首发日期一再延迟、还贵得要死的SLS重型火箭,为何得到阿波罗宇航员力挺?

美国航天发射系统(SLS)重型火箭首飞时间不断推迟,已经从2017年推迟到2020年,至于SLS重型火箭昂贵的研制预算和高昂的发射费用更是反对者攻讦的目标。SLS火箭研制已经花了约120亿美元,而发射成本也高达至少5亿美元。美国如此其他国家也不乐观,俄罗斯重型火箭始终是纸面游戏,中国的重型火箭长征九号迟迟未获立项。美国太空探索技术公司的重型猎鹰火箭今年首飞成功后,很多人都表示强烈的质疑:人类真的需要SLS这样的重型火箭么?

美国网站上质疑SLS的文章

近日,参加过阿波罗17号任务的航天员哈里森·施密特撰文表示,SLS重型火箭仍然有着无可替代的作用,本文简单整理了他的观点。(文末有重点)

1.
深空任务的运力门槛

重型猎鹰火箭一次性使用时可以向月球发射20吨载荷,两枚助推器海上回收时为18吨,而SLS Block 1火箭就可以达到约27吨,改进的SLS Block 1B更可以达到40吨,一枚SLS火箭相当于两枚重型猎鹰火箭。SLS火箭发射成本至少为5亿美元,而重型猎鹰火箭只有1.3亿美元,看上去使用SLS十分吃亏,但事情并非如此。

SLSBlock 1火箭

阿波罗登月时代,两舱式的阿波罗飞船重量约28.8吨,其中指令舱重量5.56吨、服务舱重量约23.2吨。时隔几十年后,新一代的猎户座飞船功能更强,内部空间更大,安全性和自动化程度更高,但它的服务舱无需承担近月制动任务,两舱整体重量反而略有降低,但也达到了约27吨。SLSBlock 1将是未来唯一能发射这种大型飞船的火箭,而下一个版本SLSBlock 1B火箭除了发射猎户座飞船,还能顺路带上十几吨的有效载荷,成为人类重返深空的铺路石。

风头正劲的重型猎鹰火箭又如何呢?它具备将63.8吨的载荷送入近地轨道的能力,但作为一种二级的液氧煤油动力火箭,深空轨道运力就不那么出色了,它只能将约20吨载荷送入地月转移轨道,这样的运力比长征五号或是阿里安五号火箭高了不止一倍,但要将猎户座飞船送入深空,可就实在力不从心了。

当然,很多人认为这是因为猎户座飞船太重,那么商业航天的载人龙或是CST-100飞船呢,它们的发射质量14-15吨,看起来重型猎鹰火箭够用了,但这些商业载人飞船缺乏载人深空飞行的必要能力。如果说导航制导控制系统解决起来还比较容易,但必不可少的生命保障和环境控制系统,尤其是支持4人长达21天长期飞行的消耗,必将带来显著的增重。另外,猎户座飞船还具有更大的速度增量,具备飞出月球轨道返回地球的能力,这也是飞船那么重的重要原因。

如果为了满足深空任务需求,把载人龙或CST-100飞船改进到猎户座的水平,它们也轻不下来,毕竟CST-100就是当年输给猎户座飞船的败犬。总而言之,载人深空飞船很难“减肥”,也就无法用重型猎鹰火箭发射。如果没有这个发射能力,那么重型猎鹰火箭发射成本再低又有什么用呢?

2
深空任务的空间门槛

地球以外轨道的深空运力是重型火箭的关键指标,猎户座飞船没法拆成两半发射。当然,一些小型舱段可以用重型猎鹰发射,比如LOP-G空间站的能源推进模块(PPE)就打算用重型猎鹰射入地月转移轨道。

然而,对于复杂艰巨的深空任务来说,运力只是一张入场券,整流罩容积同样十分重要,容积决定了载荷的大小,即使可以把一个大系统分割为几个部分多次发射,但这样不仅增加了项目成本,也提高了任务延迟乃至失败的风险。因此深空飞行任务对火箭的整流罩容积提出了很高的要求。

SLS Block 1只发射一次,用于试验性的发射猎户座飞船,而Block 1B火箭将正式执行任务,它拥有一个内部容积537立方米的整流罩,留给载荷的可用体积超过270立方米,足以容纳大型舱段比如未来的深空运输器(DST)。而重型猎鹰火箭整流罩内部空间只有它的约三分之一。如果用它化整为零的发射DST,可能需要4到6次发射任务,还要面临风险不小的月球轨道组装。假设一枚SLS火箭发射需要5亿美元,但4到6枚重型猎鹰也需要5-8亿美元,如果算上月球轨道组装的成本和风险,SLS火箭的发射优势是非常明显的。

另外,并不是所有的系统都能化整为零分散发射,比如毕格罗公司的BA2100大型充气舱段,还有载人火星任务的DST或是更大的载人航天器,它们怎么可能拆成几个部分发射呢?未来的LUVOIR大型空间望远镜,其主镜直径可达惊人的8-18米,使用韦伯望远镜的折叠技术后也只能用SLS火箭来发射;用重型猎鹰火箭分别发射它的子系统,然后在150万千米外的L2轨道上自动组装?实力雄厚、经验丰富的美国航天也没有这样的能力和信心。如果再发射比猎户座更大、自持能力更强的飞船前去组装,那需要的成本就真是天价了,远不如一枚看起来昂贵的SLS直接打过去来得划算。

毕格罗太空舱 BA2100

LUVOIR大型空间望远镜

3
综述结论

重型猎鹰这样的商业火箭单位重量的发射成本更低,然而这样的对比忽视了深空任务真正需要的东西。载人深空探索比我们熟悉的近地轨道任务难度更高风险更大,更高的任务难度带来对高性能和高可靠性的需求,仅仅实现载人深空飞行就具有不小的挑战性。

无论是重返月球实现载人登月,还是进行月面开发,甚至是飞向更遥远的小行星和火星,都是极具挑战性的工作,目前只有研制时就针对这类任务专门设计的SLS火箭能满足这样的需求。重型猎鹰以及未来的新格伦火箭作为私营航天的代表,它们取得的成功很容易获得世人的追捧,但土星五号和SLS这样的“官办”重型火箭仍然有无可取代的价值,除非太空探索技术公司的BFR超级火箭成为现实,否则SLS仍将是人类在月球和火星上实现长期驻留的关键。

重型运载火箭运力一览

①一次性发射时运力20吨,若要海上回收两枚助推器,则运力为18吨。

②一次性发射时的数据。

深空航天器重量一览

njiho

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