SLS：開啟美重返月球征程

文/張雪松

美國東部時間2022年11月16日凌晨1時47分（北京時間14時47分），屢經波折的太空發射系統（SLS）重型火箭終于發射升空，成功將獵戶座飛船送上前往月球的軌道。自2010年美國宇航局開始研制SLS火箭以來，經過11年的漫長歷程和十幾次的反復延期，終獲成功，從而拉開了美國重返月球的阿爾忒彌斯計劃的序幕。然而，時過境遷，SLS火箭已經遠沒有當初的重要地位，雖然它還是阿爾忒彌斯計劃的關鍵組成部分，前景卻日益黯淡。

▲ SLS火箭待發

星座計劃的遺產

2010年美國國會通過美國宇航局授權法案，要求美國宇航局研制名為SLS的重型運載火箭，作為航天飛機之后的運載工具，勝任載人深空探索的需求。國會還設定了具體的指標，諸如初始階段近地軌道運載能力70～100噸，增加上面級后運力提高到至少130噸，可用于發射多用途載人飛船，另外還有不晚于2016年12月31日投入使用的要求。

當時美國重返月球的星座計劃已經取消，美國并沒有明確的深空探索計劃，這種名為SLS的重型火箭，只是為了維持美國作為航天超級大國的面子，當然也少不了各州議員們拉攏航天工業選票的需求，通俗地說就是面子工程加就業工程。SLS火箭的誕生如此荒誕，后來出現各種意外也就絲毫不足為奇。如果從血脈上說，SLS可以看作是星座計劃的遺產，是戰神五號火箭精神上的繼承者，但在構型上SLS更類似紙面上的戰神四號或戰神五號Lite火箭，是一種兼具載人和貨運能力的重型火箭。

2011年9月14日，美國宇航局正式宣布將研制新一代重型火箭SLS，用于把獵戶座飛船發射到地球軌道以外，執行載人深空探索任務。SLS火箭的大推力固體助推器，RS-25氫氧主發動機，以及8.4米直徑的大型低溫儲箱，都和航天飛機技術一脈相承，而第一階段的過渡性低溫上面級（ICPS）就是德爾它4火箭的第二級。看起來作為成熟技術的重新組合，SLS火箭的研制應該駕輕就熟一帆風順，但實際研制進程卻遠非如此。

▲ SLS火箭發射升空

SLS自提出以來就飽受批評，尤其是在項目研制進度拖延不斷，而研發費用不斷超支后就更是如此。從技術上說，SLS火箭雖然試圖通過繼承航天飛機技術降低成本，但實際研制中不盡人意。即使是3.7米直徑的大推力固體助推器，也從航天飛機的四段式改進為SLS火箭的五段式，大幅度提高了推力。RS-25主發動機由原洛克達因公司研制，前4枚SLS火箭直接使用航天飛機拆下來的RS-25D發動機，但發動機的地面測試和適應性改進也花銷不少，更別說重啟發動機生產后，新的一次性RS-25E發動機研制和生產成本高達1.46億美元一臺，通俗地說，買一臺RS-25E發動機的錢夠買一架F-22猛禽戰斗機。更大的攔路虎是SLS火箭的8.4米芯級儲箱。這個巨大的氫氧儲箱是軸向承力，而航天飛機外儲箱是側向承力，再加上材料也從航天飛機外儲箱的2195鋁鋰合金換回2219鋁合金，以降低成本并提高結構承壓能力，夸張些說，SLS的外儲箱是新研制的。

另外，無論是米秋德組裝廠遭遇颶風，還是米秋德垂直裝配塔的錯位，以及焊接中出現的各種問題，都導致SLS火箭研制不斷超期和超支。當然，更重要的是美國宇航局簽訂的是成本加成合同，給了波音公司拖延進度猛賺研制經費的巨大動力。同時主承包商波音公司項目管理能力失控，本來就失去了保質保量完成研制的能力，火箭的研制進度自然失控。雪上加霜的是，SLS項目又受到2020年新冠疫情的沖擊。諸多不利因素影響下，SLS火箭第一階段的基本型號首飛時間從最初2016年底最后推遲到2022年底，首飛時間先后推遲了20次之多，而研制成本也從最初計劃的100億膨脹到230億美元！

▲ SLS火箭駛出總裝大樓向發射工位轉場

▲ 點火

一波三折的首飛之路

SLS重型火箭的首飛，也就是阿爾忒彌斯-1任務的成功著實不易。早在2019年11月，4臺來自航天飛機的主發動機就已經裝上火箭芯級，同年12月美國宇航局宣布完成芯級的組裝。完整的火箭芯級于2020年1月離開米秋德組裝廠，船運到附近的斯坦尼斯航天中心，準備進行芯級靜態點火試驗，但由于新冠大流行的沖擊，名為GreenRun的靜態點火試驗不斷推遲，直到2020年12月才進行加注合練，2021年1月16日進行GreenRun試驗。然而首次靜態點火中一臺發動機檢測到意外，導致試驗于67秒時中止。事后發現這是傳感器閾值設置太過保守，并不影響正常使用，發動機也沒有任何損壞，實在令人哭笑不得。3月18日第二次靜態點火實驗，SLS芯級點火工作8分20秒，圓滿完成了預定驗證任務。

SLS火箭GreenRun成功后，美國宇航局計劃2021年11月發射火箭。2021年1月7日美國宇航局開始組裝分段式固體助推器。由于大推力固體助推器體積重量太大，組裝后垂直狀態的時間太長，內部藥柱可能在重力作用下變形，影響到發動機的可靠性，美國宇航局最初限定這兩枚固推保質期為1年。但同年9月諾斯羅普·格魯曼公司表示根據數據分析，固推的時間限制可以延長到組裝后的18個月，再后來又延長到2年。大推力固體助推器保質期的不斷延長，完全是火箭其他分系統拖后腿的結果，也讓無數愛好者為火箭首飛能否成功捏一把汗。2021年6月12日，美國宇航局宣布在肯尼迪航天中心完成第一枚SLS火箭的組裝，9月完成了臍帶釋放和收回測試，以及使用獵戶座飛船質量模擬器進行的綜合模態測試，此后還進行了獵戶座飛船的安裝以及臍帶塔的適配，但直到2022年3月才推出在LC-39B發射工位首秀。福無雙至禍不單行，SLS火箭在接下來的整箭加注合練測試中多次出現意外，先是4月2日強閃電雷擊避雷塔，隨后又是排風扇連續跳閘，以及過渡性低溫上面級的氦止回閥故障等，4月14日的第三次加注合練中發現液氫泄漏被迫停止，火箭推回總裝廠房檢測排查故障。2個月后重新推出的SLS火箭，加注中臍帶快速斷開裝置曾出現液氫泄漏，但美國宇航局確認最后10分鐘沒有檢測到液氫泄漏，就宣布加注合練成功，并計劃8月29日執行首飛任務。

SLS的發射更不順利。都說“箭在弦上，不得不發”，但加注推進劑時兩度出現泄漏問題，更致命的是點火倒計時40分鐘時，發現一臺RS-25發動機無法預冷到足夠的低溫，工程師沒能在兩小時發射窗口內排故，8月29日的發射被迫取消。SLS火箭的第二次發射嘗試是9月3日，這次加注時出現了嚴重的液氫泄漏問題，泄漏氫氣濃度一度超過爆炸閾值，發射也只能取消。9月19日美國宇航局進行了加注測試，證明更換密封件解決氫泄漏的方法有效，但原定9月27日的發射，由于颶風伊恩的臨近被迫取消，火箭也為了避風推回總裝大樓。10月12日美國宇航局公布了新的時間表，預定于11月14日再次嘗試發射，但它又遇到了新的颶風妮可，這可是40年來第一次在11月登陸佛羅里達州的颶風。更糟糕的是，颶風妮可路過肯尼迪航天中心時，風速達到了每小時86英里，恰好比SLS火箭設計承受的風速上限85英里多一點。幸運的是，妮可過后SLS火箭并無大礙，發射前雖然又出現氫泄漏問題，但工程師緊急前往工位擰緊密封螺母后排除了故障，SLS火箭終于在2022年11月16日成功發射升空，拉開了美國重返月球的序幕。

SLS火箭的構型和性能

2010年的美國宇航局授權法案已經指明了道路，SLS火箭將先研制70～100噸級運力的基本型號，隨后發展出帶大型上面級、130噸級運力的完全版。美國宇航局在SLS火箭的研制過程中，根據實際需求最終決定發展出3個構型的SLS火箭，目前首飛成功的SLS屬于Block 1型，未來還要發展出Block 1B和Block 2型。理論上3種構型都有載人和貨運能力，但根據阿爾忒彌斯計劃最新的任務清單，SLS Block 1型只有3發，只用于發射獵戶座載人飛船，而直到2031年的阿爾忒彌斯-8任務，Block 1B和Block 2型的貨運型也仍只是紙面型號，不出意外的話，SLS火箭不會出現純貨運的發射任務。

SLS Block1型是最先投入發射的型號，也是SLS重型火箭系列中最基礎的型號。SLS Block 1型火箭芯級捆綁了兩個高54米、直徑3.7米的五段式大型固體助推器，單個固推的起飛推力約1630噸。芯級高度64.6米，直徑8.4米，推進劑加注量約988噸，使用4臺RS-25D發動機，單臺地面推力189噸，真空推力232噸。火箭的過渡性低溫上面級由德爾它IV火箭第二級衍生而來，使用單臺RL10B-2氫氧發動機。SLS Block1型火箭的高度為98.4米，起飛質量2608噸，起飛推力約4000噸，其近地軌道運載能力為95噸，地月轉移軌道運力大于27噸，只用于在前三次阿爾忒彌斯任務中發射獵戶座載人飛船。

▲ 掛在發射場的標語

▲ 觀看火箭發射的人群

▲ 靜靜豎立在發射臺上的SLS火箭

▲ 獵戶座飛船太陽翼頂端攝像頭拍攝的地球遠景

SLS Block 1B型是一種承上啟下的發展型。它沿用Block 1型的五段式固體助推器和芯級，但上面級改用新研制的探索上面級（EUS）。EUS上面級長度24.7米， 直徑8.4米，加注后重量126噸，使用4臺RL10氫氧發動機，真空推力也增加到44.2噸。EUS上面級已經開始研制，計劃在阿爾忒彌斯-4任務中首次投入使用。SLS Block 1B型改裝EUS上面級后，火箭高度增加到110米，同時近地軌道運力增加到105噸，地月轉移軌道運力增加到38噸。SLS Block 1B型在發射獵戶座飛船的同時，還能搭載發射10噸級的載荷，由獵戶座飛船擺渡運送到月球門戶站。阿爾忒彌斯計劃中將使用它運送國際居住艙（I-HAB）和ESPRIT艙，以及尚未確定建造者的氣閘艙。

SLS Block 2型是進一步升級的最終發展型。它沿用氫氧芯級和探索上面級的同時，使用了新的先進固體助推器。SLS火箭的固體助推器由航天飛機現成的助推器拼裝而來，但庫存只能支持8次SLS發射任務，美國宇航局未雨綢繆啟動了助推器換代延壽項目（BOLE），由諾斯羅普·格魯曼公司作為主承包商研制的先進固體助推器。BOLE助推器殼體使用碳纖維復合材料，結構減重約30%，再加上使用比沖更高的端羥基聚丁二烯（HTPB）推進劑，以及優化改進的噴管等技術，地月轉移軌道運力提高了至少3噸，直送木星和土星的運力分別提高了23%和67%。SLS Block 2載人版地月轉移軌道運力43噸，貨運版更是超過46噸。不過，SLS Block 2型還只存在于紙面上，甚至沒有得到預算撥款。

▲ 夜幕下的SLS火箭

▲ SLS火箭發射前，美國宇航局局長比爾·納爾遜在肯尼迪中心的運營大樓發表講話

SLS火箭的地位和前景

SLS Block 1型火箭已經在2022年11月16日的首飛中成功發射，3次發射后將讓位給運力更強的Block 1B型火箭。Block 1B目前確定有阿爾忒彌斯-4到阿爾忒彌斯-8共計5次發射任務。更遙遠的未來，阿爾忒彌斯計劃和SLS火箭的具體任務還沒有正式提上日程。從美國宇航局目前的任務規劃看，SLS火箭作為獵戶座載人飛船唯一的發射工具，是美國阿爾忒彌斯計劃不可或缺的關鍵組成部分。然而，這并不意味著SLS火箭的地位穩如泰山前途一片光明，恰恰相反，在經歷長達11年的漫長研制后，如今時過境遷，SLS火箭的地位遇到了挑戰，其前景也變得黯淡。

作為星座計劃的“遺孤”，討論SLS重型火箭的地位和前景，星座計劃的戰神五號火箭是一個合適的比較對象。戰神五號火箭用于發射牽牛座大型登月艙，并負責將登月艙和獵戶座飛船送入地月轉移軌道，它還將用于發射載人火星組合體的各個組成部分，是星座計劃當之無愧的核心。SLS火箭用于發射獵戶座飛船，在2017年美國重新決定登月之前，美國宇航局曾打算使用它發射大型深空居住艙和大型登月艙等諸多大尺寸航天器組件，但計劃趕不上變化，隨著美國宇航局決定招標商業登月艙，尤其是2021年4月美國宇航局選擇太空探索技術公司的登月版星艦執行登月計劃，SLS火箭的地位就比較尷尬了。

星艦是一種二級完全重復使用的運載工具，復用時近地軌道運載能力可達100噸，通過多次在軌加注補充推進劑后，星艦第二級還能載人飛向月球甚至火星。登月版星艦發射入軌后，就要在軌加注飛向月球，在月球門戶站上接收登月航天員執行登月任務。

美國宇航局選擇星艦登月后，從航天愛好者到專家都有相同的疑問：星艦作為載人航天器，從地面發射執行登月任務，為什么還需要獵戶座飛船載人飛向深空呢？更進一步說，如果獵戶座載人飛船并不是不可或缺的，那專用的“坐騎”SLS重型火箭又有什么必要呢？換句話說，如果登月版星艦成功的話，美國宇航局甚至可以徹底拋棄SLS火箭和獵戶座飛船，完全使用星艦執行登月任務。

▲ SLS火箭發射時在天空中留下的軌跡

根據美國總審計署（GAO）的報告，阿爾忒彌斯計劃前四次任務平均成本高達41億美元，其中SLS火箭就占去了22億美元，而美國宇航局最新發布給太空探索技術公司的登月合同中，阿爾忒彌斯-4任務的登月艙總價值11.5億美元。毫無疑問，如果不考慮SLS火箭和獵戶座飛船背后的利益集團，完全使用星艦登月是非常劃算的選擇。畢竟每次登月任務能節省約30億美元，具有極大的誘惑力。這也意味著，SLS火箭未來的前景非常黯淡，不要說未來會不會再研制Block 2型號，就是現有阿爾忒彌斯-2到阿爾忒彌斯-8這7次任務都存在一定的變數。