北京时间2022年3月18日05:47,承载太空发射系统(SLS)运载火箭与“猎户座”(Orion)载人飞船的发射平台开始驶出垂直总装车间,就此“阿尔忒弥斯1”任务的船箭组合体正式亮相。
北京时间3月18日16:15,经过4英里(约7.4千米)的长途跋涉,承载船箭组合体的移动发射平台抵达佛罗里达州肯尼迪航天中心39B发射工位,历时10小时28分。在接下来两个星期的时间里,船箭组合体将为即将到来的 “湿彩排”(wet dress rehearsal)做准备。既然是万众瞩目,对于SLS我们不仅要看热闹,还要看一点门道。
SLS体量有多大?能力有多强?既然要用于载人登月,SLS就必然是个十足的大家伙。“阿尔忒弥斯1”任务使用的是SLS Block1版本,该火箭采用两级半构型,芯一级对称捆绑两枚固体助推器。SLS芯一级直径8.4米,配备4台继承自航天飞机的RS-25液氢液氧发动机,单台推力39.38万磅力(约178.63吨,数据参考航天飞机起飞时所用104.5%推力);在芯一级两侧捆绑了2枚同样继承自航天飞机的固体火箭助推器,单枚推力超过350万磅(约1587.6吨);芯二级配备1台RL-10液氢液氧发动机,真空推力2.475万磅[1](约11.23吨);芯二级之上装载的就是“猎户座”飞船,飞船之上安装了发射终止系统。
SLS Block1箭长322 英尺(约98米),起飞质量575万磅(约2608吨),起飞推力880 万磅(约3992吨),其近地轨道(LEO)运力达到20.9439万磅[1](约95吨),地月转移轨道(TLI)运力5.9万磅(约27吨)[2]。无论从“身高”、“体重”、“腰围”还是“力气”来看,SLS Block1都超过现役任何一型火箭,是一个体积庞大的“超级大力士”。那如果和“土星五号”相比谁更庞大?谁又更强大?
“土星五号”火箭箭长110.6米(搭载“阿波罗”飞船),其芯级主体最大直径10.1米,起飞重量3038.5吨;起飞推力3408吨,LEO运力118吨,TLI运力45吨。相较而言,SLS Block1火箭无论在尺寸、起飞质量,还是在运力方面都与“土星五号”存在明显差距,但是SLS起飞推力达到了3992吨,是历史上起飞推力最大的运载火箭。未来,SLS还将发展Block1B和Block2两个版本,后者起飞推力将达4300吨,TLI运力将超过46吨,真正使SLS成为超越“土星五号”的存在。
为什么不回收复用?在人类大规模进军太空的当今,成本问题日益显现,各国都在想尽办法为自己的航天活动降低成本,其中最重要的方式之一就是实现火箭的回收复用。在当前阶段,唯一实现火箭回收复用的是美国的SpaceX公司,其“猎鹰”系列运载火箭已经实现了芯一级和整流罩的回收复用,在此基础上,其发射报价已经低至5000美元/千克,远远低于国际通行的10000美元/千克的报价,展现了强大的商业竞争力。那么,为什么SLS不顺应这一趋势?
其实,成本过高已经是SLS存在的突出问题,从项目启动至今,其研发费用耗费超过200亿美元,而用于此发SLS的建造费用也已经达到了41亿美元,很显然SLS已经成为了一型天价航天器。不过,NASA也不是不知道它的贵,也不是没想过回收,只是探月任务有其特殊性。在深空探测方向,运力比起地球轨道要显得更加弥足珍贵,运力最大化是首先考虑的因素,如果兼顾回收则需要携带额外的燃料和着陆系统,必然折损运力,而SLS Block1的TLI运力为27吨,在运送“猎户座”飞船(深空版起飞质量约24吨[2],还并未计算发射终止系统、有效载荷支架以及猎户座级间段的质量)时运力也只是有一定冗余,很难实现火箭回收复用。
什么是“湿彩排”?湿彩排的英文表达为wet dress rehearsal,就是排练除点火之外的所有发射环节,包括进行推进剂的装填和卸载、发射倒计时等,这个过程需要在发射工位上进行。对于国内受众来说,湿彩排这种直译过来的称呼还是不够直截了当,其实这个环节在我国就叫合练,一般出现在一型火箭首飞之前的最后阶段。关于SLS火箭、“猎户座”飞船和地面系统总计安排了10项综合测试,湿彩排结束后,还剩最后一项综合测试——安装和测试飞行终止系统固体火箭,如果没有问题就能确定最后的发射日期,预计不早于今年5月。
在“阿尔忒弥斯1”计划里,SLS Block1将发射“猎户座”飞船执行1次无人绕月飞行,完成任务后返回舱将重返地球,整个过程将持续三个星期。此次任务在进行跨月注入(trans-lunar injection,简称TLI)时,会执行将“猎户座”飞船发射到地球之外28万英里(约52万千米)、月球之外4万英里的(约7.4万千米)关键机动,这将是具备载人能力的宇宙飞船到过的最远的地方。期待SLS开启人类重返月球的第一步!
作者:大白高国
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参考资料
[1]数据引自美国航空航天局(NASA)官网https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/to-the-moon.html
[2]数据引自美国航空航天局(NASA)官网https://www.nasa.gov/specials/artemis-i/
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