开始组装分段式固体助推器。由于大推力固体助推器体积重量太大，组装后垂直状态的时间太长，内部药柱可能在重力作用下变形，影响到发动机的可靠性，美国宇航局最初限定这两枚固推保质期为1年。但同年9月诺斯罗普·格鲁曼公司表示根据数据分析，固推的时间限制可以延长到组装后的18个月，再后来又延长到2年。大推力固体助推器保质期的不断延长，完全是火箭其他分系统拖后腿的结果，也让无数爱好者为火箭首飞能否成功捏一把汗。2021年6月12日，美国宇航局宣布在肯尼迪航天中心完成第一枚SLS火箭的组装，9月完成了脐带释放和收回测试，以及使用猎户座飞船质量模拟器进行的综合模态测试，此后还进行了猎户座飞船的安装以及脐带塔的适配，但直到2022年3月才推出在LC-39B发射工位首秀。福无双至祸不单行，SLS火箭在接下来的整箭加注合练测试中多次出现意外，先是4月2日强闪电雷击避雷塔，随后又是排风扇连续跳闸，以及过渡性低温上面级的氦止回阀故障等，4月14日的第三次加注合练中发现液氢泄漏被迫停止，火箭推回总装厂房检测排查故障。2个月后重新推出的SLS火箭，加注中脐带快速断开装置曾出现液氢泄漏，但美国宇航局确认最后10分钟没有检测到液氢泄漏，就宣布加注合练成功，并计划8月29日执行首飞任务。

SLS的发射更不顺利。都说“箭在弦上，不得不发”，但加注推进剂时两度出现泄漏问题，更致命的是点火倒计时40分钟时，发现一台RS-25发动机无法预冷到足够的低温，工程师没能在两小时发射窗口内排故，8月29日的发射被迫取消。SLS火箭的第二次发射尝试是9月3日，这次加注时出现了严重的液氢泄漏问题，泄漏氢气浓度一度超过爆炸阈值，发射也只能取消。9月19日美国宇航局进行了加注测试，证明更换密封件解决氢泄漏的方法有效，但原定9月27日的发射，由于飓风伊恩的临近被迫取消，火箭也为了避风推回总装大楼。10月12日美国宇航局公布了新的时间表，预定于11月14日再次尝试发射，但它又遇到了新的飓风妮可，这可是40年来第一次在11月登陆佛罗里达州的飓风。更糟糕的是，飓风妮可路过肯尼迪航天中心时，风速达到了每小时86英里，恰好比SLS火箭设计承受的风速上限85英里多一点。幸运的是，妮可过后SLS火箭并无大碍，发射前虽然又出现氢泄漏问题，但工程师紧急前往工位拧紧密封螺母后排除了故障，SLS火箭终于在2022年11月16日成功发射升空，拉开了美国重返月球的序幕。

SLS火箭的构型和性能

2010年的美国宇航局授权法案已经指明了道路，SLS火箭将先研制70～100吨级运力的基本型号，随后发展出带大型上面级、130吨级运力的完全版。美国宇航局在SLS火箭的研制过程中，根据实际需求最终决定发展出3个构型的SLS火箭，目前首飞成功的SLS属于Block 1型，未来还要发展出Block 1B和Block 2型。理论上3种构型都有载人和货运能力，但根据阿尔忒弥斯计划最新的任务清单，SLS Block 1型只有3发，只用于发射猎户座载人飞船，而直到2031年的阿尔忒弥斯-8任务，Block 1B和Block 2型的货运型也仍只是纸面型号，不出意外的话，SLS火箭不会出现纯货运的发射任务。

SLS Block1型是最先投入发射的型号，也是SLS重型火箭系列中最基础的型号。SLS Block 1型火箭芯级捆绑了两个高54米、直径3.7米的五段式大型固体助推器，单个固推的起飞推力约1630吨。芯级高度64.6米，直径8.4米，推进剂加注量约988吨，使用4台RS-25D发动机，单台地面推力189吨，真空推力232吨。火箭的过渡性低温上面级由德尔它IV火箭第二级衍生而来，使用单台RL10B-2氢氧发动机。SLS Block1型火箭的高度为98.4米，起飞质量2608吨，起飞推力约4000吨，其近地轨道运载能力为95吨，地月转移轨道运力大于27吨，只用于在前三次阿尔忒弥斯任务中发射猎户座载人飞船。

▲ 挂在发射场的标语

▲ 观看火箭发射的人群

▲ 静静竖立在发射台上的SLS火箭

▲ 猎户座飞船太阳翼顶端摄像头拍摄的地球远景

SLS Block 1B型是一种承上启下的发展型。它沿用Block 1型的五段式固体助推器和芯级，但上面级改用新研制的探索上面级（EUS）。EUS上面级长度24.7米， 直径8.4米，加注后重量126吨，使用4台RL10氢氧发动机，真空推力也增加到44.2吨。EUS上面级已经开始研制，计划在阿尔忒弥斯-4任务中首次投入使用。SLS Block 1B型改装EUS上面级后，火箭高度增加到110米，同时近地轨道运力增加到105吨，地月转移轨道运力增加到38吨。SLS Block 1B型在发射猎户座飞船的同时，还能搭载发射10吨级的载荷，由猎户座飞船摆渡运送到月球门户站。阿尔忒弥斯计划中将使用它运送国际居住舱（I-HAB）和ESPRIT舱，以及尚未确定建造者的气闸舱。

SLS Block 2型是进一步升级的最终发展型。它沿用氢氧芯级和探索上面级的同时，使用了新的先进固体助推器。SLS火箭的固体助推器由航天飞机现成的助推器拼装而来，但库存只能支持8次SLS发射任务，美国宇航局未雨绸缪启动了助推器换代延寿项目（BOLE），由诺斯罗普·格鲁曼公司作为主承包商研制的先进固体助推器。BOLE助推器壳体使用碳纤维复合材料，结构减重约30%，再加上使用比冲更高的端羟基聚丁二烯（HTPB）推进剂，以及优化改进的喷管等技术，地月转移轨道运力提高了至少3吨，直送木星和土星的运力分别提高了23%和67%。SLS Block 2载人版地月转移轨道运力43吨，货运版更是超过46吨。不过，SLS Block 2型还只存在于纸面上，甚至没有得到预算拨款。

▲ 夜幕下的SLS火箭

▲ SLS火箭发射前，美国宇航局局长比尔·纳尔逊在肯尼迪中心的运营大楼发表讲话

SLS火箭的地位和前景

SLS Block 1型火箭已经在2022年11月16日的首飞中成功发射，3次发射后将让位给运力更强的Block 1B型火箭。Block 1B目前确定有阿尔忒弥斯-4到阿尔忒弥斯-8共计5次发射任务。更遥远的未来，阿尔忒弥斯计划和SLS火箭的具体任务还没有正式提上日程。从美国宇航局目前的任务规划看，SLS火箭作为猎户座载人飞船唯一的发射工具，是美国阿尔忒弥斯计划不可或缺的关键组成部分。然而，这并不意味着SLS火箭的地位稳如泰山前途一片光明，恰恰相反，在经历长达11年的漫长研制后，如今时过境迁，SLS火箭的地位遇到了挑战，其前景也变得黯淡。

作为星座计划的“遗孤”，讨论SLS重型火箭的地位和前景，星座计划的战神五号火箭是一个合适的比较对象。战神五号火箭用于发射牵牛座大型登月舱，并负责将登月舱和猎户座飞船送入地月转移轨道，它还将用于发射载人火星组合体的各个组成部分，是星座计划当之无愧的核心。SLS火箭用于发射猎户座飞船，在2017年美国重新决定登月之前，美国宇航局曾打算使用它发射大型深空居住舱和大型登月舱等诸多大尺寸航天器组件，但计划赶不上变化，随着美国宇航局决定招标商业登月舱，尤其是2021年4月美国宇航局选择太空探索技术公司的登月版星舰执行登月计划，SLS火箭的地位就比较尴尬了。

星舰是一种二级完全重复使用的运载工具，复用时近地轨道运载能力可达100吨，通过多次在轨加注补充推进剂后，星舰第二级还能载人飞向月球甚至火星。登月版星舰发射入轨后，就要在轨加注飞向月球，在月球门户站上接收登月航天员执行登月任务。

美国宇航局选择星舰登月后，从航天爱好者到专家都有相同的疑问：星舰作为载人航天器，从地面发射执行登月任务，为什么还需要猎户座飞船载人飞向深空呢？更进一步说，如果猎户座载人飞船并不是不可或缺的，那专用的“坐骑”SLS重型火箭又有什么必要呢？换句话说，如果登月版星舰成功的话，美国宇航局甚至可以彻底抛弃SLS火箭和猎户座飞船，完全使用星舰执行登月任务。

▲ SLS火箭发射时在天空中留下的轨迹

根据美国总审计署（GAO）的报告，阿尔忒弥斯计划前四次任务平均成本高达41亿美元，其中SLS火箭就占去了22亿美元，而美国宇航局最新发布给太空探索技术公司的登月合同中，阿尔忒弥斯-4任务的登月舱总价值11.5亿美元。毫无疑问，如果不考虑SLS火箭和猎户座飞船背后的利益集团，完全使用星舰登月是非常划算的选择。毕竟每次登月任务能节省约30亿美元，具有极大的诱惑力。这也意味着，SLS火箭未来的前景非常黯淡，不要说未来会不会再研制Block 2型号，就是现有阿尔忒弥斯-2到阿尔忒弥斯-8这7次任务都存在一定的变数。