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試駕介紹視頻，介紹錯(cuò)誤但不影響核心事實(shí)

當(dāng)四臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)第一次同時(shí)點(diǎn)火的時(shí)候，或許沒(méi)有人想到，站在試驗(yàn)臺(tái)架上一年多的大橘罐第一次試驗(yàn)，僅僅67秒就匆匆結(jié)束了。雖然美國(guó)宇航局局長(zhǎng)布里登在試驗(yàn)結(jié)束后的新聞發(fā)布會(huì)上反復(fù)強(qiáng)調(diào)，這次點(diǎn)火只是一次試驗(yàn)，出現(xiàn)問(wèn)題是正常的，但很明顯，布里登現(xiàn)在能做的，是為已經(jīng)被各種問(wèn)題淹沒(méi)的SLS火箭留下一些“正能量”，他的任期即將結(jié)束，仍然是一條“弄巧成拙的路”。這個(gè)用了很多美國(guó)航天飛機(jī)時(shí)代留下的硬件技術(shù)。原本計(jì)劃在2018年底進(jìn)行首次飛行的巨型火箭今年可能無(wú)法離開(kāi)發(fā)射臺(tái)。

有什么不好？總之從一開(kāi)始。其實(shí)早在SLS項(xiàng)目之初，就有航天愛(ài)好者戲稱(chēng)SLS不是“泰空發(fā)射系統(tǒng)”，而是“參議院發(fā)射系統(tǒng)”的簡(jiǎn)稱(chēng)。原因是航天飛機(jī)退役后，后面的生產(chǎn)測(cè)試線也會(huì)關(guān)閉。在該州擁有NASA測(cè)試設(shè)施的國(guó)會(huì)議員，如阿拉巴馬州、密西西比州和佛羅里達(dá)州的參議員，自然不高興，因?yàn)檫@意味著他們的選民將因設(shè)施關(guān)閉而失業(yè)。于是，為了“安撫”國(guó)會(huì)，從航天飛機(jī)上繼承下來(lái)的硬件可以保持設(shè)施和周?chē)麄€(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，為參議員改選留下競(jìng)選資本的SLS誕生了。比如這次考試的“斯坦尼斯拉夫斯基空中心”在密西西比州漢考克縣，密西西比州參議員辛迪·海德-史密斯前往現(xiàn)場(chǎng)觀看考試。在馬歇爾航天中心所在的阿拉巴馬州，參議員理查·謝爾比是空間實(shí)驗(yàn)室的堅(jiān)定支持者。作為參議院撥款委員會(huì)主席，他一直主張削減NASA的商業(yè)太空基金來(lái)補(bǔ)貼SLS。

但問(wèn)題是，適合航天飛機(jī)的硬件，或者說(shuō)“Tai 空運(yùn)輸系統(tǒng)”，不一定適合SLS。我不知道為近地軌道設(shè)計(jì)的STS的整個(gè)架構(gòu)，但是這個(gè)和那個(gè)必須拼湊起來(lái)用于深空空探測(cè)的SLS。結(jié)果是費(fèi)時(shí)費(fèi)力卻達(dá)不到目標(biāo)。SLS更像是政治家設(shè)計(jì)的火箭，而不是航天工程師設(shè)計(jì)的。就算不看成本高，SLS按設(shè)計(jì)目標(biāo)就是硬件不對(duì)的火箭。

事實(shí)上，STS的三個(gè)RS-25和SLS的四個(gè)RS-25甚至不能提供高于自身重力的推力從發(fā)射臺(tái)起飛，這需要兩個(gè)助推器來(lái)提供額外的推力。SLS使用的固體燃料火箭具有有史以來(lái)最高的推力，在每個(gè)海平面上都有驚人的14.6毫牛頓。只有兩個(gè)助推器超過(guò)了27架梅林-1D重型獵鷹的總海平面推力。

單獨(dú)來(lái)說(shuō)，這些數(shù)據(jù)聽(tīng)起來(lái)很好，很強(qiáng)大，但是這兩個(gè)極限的結(jié)合在近地軌道STS上是可行的，而在深目標(biāo)空的SLS上就不行。從一個(gè)軌道改變到另一個(gè)軌道所需要的速度變化往往被稱(chēng)為dV，而只要飛行器離開(kāi)底部的稠密大氣層，單純的推力并不是決定dV的關(guān)鍵因素，比沖，或者說(shuō)發(fā)動(dòng)機(jī)能維持推力多久，也將是一個(gè)需要綜合考慮的指標(biāo)。

根據(jù)牛頓第二定律，推力等于質(zhì)量乘以加速度，即質(zhì)量的導(dǎo)數(shù)乘以速度。等式的兩邊同時(shí)乘以dt，然后再積分，得到:

也就是說(shuō)，要達(dá)到同樣的總變速dV，需要對(duì)特定時(shí)間內(nèi)的推力進(jìn)行積分。換句話(huà)說(shuō)，如果只有一半推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可以持續(xù)兩倍的時(shí)間，那么它的速度變化將是一致的。也就是說(shuō)，如果犧牲一部分推力來(lái)?yè)Q取更長(zhǎng)的作用時(shí)間，車(chē)輛會(huì)得到更大的速度變化。比如STS的推力是24MN，但燃燒時(shí)間只有127秒，3架RS-25s的推力是6.27MN，但燃燒時(shí)間是510秒。雖然在發(fā)射的不同階段會(huì)調(diào)整推力，為了顯示時(shí)差的影響，固體推進(jìn)的動(dòng)量總共是24 * 127 = 3048MNs，三架RS-25的動(dòng)量總共是6.27 * 510 = 3197MNs，但是來(lái)自后面。而且由于火箭是一個(gè)變質(zhì)量系統(tǒng)，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，需要計(jì)算質(zhì)量dm和噴入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體的噴射速度U的積分，而且對(duì)于更長(zhǎng)的作用時(shí)間，積分會(huì)更大。

RS-25的優(yōu)點(diǎn)是耐用，這在STS中是有意義的，因?yàn)閱渭?jí)軌道上的三個(gè)RS-25都要送自己的質(zhì)量，所以需要發(fā)動(dòng)機(jī)提供長(zhǎng)期推力。但二級(jí)軌道的SLS第一級(jí)預(yù)計(jì)點(diǎn)火時(shí)間為480秒，RS-25在未能展現(xiàn)其持久優(yōu)勢(shì)后成為需要廢棄的額外質(zhì)量。SLS整個(gè)第一級(jí)都是典型的推力過(guò)大的設(shè)計(jì)，沒(méi)有必要使用RS-25。

有趣的是，在第二階段，SLS完全逆轉(zhuǎn)，變成推力不足。目前1號(hào)區(qū)塊使用的ICPS只有一臺(tái)RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)。即使是EUS使用的RL10C-3也能維持很長(zhǎng)的燃燒時(shí)間，但推力很小，只有108kN。對(duì)于發(fā)射地球衛(wèi)星和輕深空載荷的宇宙神V和Delta IV火箭，小推力但持久的組合問(wèn)題不大，但對(duì)于重深空載荷會(huì)單獨(dú)討論，因?yàn)轱w行器越重，重力損失越大。

任何看嫦娥五號(hào)任務(wù)軌道示意圖的人，可能都會(huì)有一個(gè)疑問(wèn)，為什么不從地球直接上月球，而是以八字形繞地球走。其中一個(gè)原因是失去了重力。如果直線飛行，重力和發(fā)動(dòng)機(jī)推力方向正好相反，也就是說(shuō)浪費(fèi)了大量的推力來(lái)克服重力，實(shí)際的凈推力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于發(fā)動(dòng)機(jī)推力。

相反，如果你先繞地球轉(zhuǎn)，繞地球公轉(zhuǎn)時(shí)重力和推力的方向是互相垂直的，但變軌時(shí)重力和推力是有夾角的，只有一部分重力作用在推力的反方向。即離開(kāi)地球軌道時(shí)，載荷的實(shí)際推力為發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力減去重力損失。

所以之前的積分公式需要稍加修改，加入重力g，運(yùn)載火箭越重，g越大。

根據(jù)積分的加減，可以從積分中拉出g，分別計(jì)算:

可以看出，雖然時(shí)間長(zhǎng)可以提供更多的力積分，但也會(huì)引起更多的重力損失積分。和RS-25、RL-10一樣，所需的dV積分是通過(guò)更低的F和更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以根據(jù)公式重力損失積分更多。所以，雖然SLS Block 1使用的是比沖很高的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，但它實(shí)際能送到月球的質(zhì)量是26噸，比22噸重的獵鷹用煤油高不了多少。梅林-1D True 空發(fā)動(dòng)機(jī)推力981kN，是RL-10的8倍。雖然能維持的燃燒時(shí)間短很多，積分范圍小，但也意味著重力損失的積分范圍也小，同樣速度dV積分下能輸送的質(zhì)量m也少不了多少。

1B街區(qū)，4架RL-10清晰可見(jiàn)

為了彌補(bǔ)1B區(qū)塊推力的不足，新的二級(jí)火箭EUS上應(yīng)該同時(shí)使用4臺(tái)RL-10-C3發(fā)動(dòng)機(jī)，但估計(jì)最早要到2026年才能投入使用。根據(jù)波音在SLS上的延遲，EUS能否真正按時(shí)完成研發(fā)還有很大的問(wèn)號(hào)。SLS二級(jí)推力不足的問(wèn)題短期內(nèi)還是沒(méi)有解決。具有諷刺意味的是，SLS遇到的問(wèn)題，早就被NASA最后一次登月的最大功臣馮布勞恩提出來(lái)了。固體燃料火箭雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推力小，但不適合整個(gè)火箭系統(tǒng)。這可能是馮·布勞恩想看看火箭是否由推力過(guò)大的固體推力第一級(jí)和推力不足的液體燃料第二級(jí)組成的最后一種設(shè)計(jì)。

經(jīng)過(guò)10年186億美元的研發(fā)，SLS的處境非常尷尬。或許從誕生之日起就注定了。完成研發(fā)需要更多的錢(qián)和時(shí)間。即使完成，單次發(fā)射也要花費(fèi)20億美元。但是，如果取消R&D，不僅過(guò)去的投資會(huì)沖擊水漂，月球門(mén)戶(hù)空站也會(huì)成為問(wèn)題。雖然重型獵鷹有足夠的能力將各個(gè)空空間站模塊送入月球軌道，但不足以發(fā)射26噸重的獵戶(hù)座飛船。空站和空不能去的夾層沒(méi)什么區(qū)別。至少在SpaceX的星艦飛入Tai 空之前，SLS就是把月球入口綁死的火箭。隨著新總統(tǒng)拜登的就職和民主黨在六年后重新獲得參議院多數(shù)席位，共和黨人謝爾比將辭去撥款委員會(huì)主席一職，SLS將失去在美國(guó)國(guó)會(huì)的最大支持。由于這次測(cè)試的結(jié)果不令人滿(mǎn)意，新的拜登政府一定會(huì)重新檢查這個(gè)橫跨三任總統(tǒng)的美國(guó)宇航局旗艦項(xiàng)目。是繼續(xù)研發(fā)，還是賭SpaceX，還是兩者兼而有之，反正SLS的未來(lái)也不明朗。

如果說(shuō)SLS項(xiàng)目證明了什么的話(huà)，那就是任何火箭首先是一個(gè)系統(tǒng)工程，絕不是單純的推力比沖等性能的比較和拼湊。先有目標(biāo)，再有火箭，再有發(fā)動(dòng)機(jī)。顛倒以上優(yōu)先級(jí)，結(jié)果只有SLS走錯(cuò)的路會(huì)再次重復(fù)。

結(jié)束

本文轉(zhuǎn)載自《航天愛(ài)好者》，原題《什么救你，我的SLS》，文|土星v。

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