美國(guó)當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月16日，舉世矚目的美國(guó)SLS重型火箭在肯尼迪中心發(fā)射升空。

這是美國(guó)重返月球計(jì)劃“阿爾忒彌斯”的首次發(fā)射任務(wù)，SLS火箭自2011年開始研制，歷經(jīng)十一年，首飛時(shí)間一推再推，可以說是“十一年磨一劍”。然而， SLS火箭有點(diǎn)生不逢時(shí)，其在美國(guó)未來的深空探索體系中地位并不穩(wěn)固。

SLS火箭仍然是目前世界上重型火箭發(fā)展的標(biāo)桿之作。

從“土星五號(hào)”到SLS火箭

SLS重型火箭將填補(bǔ)1973年“土星五號(hào)”退役后美國(guó)重型火箭長(zhǎng)達(dá)近半個(gè)世紀(jì)的空白。從“土星五號(hào)”到SLS火箭，美國(guó)重型火箭的發(fā)展走過了一條曲折坎坷的道路。

阿波羅載人登月計(jì)劃的成功是美國(guó)宇航局（NASA）最高光的巔峰時(shí)刻，但這一巨大成就也讓美國(guó)民眾和議會(huì)放松了對(duì)NASA的支持。NASA此前享受到的是“所求即所得”的按需分配待遇，此后得到的待遇是預(yù)算一路下滑，新的航天計(jì)劃必須量力而行。由于預(yù)算從巔峰時(shí)刻斷崖式下滑，NASA放棄了同時(shí)推進(jìn)航天飛機(jī)和空間站的計(jì)劃，即使是20世紀(jì)70年代最優(yōu)先的航天飛機(jī)項(xiàng)目，指標(biāo)和設(shè)計(jì)也不得不一再縮水。航天飛機(jī)最早曾計(jì)劃改進(jìn)“土星五號(hào)”火箭的第一級(jí)作為第一級(jí)，這樣的方案繼承性好、性能強(qiáng)而且安全性最高，但研發(fā)使用成本也最高，預(yù)算壓力下只能變成捆綁大型固體助推器的方案。

NASA在航天飛機(jī)項(xiàng)目上徹底告別土星五號(hào)的技術(shù)，不僅為日后無數(shù)登月陰謀論者提供了素材，更重要的是航天飛機(jī)運(yùn)載能力只有29.5噸，這個(gè)運(yùn)力對(duì)發(fā)射普通衛(wèi)星或是空間站艙段綽綽有余，但對(duì)于載人深空探測(cè)卻心有余而力不足。載人火星探測(cè)方案需要把上千噸的載荷發(fā)射入軌，而且其中不乏上百噸的單一模塊，這些模塊不可能拆成20噸級(jí)小模塊交給航天飛機(jī)發(fā)射。

幸虧航天飛機(jī)本身就是一種入軌質(zhì)量上百噸的大型航天器，以它的先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)，就能衍生出百噸級(jí)運(yùn)力的重型運(yùn)載火箭。蘇聯(lián)已經(jīng)有能源號(hào)重型運(yùn)載火箭珠玉在前，美國(guó)的航天飛機(jī)衍生運(yùn)載火箭（SD-HLV）概念也始終是重型火箭方案的首選。從早期的航天飛機(jī)-C方案到“星座計(jì)劃”下的“戰(zhàn)神一號(hào)”以及現(xiàn)在即將升空的SLS重型火箭，概念上都屬于SD-HLV一族。不過對(duì)比蘇聯(lián)的“能源”號(hào)火箭，SLS火箭首飛可是晚了30多年，NASA預(yù)算本來就捉襟見肘，發(fā)展路線又舉棋不定，導(dǎo)致項(xiàng)目起了個(gè)大早趕了個(gè)晚集。從“土星五號(hào)”到SLS重型火箭，NASA來回折騰的苦澀只能說如人飲水冷暖自知了。

SLS火箭目前主要用于發(fā)射“獵戶座”載人飛船。

重型火箭的標(biāo)桿

2010年，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬取消重返月球的“星座計(jì)劃”，但美國(guó)國(guó)會(huì)力保下不僅“獵戶座”飛船幸存下來，“戰(zhàn)神五號(hào)”火箭也搖身一變以空間發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的名字繼續(xù)推進(jìn)。相比“星座計(jì)劃”下為登月服務(wù)的“戰(zhàn)神五號(hào)”火箭，SLS火箭雖然同為SD-HLV概念，但設(shè)計(jì)方案也有了很大變化。NASA作為人類航天的執(zhí)牛耳者，它的SLS火箭在技術(shù)和性能上仍然是人類重型火箭的標(biāo)桿，俄羅斯等航天大國(guó)在研或計(jì)劃研制的重型火箭，都深受其影響并以趕超SLS火箭的性能作為目標(biāo)。

SLS火箭計(jì)劃分兩階段發(fā)展，SLS第一階段的目標(biāo)是發(fā)展出SLS Block 1火箭，使用航天飛機(jī)貯箱衍生的8.4米大直徑貯箱，并使用航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）作為芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，還捆綁兩枚航天飛機(jī)技術(shù)衍生的固體助推器，只有過渡性上面級(jí)（ICPS）直接使用Delta IV火箭的第二級(jí)（DCSS）。SLS Block 1火箭的近地軌道運(yùn)力70噸級(jí)，同時(shí)具備將大于27噸的載荷送入地月轉(zhuǎn)移軌道（TLI）的能力。NASA后來表示SLS Block 1火箭的近地軌道運(yùn)力是95噸，不過此舉除了排行榜好看外并沒有實(shí)際意義，畢竟這種火箭唯一的用途就是發(fā)射約27噸重的“獵戶座”載人飛船。

SLS第二階段發(fā)展目標(biāo)是研制出SLS Block 2型號(hào)，但后來又出現(xiàn)了過渡性的Block 1B火箭。第二階段的核心是新研制的大型低溫上面級(jí)，它后來被稱為探索上面級(jí)（EUS）。EUS使用8.4米直徑的液氫貯箱，推進(jìn)劑比5米直徑的ICPS/DCSS多好幾倍，它還使用4臺(tái)RL10C-3氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)提高推重比。EUS的使用讓SLS Block 1B火箭的近地軌道運(yùn)力提高到105噸，而關(guān)鍵的TLI運(yùn)力提高到38噸（載人）/42噸（貨運(yùn)），比SLS Block 1火箭運(yùn)力提高了十幾噸，為滿足更大的需求奠定了基礎(chǔ)。NASA還有繼續(xù)研制SLS Block2的想法，它還將換上性能更強(qiáng)大的固體助推器，TLI運(yùn)力對(duì)應(yīng)增加到43噸和46噸，據(jù)稱近地軌道運(yùn)力可以提高到130噸級(jí)。SLS Block2火箭超過了“土星五號(hào)”當(dāng)初的118噸低軌運(yùn)力，并為未來載人火星任務(wù)發(fā)射大型模塊奠定了基礎(chǔ)。  

SLS火箭采用分階段發(fā)展的方式，提高運(yùn)載能力。

 時(shí)過境遷后地位堪憂

1981年航天飛機(jī)首飛成功前后，美國(guó)就有發(fā)展SD-HLV的想法，但直到2005年“星座計(jì)劃”才正式上馬，而2010年前提出的“戰(zhàn)神五號(hào)”火箭卻還停留在紙面上。2011年美國(guó)國(guó)會(huì)推動(dòng)下SLS火箭正式啟動(dòng)研制，最初目標(biāo)是2016年12月開始發(fā)射，這樣2013年航天飛機(jī)退役后，美國(guó)載人航天只有3年的空窗期。

SLS火箭看起來只是航天飛機(jī)成熟推進(jìn)技術(shù)的再利用，但火箭設(shè)計(jì)從來不是搭積木那么簡(jiǎn)單，SLS火箭的研制遭遇了很多技術(shù)問題和意外。SLS火箭成本上漲和進(jìn)度滯后的主要原因在于波音公司負(fù)責(zé)的芯級(jí)研制生產(chǎn)進(jìn)度嚴(yán)重滯后，SLS火箭沿用航天飛機(jī)上的8.4米直徑貯箱，而不是“戰(zhàn)神五號(hào)”另起爐灶造10米直徑貯箱，但實(shí)際研制中發(fā)現(xiàn)，SLS火箭貯箱是軸向承力，貯箱受力結(jié)構(gòu)和側(cè)向承力的航天飛機(jī)外貯箱完全不同，再加上SLS火箭設(shè)計(jì)要求的不同和對(duì)安全性的苛刻追求，最終研制的幾乎是全新的推進(jìn)劑貯箱，只不過直徑都是8.4米而已。屋漏偏逢連夜雨，之后項(xiàng)目又遇到了米丘德裝配廠房（MAF）遭受颶風(fēng)襲擊、MAF垂直裝配塔的錯(cuò)位和焊接技術(shù)等一系列問題，導(dǎo)致研制進(jìn)度滯后，2020年開始又疊加新冠大流行的沖擊，導(dǎo)致研制進(jìn)度和首飛時(shí)間不斷推遲。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，SLS火箭的首飛時(shí)間先后推遲了至少16次之多。

SpaceX公司的“星艦”是SLS火箭的最大對(duì)手。

如果SD-HLV能在20世紀(jì)80年代服役，自然會(huì)是美國(guó)航天事業(yè)的寵兒，然而，時(shí)過境遷，雖然SLS火箭的性能和技術(shù)仍是頂尖水平，但它在美國(guó)未來載人深空探索中的地位卻不穩(wěn)固。在“阿爾忒彌斯”登月計(jì)劃中，SLS重型火箭只用于發(fā)射“獵戶座”載人飛船和“門戶”月球空間站的10噸級(jí)小艙段，而登月艙已經(jīng)選擇了SpaceX公司的登月“星艦”方案。其實(shí)，“星艦”本身具備載人能力，這種情況下還用SLS火箭發(fā)射“獵戶座”飛船，更多是給過去十幾年的巨額研制預(yù)算一個(gè)交代。從這個(gè)角度看，即使SLS火箭首飛失敗，只要“星艦”能在2024年左右投入使用，美國(guó)預(yù)定2025-2026年重新載人登月的目標(biāo)都不會(huì)受到多大沖擊。

SLS重型火箭在載人登月等任務(wù)中受到新一代運(yùn)載工具星艦的挑戰(zhàn)，為了保住項(xiàng)目的后續(xù)推進(jìn)，目前波音公司正在極力推銷多用途的SLS火箭。2021年公布的手冊(cè)中提到，以SLS Block1火箭的整流罩體積為標(biāo)準(zhǔn)，SpaceX公司的“獵鷹”重型火箭可用體積只有它的0.7倍，而SLS Block 1B是它的4倍，SLS Block 2更是增加到6倍。SLS火箭提供了目前最強(qiáng)大的運(yùn)載能力和整流罩空間，減少了復(fù)雜的在軌組裝等操作，降低了任務(wù)風(fēng)險(xiǎn)，這讓它在載人登月，載人登火，深空探測(cè)，大型空間望遠(yuǎn)鏡以及發(fā)射軍用衛(wèi)星上都有用武之地，但SLS火箭還是太貴了，前景不妙。