半人馬座：最成功的上面級

文/錢衛

“半人馬座”是迄今為止，美國乃至全世界最為成功的火箭上面級。它的研發起步于上世紀50年代，經過多次改進和改型，至今仍然在使用。洛馬公司打算繼續對它實施改進，在新一代“火神”火箭上使用。這個型號之所以如此成功，用美國宇航局歷史學者的措辭來形容，關鍵點就是“馴服”了液氫這種物質。

▲ 半人馬座6A上面級正在安裝到運載火箭上

▲ 新一代火神火箭將繼續使用半人馬座上面級

歷史

半人馬座概念起源于1956年，當時康沃爾公司的設計師恩里克想為宇宙神洲際導彈尋找一點和平用途，比如發射衛星甚至探月。之所以起這個名字，是期望它能和希臘傳說中的半人馬怪獸一樣，把強大的力量和精確的控制合二為一。恩里克對探月的興趣很大。他經過計算之后，提出了一種使用氫氧燃料的上面級，把它和宇宙神火箭相結合，就能成為一種有效的航天運載器。宇宙神-半人馬座在1958年正式立項，由康沃爾公司、美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的前身和美國空軍共同投資。1959年，美國宇航局取代了DARPA的角色。經過幾十年的輾轉變遷，如今宇宙神火箭和半人馬座上面級都歸入了洛·馬公司。

半人馬座的設計有幾個核心特色。首先是不銹鋼制造的壓力穩定推進劑罐，其壁厚只有0.51毫米，空罐子甚至無法支撐自己的結構。但是裝入10多噸低溫燃料后，燃料本身的壓力就會讓它像吹氣球一樣膨脹起來，達到很高的強度。為了進一步減輕儲罐結構重量，沒有為液氫和液氧單獨設置儲罐，而是在同一個儲罐里，用一塊玻璃鋼纖維蜂窩板隔開兩個部分，一部分裝比較冷的液氫，另一部分裝比較暖的液氧。玻璃纖維蜂窩板的絕熱效果很好，可以保證在幾個小時的飛行期間，液氫液氧各自保持液態。

▲ 1962年的半人馬座上面級，還不是很成熟

這樣的設計非常巧妙，但也充滿了風險。在1962年5月的首航中，半人馬座的第一個型號——半人馬座A型在發射54秒后爆炸，火箭被一個巨大的火球吞噬。調查顯示，出問題的就是這個儲罐，因為液氫部分破裂，燃料噴射而出，被火箭尾焰點燃了。

在此前不到一年，美國總統肯尼迪宣布，把載人登月作為國家優先事項。半人馬座的爆炸給了美國宇航局一個沉重打擊。在事故調查中，太空科學總監霍默·紐厄爾表示：“將液態氫‘馴服’到可以執行昂貴的太空任務的程度，比任何人一開始想象的都要困難。”

在這次失敗之后，美國航天界分成兩派。以馮·布勞恩為首的一批人要求取消半人馬座。雖然它的設計更輕巧，結構所占的重量比例遠遠小于常規設計，但可靠性實在太差了。不過支持者認為，值得為此開展一場艱苦的研發。特別是DARPA首席科學家赫伯特·約克曾在1959年敦促美國宇航局局長T·基思·格倫南“快馬加鞭”，因為半人馬座是“唯一有能力滿足我們高空軌道有效載荷要求的飛行器”。

最后一錘定音的是肯尼迪。在半人馬座A型首次飛行失敗后，肯尼迪要求美國宇航局解釋，這東西到底有什么用。繼任局長的詹姆斯·韋伯表示，既然阿波羅計劃打算為土星五號運載火箭研制一種液氫液氧的上面級，那么就需要一種先導型號來驗證液氫的可行性。此外，美國宇航局還指望宇宙神-半人馬座發射勘測者號無人月球探測器，用來確定月球表面是否足夠堅硬，能不能讓載人飛船著陸。

▲ 半人馬座上面級的高壓氣瓶用碳纖維制成

▲ 半人馬座發射先鋒11號星際探測器

于是，問題集中到了宇宙間分子量最小的元素上了，就是氫。氫作為火箭推進劑，燃燒溫度極高（3037攝氏度）。氫氧組合是目前為止比沖最高的火箭推進劑。但液氧和液氫都是低溫氣體，所以帶來了巨大的技術挑戰。尤其是液態氫必須儲存在零下217攝氏度的溫度下。為了防止其蒸發或沸騰，以液態氫為燃料的火箭必須小心地與所有熱源隔絕，例如火箭發動機排氣和在大氣中飛行時的空氣摩擦。一旦飛行器進入太空，就必須確保其免受太陽輻射的影響。當液態氫吸收熱量時會迅速膨脹，因此必須進行通風以防止儲罐爆炸。暴露在極冷液態氫中的金屬會變脆。此外，液態氫可以通過焊縫中的微小孔隙泄漏。

通過半人馬座以及土星五號的攻關，美國率先掌握了液氫液氧作為火箭燃料的關鍵技術，取得了顯著的優勢，比其他國家領先甚多。

我們現在回來說半人馬座。經過改進，1963年11月26日，半人馬座B的飛行獲得了成功。但是之后的半人馬座C三次飛行全部失敗，有兩次是火箭故障，第三次飛行的火箭取得成功，但是半人馬座的二次點火失敗了。

再次改進的半人馬座D終于“馴服”了液氫，投入批量化生產和飛行，共發射了56次。1966年5月30日，宇宙神-半人馬座組合體將第一個勘測者號著陸器發射到月球。隨后，在接下來的兩年里，“勘測者號”又發射了6次，宇宙神-半人馬座組合體的性能讓人滿意，特別是演示了氫燃料發動機在太空中多次點火的可行性，為氫燃料的后續大氣層外應用奠定了基礎。到20世紀70年代，半人馬座已經完全成熟，最終取代了阿金納。

▲ 德爾它V火箭、宇宙神5火箭、半人馬座上面級共同用渡船運往卡納維拉爾角發射

▲ 航天飛機版半人馬座的分離想象圖

多種型號

從半人馬座A到研發中的半人馬座5，歷經多個具體型號。這些型號在可靠性、具體材料和技術、工藝、電子信息化水平方面有著顯著的差異，但基本構架保持穩定。它采用Aerojet Rocketdyne公司的RL10發動機為主動力，有單發和雙發兩種配置，可以實現多次在軌重新點火。比較有意思的是，作為上面級，半人馬座在進入宇宙空間后，有一個滑行階段，發動機不點火。所以在RL10發動機噴管的側面，可以攜帶一些低軌道小衛星，在滑行階段把它們釋放后，再奔向主載荷的目標軌道。姿態控制由多個肼推力器實現。

▲ 航天飛機版半人馬座的模型

▲ 半人馬座上面級發射卡西尼任務

半人馬座曾經適配在宇宙神系列火箭和泰坦等火箭上，接口和配置有所不同，因此出現了大量不同的改型。半人馬座A-D，以及G型，都適配宇宙神火箭。D1T型適配泰坦火箭，S-V型是為土星一號火箭研制的。上世紀80年代，還曾經出現了一種航天飛機版的設計，不改變發動機配置，但是把燃料儲箱直徑大幅度擴張，充分利用航天飛機貨艙空間。但美國宇航局非常擔心，在人貨混裝的航天飛機里，攜帶這么大一罐低溫燃料是不安全的。挑戰者號航天飛機事故讓美國宇航局下定決心，放棄半人馬座與航天飛機的組合。有關的研究成果形成了半人馬座T型，與泰坦4火箭相結合，發射了9次，其中包括卡西尼-惠更斯土星探測器的發射。

▲ 配用宇宙神5火箭的單發動機半人馬座上面級

▲ 宇宙神5火箭配用超大整流罩時，上面級包裹在整流罩內

▲ 設想中的半人馬座5上面級

不過，半人馬座的主要配套對象還是宇宙神系列。隨著宇宙神2火箭的研制，出現了半人馬座2上面級。但是從宇宙神3火箭開始，洛馬公司開始考慮研制一種技術狀態凍結的上面級，也就是通用型半人馬座。進入21世紀前后，洛·馬公司已經開始考慮研制全新的宇宙神5火箭，這主要得益于俄羅斯提供的RD180發動機。無論是洛·馬公司，還是美國空軍，都對這種火箭的設計非常滿意，打算作為演進型一次性運載火箭EELV的合同內容，長期大量訂購。這就給上面級的通用化、標準化提供了基礎。

在研制通用半人馬座之前，洛·馬公司曾經開發過一種單發的半人馬座（SEC），于2000年5月在宇宙神3A上首飛成功。通用半人馬座的推進劑儲箱比SEC延長超過20米，以承載更多的推進劑。2002年8月21日，宇宙神5和通用半人馬座組合首次飛行成功。此后20年時間里，這個組合成為洛馬公司以及聯合發射聯盟公司的拳頭產品。早期的通用半人馬采用RL10-A-4-2發動機。

宇宙神5火箭有多種配置，其中整流罩有兩種，一種是小型尖頂的4米直徑，是多數發射任務使用的；另外一種是5.4米直徑的超大整流罩，用來發射超大型軍用衛星和火星探測任務。使用小型整流罩的時候，半人馬座上面級是暴露在整流罩外面的。如果是用超大整流罩，半人馬座就會被包裹在整流罩里面。

雙發動機的半人馬座上面級并沒有被廢棄，而是用來實施一些比較重的載荷發射任務。目前，只有波音CST-100星際航線載人飛船在使用這種上面級。后續可能還會用來發射追夢者航天飛機。兩個發動機能產生更大的推力，可以用更高的水平速度和更低的垂直速度，讓飛船上升過程更平緩，讓航天員感到更舒適。如果發生意外，必須緊急撤回地球的時候，雙發帶來的大推力也能有效控制減速過程，不超過人體所能承受的過載范圍。

半人馬5型

聯合發射聯盟公司這幾年的核心工作，就是研制“火神”運載火箭。這種火箭打算采用藍色起源公司研制的BE-4氫氧發動機，成為該公司的下一代主力。“火神”原本打算采用ACES上面級，但是隨著ACES被基本放棄，“火神”的上面級改成半人馬5型，配備兩臺Aerojet Rocketdyne 公司的RL10氫氧發動機。目前，這種上面級還在研制當中。