SLS首飞成功,重返月球的“阿尔忒弥斯”计划拉开帷幕

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11月16日14时47分,美国新一代重型运载火箭“太空发射系统”(SLS火箭)从肯尼迪航天中心LC-39B发射台首次成功发射,将猎户座载人飞船及10颗立方星送往月球轨道,正式开始执行“阿尔忒弥斯-1”任务。那么,SLS火箭有什么技术特点?其研制过程中有哪些值得一提的经验教训?未来应用前景如何?
 
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  SLS火箭点火升空
 
  SLS火箭点火升空
 
  奔月雄心有点尴尬
 
  首次发射的SLS火箭尝试将重达26.5吨的猎户座载人飞船送入地月转移轨道,与“阿波罗”计划遥相呼应的“阿尔忒弥斯”计划由此正式拉开帷幕。
 
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  猎户座载人飞船示意图
 
  据悉,猎户座飞船将首次进入大幅值逆行轨道,从而逆行绕飞月球,与月球距离最远时可达7万公里,有望刷新载人飞船到达的最远距离纪录。不过,为安全起见,此次任务并不载人,飞船搭载了仿真假人系统,收集测试数据。任务完成后,飞船将以第二宇宙速度再入大气层。
 
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  “阿尔忒弥斯-1”任务路线图
 
  按照美国宇航局及厂商发布的任务路线图,2024年SLS火箭将执行“阿尔忒弥斯-2”任务,猎户座飞船届时要首次载人升空。更加最雄心勃勃的任务是定于2025年执行的“阿尔忒弥斯-3”任务,SLS火箭将发射载有4名航天员的猎户座飞船。
 
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  “阿尔忒弥斯-2”任务路线图
 
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  “阿尔忒弥斯-3”任务路线图
 
  飞船进入绕月轨道后,将与登月舱实施在轨对接,把2名航天员转移到登月舱上并踏上月球表面。预计完成6天多月面探索后,他们将返回绕月轨道并与飞船对接,最终4名航天员乘坐猎户座飞船返回地球。
 
  再往后,SLS火箭还将继续执行载人登月任务,并参与绕月空间站在轨组装工作,甚至支持兴建月面基地,以期对月球开展长期可持续的有人探索。
 
  这样一款担当重任的重型火箭成功首飞,通常应该是值得“全球点赞”的航天史大事件。然SLS火箭却并非如此,这款火箭一直与“超支拖延、挤占经费、问题不断、就业工程”等负面词汇为伴。而这还要从SLS火箭的诞生说起。
 
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  竖立在LC-39B发射台上的SLS火箭
 
  SLS火箭正式规划于2010年,当时美国宇航局寄予厚望的“战神”计划夭折,而航天飞机因事故缠身,即将退役。一时间,美国重返月球计划处在无重型火箭可用的“空窗期”。同时,考虑到航天飞机退役后相关企业会面临破产风险,美国官方必须尽量维持航天产业链和就业,稳住政治“票仓”,SLS火箭工程就此上马。
 
  其实,火箭研发拖延、首飞推迟是业界常态,但要谈起近年来火箭型号的“鸽王争霸赛”,那SLS火箭绝对是当仁不让的第一名。该火箭集美国宇航局“万千宠爱”于一身,由美国国会在经费、政策上“双重护航”,基于航天飞机成熟技术“堆砌”而成。SLS火箭于2011年正式立项,原定于2016年末首飞,但随后历经十几次重大推迟,11年来研发耗费至少212亿美元,以致被戏称为“参议院发射系统”。
 
  “成熟”的“新型”火箭
 
  纵观航天史,重型火箭作为航天工业的“大国重器”,普遍会融入大量新技术、新设计理念,但SLS火箭与众不同。外界评价认为,其设计乏善可陈,创新寥寥,甚至相比航天飞机可以称得上“倒退”——它抛弃了近年来流行的火箭重复使用设计,仅将航天飞机技术“遗产”进行重新组合,与20世纪60年代的土星五号重型火箭的理念一致,都是传统一次性运载火箭。
 
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  土星五号重型火箭点火升空
 
  为确保稳妥可靠,SLS火箭芯一级采用4台航天飞机所用的RS-25发动机,甚至服役初期干脆使用航天飞机退役后的库存货。然而,SLS火箭每次发射都会将4台真空推力各220吨的分级燃烧循环氢氧发动机扔进大海,而这种发动机本可重复使用10多次。
 
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  SLS火箭芯一级安装的4台RS-25发动机
 
  SLS火箭的2枚固体助推器也衍生自航天飞机系统,区别主要是将助推器分段从4段延长至5段,以便获得更大推力,同时放弃了回收复用设计。
 
  为缩短研发周期,SLS火箭芯二级直接采用了即将退役的德尔它4系列火箭的芯二级,但德尔它4系列火箭与SLS火箭的级别相差太大,芯二级仅安装1台真空推力11吨的RL-10B-2膨胀循环氢氧发动机,造成SLS火箭芯二级推力不足。可以说,此次发射的SLS火箭初期型出现了“小马拉大车”的情况,严重限制了运力发挥。
 
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  SLS火箭芯二级仅安装1台RL-10B-2膨胀循环氢氧发动机
 
  纵观全箭,SLS火箭没有新研任何一型发动机,而是美国航天工业“丰厚家底”的重新组合。尤其是RL-10B-2发动机,其原始型号RL-10是美国第一款氢氧发动机,自1963首飞以来,已服役近60年。
 
  或许是为了平息外界非议,SLS火箭诞生之初,曾被美国宇航局定位为“可快速研发成型的低成本一次性重型运载火箭”,宣称单次发射成本仅4亿美元,低于航天飞机的4.5亿美元。然而,SLS火箭项目必须维持住航天飞机留下的供应链,造成研发体系庞杂,不断延期,单次发射成本已飙升至20亿美元级别,而“阿尔忒弥斯”计划前4次发射的平均成本更是高达40亿美元。
 
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  “阿尔忒弥斯”计划前4次发射的平均成本将超过40亿美元
 
  “宝座不稳”前景难料
 
  不同于美国宇航局近年来大获成功的“公私合营”项目模式,SLS火箭由美国宇航局抓总研发且全额拨款。尽管研发期间美国政府党派轮替,航天政策摇摆不定,但SLS火箭项目每年拨款都是足额到账,近年的年均拨款额高达25亿美元,相当于美国宇航局年度预算的1/10,堪称“吞金巨箭”。不过,这款美国宇航局宣传的“最强火箭”的“江湖地位”却并不稳固。
 
  搭载猎户座飞船后,此次发射的SLS火箭初期型全箭高98米,近地轨道运力95吨,地月转移轨道运力27吨,运力指标不及20世纪60年代的“土星五号”。未来,SLS火箭改进型有望实现近地轨道运力超过130吨,地月转移轨道运力超过46吨,但考虑到研发进度,它未必还能“坐稳宝座”。
 
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  计划推出SLS火箭的3个版本:Block1,Block1B和Block2
 
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  SLS火箭Block1和Block1B对比
 
  近年来,引发航天爱好者关注最多、技术理念最激进的重型火箭当属SpaceX公司的“星舰”。按设计,它的近地轨道运力至少达到100吨以上,更采用了富有技术挑战性的33机并联、两级全面回收方案,显然比SLS火箭更有发展前景。
 
  原本SLS火箭比星舰拥有简单可靠的优势,但SpaceX公司一再保证“星舰”进展符合预期,已赢得商业订单。考虑到SpaceX公司中标了载人登月舱合同,预计最早在2025年,2款重型火箭就将在“阿尔忒弥斯-3”任务中合作,那也将是一场直观的“比拼”。
 
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  SpaceX公司研制的“星舰”
 
  事实上,SLS火箭曾规划了多种构型和任务,但随着进度拖延和成本增加,部分任务已被技术成熟、成本相对低廉的商业火箭抢走。如“欧罗巴快帆”和绕月空间站的核心舱段发射均已被SpaceX公司的“猎鹰重型”收入囊中。可以说,SLS火箭目前已成为“猎户座飞船专用火箭”,短期内难以获得其他任务。
 
  隆隆起飞的SLS火箭是人类重返月球、常驻月球的序幕,也掀起了重型火箭新时代的揭幕战。谁能笑到最后?航天爱好者不妨拭目以待。
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SLS首飞成功,重返月球的“阿尔忒弥斯”计划拉开帷幕

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