太空发射系统揭晓

 

载人版太空发射系统艺术想象图，它具有70公吨的近地轨道运载能力

  

      2011年9月14日美国航天局(NASA)终于对外公布了大家期盼已久的太空发射系统(SLS)，太空发射系统将用于发射多用途乘员飞行器(MPCV)，把美国航天员送进深空开展小行星、月球和火星探测任务。多用途乘员飞行器还做为商业载人飞船的备份，必要时运载宇航员前往国际空间站。

 

       美国航天局局长查尔斯·博尔登和部分国会议员出席了当天举行的太空发射系统设计方案揭幕仪式。根据美国航天局的介绍，太空发射系统作为一种重型运载火箭，将用于载人深空探索，它还具有更高的安全性和经济性。太空发射系统使用了航天飞机和星座计划的遗产，它的部分技术甚至可以追溯到土星五号火箭。2010年2月美国总统奥巴马宣布取消星座计划后，忧虑于美国可能丧失航天领域的领先地位，美国参议院强烈要求继续研制重型运载火箭。2010年7月15日美国参议院通过了美国航天局2011财年授权法案，10月11日美国总统奥巴马签署了这一法案，法案要求从自2011年开始研制一种重型运载火箭取代星座计划中的战神一号和战神五号火箭用于客运和货运发射，在2017年前完成火箭芯级的研制，火箭最大的运载能力高于118公吨。美国航天局依法研制重型运载火箭并命名为太空发射系统。

 

先进的RS-25D/SSME发动机是太空发射系统强大能力的基础，图为试车台上的SSME发动机

 

        运载火箭决定运载能力的关键是火箭发动机的性能。美国航天局的设计方案中太空发射系统将使用来自航天飞机的航天飞机主发动机(SSME)和可重复使用的固体发动机(RSRM)，以及派生自土星五号火箭J-2发动机的J-2X新型上面级发动机。太空发射系统使用高性能的分级燃烧循环氢氧发动机RS-25D/E作为8.4米直径芯级的主发动机，根据任务需求的不同选配3台或5台。RS-25D发动机是美国洛克达因公司为航天飞机计划研制的可复用高性能氢氧发动机，直至今天也是综合性能最好的氢氧发动机。RS-25D发动机质量只有约3.5吨，地面推力189.6吨、真空推力232.4吨(使用109%额定推力)，推重比约66，具有高达452.3秒的真空比冲，是目前使用的比冲最高的大推力发动机。RS-25D氢氧发动机的高比冲保证了太空发射系统具有更大的运载系数。早期的太空发射系统将使用航天飞机退役后拆除和原有库存的发动机，耗尽库存后改用新型的RS-25E发动机，RS-25E较为便宜只能一次性使用的，因此更适合一次性使用的运载火箭任务。虽然号称大推力发动机，同时推力在氢氧发动机中一直数一数二，但RS-25D发动机的推力仍小于太空发射系统的芯级重量，需要大推力固体助推器提供额外推力，这样可以携带更多的氢氧推进剂，弥补氢氧发动机推力的不足；

 

 5段式复用固体发动机的DM-3试验，尾焰和浓烟直冲天空

 

        发射系统的可复用固体发动机技术源自航天飞机的固体助推器，实际产品则来自星座计划期间为了满足战神一号和战神五号的需求研制的5段式可复用固体发动机(RSRM-V)，单台RSRMV发动机推力达到了惊人的1630吨，是世界上推力最大的火箭发动机。太空发射系统使用2具固体助推器，提供了起飞时的大部分推力。RSRMV发动机由美国ATK公司研制，已经进行了多次地面试验，前不久刚刚进行DM-3试验，根据ATK公司公布的消息，DM-3试验中RSRMV发动机表现极为成功。

 

J-2X发动机研制比较顺利，图为 9月末J-2X发动机正在进行40秒试车

 

        太空发射系统的第二级发动机J-2X同样是来自星座计划的遗产，发动机质量2.385吨真空比冲448秒。J-2X发动机源自阿波罗计划中土星五号火箭使用的J-2氢氧发动机，在阿波罗计划之后J-2还发展出J-2S、XRS-2200等发动机，可惜没能投入使用。J-2X发动机真空比冲远超传统燃气发射器循环的氢氧发动机，甚至比分级燃烧循环的日本LE7发动机的447秒发动机还高，同时发动机真空推力达到了133吨，将是推力最大的上面级发动机，几乎相当于我国未来长征五号火箭第一级所用的YF-77氢氧发动机的2倍。J-2X发动机具有大推力、高比冲外加二次点火能力等特点，满足了太空发射系统将大质量载荷送入深空轨道的需求。

 

太空发射系统载人版和货运版的性能数据

 

      太空发射系统所使用RS-25D/E，RSRMV还是J-2X等发动机都是当之无愧的巅峰之作，其他国家未来10年甚至20年内都不太可能研制出综合性能相近的发动机。高性能火箭发动机的优势，使太空发射系统的各项指标尤其是运载能力远超其他国家的重型运载火箭。根据美国航天局的规划，太空发射系统初期将具备70公吨的地球低轨道运载能力，进一步演进的太空发射系统地球低轨道运载能力还将达到更为惊人的130公吨。这样的运载能力是十分惊人的，目前主流重型运载火箭如美国德尔塔4，俄罗斯质子火箭和欧洲的阿里安5火箭的地球低轨道最大运载能力都只有25公吨左右，已经退役的航天飞机运载能力为27吨左右，即使是阿波罗计划使用的巨无霸土星五号火箭，地球低轨道运载能力也只有118公吨。美国媒体赫芬顿邮报的报道中，太空发射系统未来运力甚至可能进一步提高到150公吨不过这一说法没有得到美国航天局的发布会和SLS的官方网页的证实。不过即使未来太空发射系统只有130公吨运载能力，仍无愧于美国航天局宣传“有史以来最大、能力最强的运载火箭”的说法。

 

 

 货运版太空发射系统艺术图，它将达到130公吨的金地轨道运载能力，超过土星五号成为最强大的运载火箭

 

       作为美国未来深空探索的主力重型运载火箭，太空发射系统在公布前后就被人频繁的用来和同样用于深空探索的土星五号火箭比较，美国航天局公开的文件也未能免俗。初期的太空发射系统全长320英尺(97.5米)，起飞质量达到了5.5百万磅(2495吨)。3台RS-25D发动机外加2台RSRMV固体助推器，提供了高达8.4百万磅(3810吨)的起飞推力，比土星五号的起飞推力还高了10%。不过太空发射系统初期使用的是来自德尔塔4火箭的低温上面级(DCSS)，DCSS对最大运载能力25吨左右的德尔塔4火箭来说是合适的，但对太空发射系统推力就太小了，这也是尽管起飞推力和起飞质量都很大，但早期的太空发射系统只具备将70公吨的货物发射进入轨道的原因。最终版本的太空发射系统全长400英尺(122米)，起飞质量从5.5百万磅增加到6.5百万磅(2948吨)。第一级将改用5台RS-25E发动机，上面级直径也增加到和芯级一样的8.4米(27.5英尺)，发动机为1~3台大推力的J-2X发动机。得益于大推力高比冲的上面级发动机的贡献，虽然起飞推力比土星五号高20%增加不大，但运载能力增加到130公吨比土星五号高了10%。细心的读者会发现，太空发射系统的运载能力系数(运载能力/飞质量)比土星五号火箭低,许有人会问，难道40多年过去了美国运载火箭技术反而退步了么？实则不然，土星五号火箭处于一个不计代价完成任务的年代，美国航天局那时也有如我所愿的预算拨款，土星五号火箭的第一级S-IC的F-1液氧煤油发动机、第二级和第三级的J-2氢氧发动机都是那个时代综合性能最好的发动机。尽管太空发射系统的RS-25D/E发动机的比冲很高，但土星五号第一级的F-1液氧煤油发动机的比冲比太空发射系统的RSRMV固体发动机高得多，土星五号作为三级火箭固有运载系数也就比二级半的太空发射系统更高，综合下来反而是40多年前的土星五号具有更大的运载能力系数。运载能力系数虽然是衡量运载火箭水平的一个重要指标，但它并不是运载火箭技术水平的全部，太空发射系统运载能力系数较低是权衡费用和效率的结果。太空发射系统吸收了数十年来航天技术进步的成果，在核心的制导导航和控制(GN&C)系统上的水平要远高于数十年前的土星五号。RS-25D/E和J-2X发动机也比当年的J-2性能要强的多，其中RS-25D经历了航天飞机30年135次飞行的考验，其高可靠性毋庸置疑。J-2X发动机大量使用其他发动机的成熟部件如基于J-2S发动机的涡轮设计、基于RS-27发动机设计的可再生冷却喷管RS-68发动机设计的燃气发生器和发动机控制软硬件系统等，可靠性大为提高。5段式固体发动机虽然改进了4段式固体发动机的部分设计，但主要改进在点火器和喷口，对可靠性影响不大，在历次测试中5段式固体发动机的表现不错。箭体材料上太空发射系统使用了新一代的2195铝锂合金，比土星五号的2219铝合金更轻、比强度和比刚度更高，耐热和抗应力抗腐蚀性更好。太空发射系统还使用复合材料整流罩，轻质高强度的复合材料减轻了整流罩的质量，降低了火箭的结构质量。太空发射系统全数字化设计，在可靠性安全性和可维护性上都有显著的进步，降低了研制成本和使用成本。

 

      太空发射系统各项技术和运载能力虽然是当之无愧的世界第一，不过现在看来太空发射系统的前景并不美妙。2010年国会授权法案要求美国航天局研制新型重型运载火箭进行载人和货运发射，取消战神五号火箭之后美国航天局提出的重型运载火箭设计和2005年探索系统体系结构研究(ESAS)中论证的重型运载火箭方案大同小异，浪费了大量时间令人哭笑不得。为了实现国会要求的时间表，太空发射系统的研制将分为几个阶段分别实现不同的功能和运载能力。原定最少预算支持方案下，2017年太空发射系统将进行第一次发射，编号SLS-1发射无人的20吨级多用途乘员飞行器执行绕月任务。2021年进行SLS-2任务发射载人MPCV进行第一次载人绕月飞行。第三次和第四次发射预定在2022年和2023年，任务内容和SLS-2相同。2024年进行第一次货运发射SLS-5，使用新的整流罩，实现设计的70公吨货运能力。2025年进行第一次载人探索任务SLS-6，可能目的地是近地小行星，以完成现任总统奥巴马提出的2025年小行星探测的目标。2026年的SLS-7将开始使用一次性的RS-25E发动机，这是一次货运发射。2030年的SLS-11，太空发射系统会进行一个重要升级，芯级发动机增加为5台RS-25E发动机，但仍使用Delta4火箭的上面级。直到2032年的SLS-13任务中，太空发射系统才最终实现美国参议院要求的目标，使用全新的J-2X发动机上面级从而使近地轨道运载能力达到130公吨以上。9月末修改过的方案将第二次SLS发射任务确定改为2019年，不过整体上仍没有改变规划的不给力，和阿波罗计划一步到位研制118公吨运载能力的土星五号形成了鲜明的对比。

 

月球、小行星和火星，但具体计划仍未定。财政预算压力下真的能去火星么？

 

      除了进度拖沓，太空发射系统的预算也是一个大众关注的话题。美国航天局已经要求380亿美元的经费开发太空发射系统，研制经费截止2017年SLS-1发射前就需要160亿美元，另外还有20亿美元的发射设施更新等费用。8月份一份非官方发布的美国航天局太空发射系统项目费用评估文件，依照各种方案进行了评估。较快的参议院授权法案方案可以大大加速太空发射系统研制，在2021年末首次发射 130公吨运载能力的太空发射系统，但是仅仅到2017年的研制费用就要高达230亿美元，2021年首次130公吨级太空发射系统发射则需要391亿美元，到2025年整个项目总投资要达到625亿美元。即使按照前述最低预算支持来计算，到2025年投资也要高达410亿美元，这样的投资对于财大气粗的美国也是很难承受的重担。这还仅仅是太空发射系统的花费，载人深空探索所需的多任务载具、深空居住舱、低温推进级和太阳能电推进系统等系统都不在内，但仅凭太空发射系统和MPCV飞船，除了绕月飞行外无法进行任何其他深空探索。最重要的是太空发射系统已经开始研制，但美国总统、参议院和美国航天局都没有为载人深空探索提出明确的目标和时间表，这为太空发射系统的未来蒙上了一层阴影。

 

        由于面临财政压力，进度的拖沓和深空探索目标的不确定性，太空发射系统的未来存在变数，很多非官方机构都极力推荐太空燃料站加商业运载火箭的方式进行深空探索，这种方式花费要少得多。虽然无论俄罗斯、欧洲、日本还是中国，在今后20年内都无法研制出媲美太空发射系统的重型火箭，但太空发射系统本身却成了屠龙之技。这种境况并非偶然，太空发射系统实际上是星座计划战神五号火箭的借尸还魂，只不过新的探索计划中不需要建立长期照料的多人月球站，因此对运载能力的需求大为下降，于是数年之后又变回2005年探索系统体系结构研究(ESAS)的类似方案。太空发射系统的思路类似于阿波罗时代的土星五号火箭，数十年来火箭发动机性能指标并没有多大进步，土星五号火箭当年面临的发射费用高昂、用途单一等问题也存在于今天的太空发射系统，面临越来越大的预算压力，太空发射系统恐怕只能止步费用较低的小行星探测，而永远无缘火星了。