美国登月恐失败?数百亿打造拼装货,SLS发射系统靠谱不靠谱?

美国航空航天局NASA将要在本月底发射SLS发射系统,任务是将猎户座载人飞船送往月球轨道并安全返回。这次的发射意味着美国重返月计划正式进入实施阶段,该计划名为“阿尔忒尼斯登月计划”。

8月17号SLS发射系统从肯尼迪航天中心装配大楼推出,引发全球航天媒体的轰动。一旦发射成功,SLS发射系统将成为现役最强的运载火箭。但是,SLS发射系统也是被诟病的最厉害的一枚火箭,从研发至今不但花费了NASA数百亿美元,拆解一看竟然还是个拼装货。以至于甚至有人怀疑它能否完成NASA重返月球的野心,今天我们来一起来了解一下为什么NASA不用再造土星五号而研发SLS发射系统,SLS发射系统又能否胜任载人登月的任务。

为什么要研发SLS发射系统,土星五号的图纸丢了吗?

“土星五号的图纸丢了”。

这个是相信美国登月造假论的人最津津乐道的谣言。土星五号作为阿波罗登月计划的关键部分,也是人类航天史以上最强的运载火箭,图纸怎么说丢就丢呢?事实上土星五号的图纸并没有丢,就算是丢了,在美国肯尼迪的航天博物馆里还有实物在。那么为什么美国这么多年不再打造土星五号呢?甚至是花费数百亿美元研发新的运载火箭。

首先土星五号是史上最强运载火箭没错,但是作为几十年的产物,它注定是过时的。从几个方面来说;

从研发上;上个世纪5.60年代,并没有完全进入数字时代。很多的详细数据都是各个研发工程师的手稿,即使大方面的没错,但运载火箭的一些小缺陷都是掌握在工程师的手稿里,或者是研发人员的经验。也就是说,现如今的工程师与当年的不同,现时代的运载火箭甚至是发动机都可以用3D打印,而在当时很多现在用不着手动的地方都需要工程师手工去操作。由于没有电脑的辅助设计,大多数零部件在设计后经过多次的改动,甚至在使用前还进行修改。以至于一枚火箭有数以百万计的零件,如果要重新打造出来,现代的工程师还要去研究研发,所以由于行事不同,要再造土星五号比重新设计一个火箭更难。

从工业上:当年美国百分之70的工业都参与了这个计划,每一个零件都是基于那个年代的工业生产的。如果要复刻土星五号,就要重启多条生产线。所以,再造土星五号是不合实际的。

从技术上:土星五号虽然没有发射失败的案例,即使这样它也是几十年前的产物。例如土星五号搭载的F1发动机,作为一款推力排行第二的发动机,NASA却已经放弃了。因为它是液氧煤油发动机,NASA在航天飞机时代后就没有再研发过液氧煤油的技术,全面投入氢氧发动机的研发。

进入21世纪,无论是NASA还是其他航天集团,都在环保和经济上寻找新的突破。而当年阿波罗登月计划实在是太烧钱了,当年阿波罗计划年度预算29.67亿美元,占美国GDP的0.4%;当年NASA年度预算45.12亿美元,占美国GDP的0.6%。现在再让美国拿出0.6%的GDP出来是绝对不可能的,别说白宫那些老头,美国民众也不会同意。

这个钱烧得值吗?

可以说是值得。通过⽉球探测发展起来的技术,已融⼊⼈们的⽇常⽣活和整个⼯业体系。据不完全统计,从阿波罗计划派⽣出了⼤约3000种应⽤技术成果。例如;液冷服、健康监测房、速食食品里的干菜叶、很多运动鞋中采⽤的“中空吹塑成型”制造技术也是阿波罗载⼈登⽉⼯程的“产物”等等等等。从经济上讲,甚至可以说阿波罗登月计划的成果在20世纪70~80年代⽀撑美国经济⾼速发展的技术,主要来⾃对⽉球探测技术的消化、优化和⼆次开发。

综上所述相信大家已经可以理解无论是从经济上、技术上以及工业上再打造土星五号都是不合算的,所以NASA才会着手研发SLS发射系统,那么什么说SLS发射系统是拼装货?它又如何成为现役最强运载火箭?

SLS发射系统

SLS发射系统作为美国重返月球的核心部分,被人诟病是拼装货是被人冤枉了吗?还真不是。我们来看一看它的组成部分。

从上到下,首先是它的二级火箭,来自德尔塔重型的二级。基本形态的二级火箭是完全照搬ULA(联合发射联盟)德尔塔重型的二级——DCSS。经过一些小改进,例如加长了液氢罐长度,增加了一个姿态控制推进剂和修改一些电子设备,四舍五入可以说是照搬。但后续形态SLSB型将会对二级做出升级,换成EUS作为二级,以增加运载能力。EUS的高度达到17.56m,直径8.4m,使用四台RL10-C-3发动机,单台真空推力110kN(11.23吨),真空比冲460.1s。EUS推进剂加注量126吨。

选择DCSS的原因是因为它是唯一只需要进行少量改装即可满足SLS需求的二级段。DCSS由1台普惠·洛克达因RL-10B发动机提供动力,该发动机使用液氢液氧燃料。

再来看一级,它的一级是目前世界上最高、最强大的火箭芯级。芯一级高达64.6米,直径来到8.4米。一级搭配四台RS-25D氢氧发动机。该发动机是从航天飞机那里退役下来的,经过一些升级和改良,单台RS-25D推力能达到232.5吨,最大能产生109%的推力,比冲452.3s,单发重3.527吨。一级还装有飞行计算机和控制火箭飞行所需的许多航空电子设备。一级的设计工作时间约为500秒,分离速度达到近23马赫,高度超过161.5千米。虽然数据上看起来很炸,但芯一级这一部分仅提供25%的推力。还有75%的推力由固体助推器提供。而RS-25的费用也非常高,卖给NASA平均一发就得1.2个亿美元。

SLS发射系统的固体火箭助推器 (FSB-1)是基于30年的知识和经验,是由航天飞机的助推器改进而成,五段式固体助推器长53.9米,直径3.66米,使用聚丁二烯-丙烯腈作为推进剂,每根助推器重725.7吨,能产生1632.9吨的推力,能够燃烧126s。起飞时,两根助推器提供了75%的推力。该助推器有矢量控制系统,能够进行摆动。2021年NASA授予其SLS项目的主要分包商之一诺斯罗普-格鲁曼公司一份32亿美元的合同,为五枚SLS火箭建造助推火箭,用于阿尔忒尼斯计划的前五次使用。也就是相当于单发助推器成本高达3.2亿美元。这么算下来,4台RS-25发动机加上助推器,成本就高达11亿多美元,难怪阿尔忒尼斯负责人表示单次任务就要41亿美元。

与航天飞机大相径庭的燃料罐,航天飞机大橙罐想必大家都非常熟悉它来自Michoud工厂,Michoud工厂的航天储罐制造技术是非常先进的,NASA数十年来一直在制造航天器部件,包括航天飞机的外部储罐和土星运载火箭的燃料罐都出自该工厂,并且SLS发射系统的燃料罐与航天飞机的外部储罐直径相同,且同样为装载液氧液氢。

凭什么是最强运载火箭

SLS发射系统前期的第一阶段以70吨到110吨为主,主要是用于载人登月,基础型的近地运力为70吨,也就是8月29号要发射的那个型号。基础型的月球轨道运力为25吨,所以它不像阿波罗计划一次性发射载人舱和登月舱,而是采用分开的模式。SLS发射系统发射猎户座载人到月球轨道,再转移至SpaceX的星舰登月版着陆。

不过,SLS发射系统后续还会发展出130吨的货舱型载荷任务。最终的运载能力将达到143吨,甚至有可能达到165吨。整体而言,太空发射系统与土星五号非常相近。号称史上最强运载火箭系统。至于最强可以维持多久就不好说了,SpaceX的星舰近地轨道将达到150吨不回收型将达到200多吨,如果进展顺利,SLS发射系统最强运载火箭的称号不会保持太久。

从研发至今,阿尔忒尼斯登月计划单SLS发射系统的研发预算已经高达360亿美元,NASA直呼自己是妥妥的大冤种,为了节省费用,在设计时已经把能用的都用上了,怎么费用倒水涨船高了。并且,360亿美元的费用还不算任务费用,发射任务每次还需要41亿美元。

而阿尔忒尼斯登月计划远远不止这些费用,SpaceX的星舰登月费用,月球门户的建设费用。航天是一个既烧钱又能有高额回报的活动,除了对太空的探索还有几乎期间新型技术的出现或者迭代,例如阿波罗计划,整个阿波罗计划带来的技术革新已经超过了对月球探索本身的价值。所以,这一次美国重返月球将会给人类带来什么样的惊喜,我们拭目以待!

内容拓展;就在前几天,我国再次发表了国际月球科研站的计划,面对美国的重返月球计划,我们国家该如何面对中美两国的月球博弈,关注馆长,我们下一起来谈论我们的探月计划。