土星五號(hào)和SLS火箭的外觀對(duì)比，左邊為土星五號(hào)實(shí)拍圖，右邊為SLS火箭渲染圖
大約50年前，阿波羅計(jì)劃和土星五號(hào)火箭都表明，人類想要探索太空，就必須竭盡全力面對(duì)挑戰(zhàn)，以人類極限來(lái)面對(duì)浩瀚的太空，尤其是人類想要登上月球或者在月球長(zhǎng)期定居，這更是一件值得挑戰(zhàn)的事情。在月球和火星上建立一個(gè)持續(xù)存在的居住區(qū)將是本世紀(jì)人類最偉大的成就之一，在月球建造居民區(qū)或者完整的殖民地需要多領(lǐng)域合作，單一領(lǐng)域的創(chuàng)造是不行的。
而對(duì)于美國(guó)宇航局來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在需要挑戰(zhàn)的一大問(wèn)題就是一個(gè)高效率的火箭。說(shuō)起探索宇宙，大家可能會(huì)想到各國(guó)航天局，各式各樣高性能的火箭，比如土星五號(hào)火箭和過(guò)去蘇聯(lián)的N1火箭，土星五號(hào)火箭曾經(jīng)是美國(guó)宇航局阿波羅時(shí)代的輝煌，現(xiàn)在，土星五號(hào)已經(jīng)退役，美國(guó)宇航局的新SLS航天發(fā)射系統(tǒng)將繼任，SLS是自1960年初開(kāi)始研究土星五號(hào)以來(lái)最強(qiáng)大的火箭。
SLS火箭升空渲染圖
SLS火箭的高度為97.5米，重量為250萬(wàn)千克，由三個(gè)航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)SSMES和兩個(gè)固體火箭助推器SRB組成，它們可以提供380萬(wàn)千克的發(fā)射推力，以推動(dòng)火箭的低級(jí)、級(jí)間和獵戶座多用途載人飛船MPCV進(jìn)入太空。
在未來(lái)建造過(guò)程中，SLS將增加24米，SLS將在最低處增加兩個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩個(gè)引擎也可以產(chǎn)生將近45萬(wàn)千克的額外推力，這將轉(zhuǎn)化為130公噸的貨物運(yùn)載能力，幾乎是第一批建造的SLS Block-1的兩倍，最后一個(gè)版本的SLS火箭比土星五號(hào)的綜合能力提升了109%。
SLS每一個(gè)版本的高度。以第一個(gè)版本SLS-Block1為例，從上到下依次是火箭發(fā)射逃逸系統(tǒng)，獵戶座宇宙飛船，核心推進(jìn)，底層低溫火箭適配器ICPS，輔助固定火箭助推器等
其實(shí)SLS在某種程度上，是一種模塊化、多用途的飛行器，可根據(jù)任務(wù)要求進(jìn)行多次配置，所以SLS也叫航天發(fā)射系統(tǒng)。美國(guó)航天局計(jì)劃在早期使用較小版本的組合系統(tǒng)將貨物和宇航員運(yùn)送到近地軌道，主要是為國(guó)際空間站提供服務(wù)。之后的新配置可以支持地球軌道以外的空間的任務(wù)，包括到小行星帶，月球或火星的任務(wù)。
說(shuō)到火箭，肯定不是誰(shuí)高或者誰(shuí)粗就是最好的，火箭的推力和性能還是要看引擎怎么樣。未來(lái)每個(gè)SLS火箭配置都將使用帶有四個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的核心級(jí)。而現(xiàn)在美國(guó)宇航局正在建造第一輛被稱為SLS-Block1的SLS初代火箭，它將由兩個(gè)五段式固體火箭助推器和四個(gè)RS-25液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。到達(dá)太空后，配合獵戶座宇宙飛船，臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)ICPS會(huì)將獵戶座送入月球，另外，核心級(jí)的中間結(jié)構(gòu)將攜帶276萬(wàn)升的過(guò)冷液態(tài)氫和液態(tài)氧來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。
從這張圖片我們可以看到，最下部是RS-25引擎，上方是核心級(jí)推進(jìn)，核心級(jí)推進(jìn)周?chē)氖莾蓚€(gè)輔助推進(jìn)級(jí)
去年加利福尼亞州的Aerojet RocketDyne公司已經(jīng)將16個(gè)RS-25航天飛機(jī)的引擎升級(jí)為SLS火箭所需要的引擎，包括一個(gè)新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，它可提供23萬(wàn)千克推力，在飛行中，這四個(gè)引擎可提供大約90萬(wàn)千克的推力。
兩個(gè)航天飛機(jī)衍生的固體火箭助推器將用于SLS的初始飛行。為了提供火箭所需的額外動(dòng)力，Northrop Grumman公司也將原航天飛機(jī)的四個(gè)推進(jìn)劑段配置改為五段式，該設(shè)計(jì)還包括新的航空電子設(shè)備，推進(jìn)劑設(shè)計(jì)和外殼絕緣。
今年3月11日，Orbital ATK公司工程師正在檢查和測(cè)試SLS火箭的兩個(gè)核心助推級(jí)，Orbital ATK進(jìn)行了兩次極限高溫測(cè)試
對(duì)于SLS火箭的研究，美國(guó)宇航局和SpaceX的探索方法是如出一轍，他們都是先用模型機(jī)或者原型機(jī)研究，比如先研究引擎，研究設(shè)計(jì)組合，考慮安全性能等。
SLS火箭的下一次升級(jí)版本名叫Block-1B號(hào)，它將使用一種新的、更強(qiáng)大的上層推進(jìn)EUS方法，Block-1B型運(yùn)載火箭可以在一次發(fā)射中攜帶獵戶座載人飛船和探測(cè)系統(tǒng)，還有比如未來(lái)月球殖民地或者火星殖民地所需要的深空棲息居住艙。Block-1B型載人飛船可將約37噸重量的貨物送上月球，包括獵戶座及其機(jī)組人員。到時(shí)候看任務(wù)具體情況而定，發(fā)射時(shí)也可以只有貨物。所以看到這里我們知道Block-1B和Block-1火箭相比，推力更大，還能攜帶額外載荷到月球。
SLS火箭升空渲染圖
隨著更強(qiáng)大的Block 1B型火箭的設(shè)計(jì)和建造，計(jì)劃采用這種配置執(zhí)行更多的任務(wù)，Block 1B將是未來(lái)任務(wù)的主要組合方法。后續(xù)改進(jìn)的兩級(jí)配置將提供超過(guò)105公噸的提升能力，到時(shí)候會(huì)采用波音公司建造的上層結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在，波音公司目前正在為第一次和第二次SLS任務(wù)生產(chǎn)飛行硬件。
最后一個(gè)SLS火箭是Block-2，它將提供1190萬(wàn)磅的推力，Block-2可以將貨物運(yùn)送到月球、火星和其他深空目的地的。SLS Block-2的設(shè)計(jì)目的是將超過(guò)45噸的貨物提升至深空。
看到這里，我們對(duì)美國(guó)宇航局SLS火箭的探索計(jì)劃有了一定了解，其實(shí)美國(guó)宇航局是采用了循序漸進(jìn)，逐漸深入研究的方式，根據(jù)任務(wù)需求來(lái)升級(jí)或者重組火箭。
美國(guó)宇航局EM-1任務(wù)將在今年7月開(kāi)始，不是載人飛行，但是會(huì)前往月球
距離我們最近的一次任務(wù)叫做EM-1，也就是探測(cè)任務(wù)-1，這次任務(wù)是SLS和獵戶座宇宙飛船的第一次聯(lián)合測(cè)試飛行，使用的火箭是Block-1型，時(shí)間大概在今年7月份，EM-2任務(wù)可能在2022年上半年開(kāi)始，除了攜帶科學(xué)載荷和貨物，還可能會(huì)攜帶兩名宇航員。接下來(lái)，因?yàn)镋M-2任務(wù)時(shí)間還未定，我們還是回到EM-1任務(wù)，Block-1火箭將攜帶獵戶座飛船到離地球45萬(wàn)千米遠(yuǎn)的月球軌道上。EM-1任務(wù)團(tuán)隊(duì)除了需要布置獵戶座宇宙飛船，還需要攜帶13顆大小相當(dāng)于鞋盒的小型衛(wèi)星，這些衛(wèi)星將部署在深空。
現(xiàn)在EM-1的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)制造、測(cè)試并準(zhǔn)備好連接到核心級(jí)。發(fā)動(dòng)機(jī)安裝完畢，核心級(jí)完全組裝好后，美國(guó)宇航局的飛馬座駁船將把整級(jí)運(yùn)輸?shù)矫芪魑鞅戎菔ヂ芬姿篂掣浇乃固鼓崴购教熘行倪M(jìn)行極限運(yùn)行測(cè)試。然后，飛馬座將運(yùn)送整級(jí)到佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心的核心階段，在那里它將進(jìn)行組合測(cè)試，并最終發(fā)射。最新消息，Aerojet RocketDyne公司也已經(jīng)完成了對(duì)EM-2的新控制器的測(cè)試，并開(kāi)始開(kāi)發(fā)新的先進(jìn)部件，這些先進(jìn)部件將使發(fā)動(dòng)機(jī)在未來(lái)的任務(wù)中更便宜。
美國(guó)宇航局正在猶他州沙漠地區(qū)測(cè)試SLS火箭核心級(jí)引擎
諾斯羅普格魯曼公司也鑄造了EM-1所需的所有助推器段，并開(kāi)始為EM-2任務(wù)鑄造助推器級(jí)。在美國(guó)宇航局肯尼迪太空中心，工程師們也在升級(jí)航天飛機(jī)助推器部件，以滿足SLS的要求。列車(chē)將把助推器段從猶他州運(yùn)送到肯尼迪航天中心，在那里它們將與其他助推器部件堆放在一起。助推器的航空電子系統(tǒng)正在肯尼迪和馬歇爾進(jìn)行測(cè)試。同步進(jìn)行測(cè)試之后他們將都運(yùn)送至肯尼迪太空中心進(jìn)行最后的整合測(cè)試。
Orbital ATK公司工程師正在檢查SLS主助推器的900多層絕緣材料的內(nèi)徑情況。絕緣用于保護(hù)外殼金屬，使其在試驗(yàn)、燃燒或發(fā)射過(guò)程中免受推進(jìn)劑燃燒產(chǎn)生的熱量影響。
為了減少成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間，美國(guó)宇航局使用了航天飛機(jī)和其他探索項(xiàng)目已經(jīng)成熟的硬件，同時(shí)利用尖端工具和制造技術(shù)來(lái)建造SLS。硬件已經(jīng)非常成熟，美國(guó)宇航局發(fā)言人曾表示：“RS-25是歷史上測(cè)試最多的大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之一，它有超過(guò)3000次的啟動(dòng)次數(shù)，地面測(cè)試和飛行點(diǎn)火時(shí)間超過(guò)一億秒。”火箭的某些部件是全新的，SLS火箭的部分功能也已經(jīng)升級(jí)成更智能化的操作，以滿足具有挑戰(zhàn)性的深空任務(wù)的需要，這需要比使用其他現(xiàn)有火箭更高的運(yùn)載火箭性能水平。
Orbital ATK公司工程師正在檢查SLS火箭的航空電子設(shè)備
SLS有來(lái)自美國(guó)各地的1000多家公司的支持，美國(guó)宇航局的每個(gè)太空中心都正在全力支持世界上最強(qiáng)大的火箭的開(kāi)發(fā)。美國(guó)宇航局的SLS火箭足夠強(qiáng)大，可以將獵戶座飛船送至月球以外。在EM-1任務(wù)中，獵戶座號(hào)將在深空飛行超過(guò)280000英里，未來(lái)，人類在太陽(yáng)系的足跡會(huì)越來(lái)越遠(yuǎn)。
去年11月，美國(guó)宇航局和洛克希德·馬丁公司的工程師為獵戶座飛船安裝了有史以來(lái)最大的熱屏蔽系統(tǒng)
想要探索深空，只有一個(gè)給力的火箭是不行的，火箭需要運(yùn)載一些科學(xué)載荷，宇航員和其他觀測(cè)設(shè)備，而與SLS火箭搭配的好朋友就是獵戶座宇宙飛船，獵戶座宇宙飛船其實(shí)就類似于阿波羅計(jì)劃中的月球模塊，所以也有朋友說(shuō)它是阿波羅月球模塊2.0。宇航員們將在這里生活，還需要在這里工作，未來(lái)，這個(gè)相比于火箭來(lái)說(shuō)較小的模塊會(huì)越來(lái)越重要，因?yàn)槲磥?lái)深空旅行時(shí)間會(huì)越來(lái)越長(zhǎng)。接下來(lái)我們就來(lái)說(shuō)一說(shuō)和SLS Block-1一起測(cè)試（EM-1）的獵戶座宇宙飛船吧。
美國(guó)宇航局獵戶座宇宙飛船內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，除了可以容納4至6位宇航員，還可以放其他貨物
獵戶座宇宙飛船尺寸為3.3米×5米，可以容納4到6名宇航員。其實(shí)在2010年的時(shí)候獵戶座就已經(jīng)有原型了，但是當(dāng)時(shí)因?yàn)槠渌虮黄冉K止，獵戶座還在2014年12月5日進(jìn)行了第一次飛行測(cè)試任務(wù)。獵戶座宇宙飛船作為現(xiàn)代宇宙飛船，它擁有極高的安全系數(shù)和更大的容納空間。
SLS的第一個(gè)版本——SLS Block 1——是第一個(gè)能夠?qū)C戶座航天器送上月球的運(yùn)載工具。SLS的下一個(gè)版本-Block 1B-可以攜帶獵戶座和額外10噸以上的有效載荷到月球。這種額外的能力能夠建立月球表面的基礎(chǔ)設(shè)施，以及每一次獵戶座發(fā)射所需的后勤保障。
美國(guó)宇航局EM-1 SLS火箭和獵戶座宇宙飛船
本次獵戶座宇宙飛船加入了獨(dú)立的推進(jìn)系統(tǒng)，熱防護(hù)保護(hù)系統(tǒng)，維生系統(tǒng)，新的操作系統(tǒng)等等，可以說(shuō)是安全又方便。除此之外，獵戶座飛船和阿波羅飛船一樣都支持降落傘水中降落。未來(lái)，可重復(fù)使用的獵戶座飛船會(huì)載著宇航員的夢(mèng)想走向太陽(yáng)系遠(yuǎn)方。
關(guān)于獵戶座宇宙飛船的重量很多朋友都認(rèn)為它實(shí)在太重了，任務(wù)應(yīng)該用更輕的宇宙飛船來(lái)完成。其實(shí)設(shè)計(jì)用于將宇航員運(yùn)送到國(guó)際空間站的Dragon-2飛船和波音CST-100星際飛船每艘重量也在18至20噸之間，這還不包括進(jìn)入月球軌道和返回地球所需的額外燃料。
美國(guó)宇航局EM-1任務(wù)補(bǔ)丁，任務(wù)圖標(biāo)
獵戶座宇宙飛船的設(shè)計(jì)是用于深空導(dǎo)航和進(jìn)行連續(xù)制導(dǎo)通信的，未來(lái)獵戶座宇宙飛船還有用于維持長(zhǎng)時(shí)間深空任務(wù)所需的消耗品，衛(wèi)生系統(tǒng)，獵戶座的安全系統(tǒng)能夠緊急支持宇航員的應(yīng)急活動(dòng)，以便在緊急情況下將登月人員返回地球。
所有這些子系統(tǒng)都帶來(lái)了額外的質(zhì)量，然而，它們對(duì)于將人類運(yùn)輸?shù)缴羁詹⒃谀抢镩L(zhǎng)時(shí)間工作是必要的，而低地球軌道航天器則不太需要這些系統(tǒng)。
洛克希德·馬丁公司獵戶座副總裁兼項(xiàng)目經(jīng)理邁克·霍斯和NASA獵戶座項(xiàng)目經(jīng)理馬克·基拉希的合照，他們站在EM-1獵戶座船員艙前面。
自從SpaceX太空探索公司的重型獵鷹運(yùn)載火箭在幾個(gè)月前試飛以來(lái)，許多人質(zhì)疑，當(dāng)商用火箭標(biāo)榜價(jià)格便宜時(shí)，為什么美國(guó)宇航局還需要研究SLS，SpaceX比較糾結(jié)每磅需要花多少錢(qián)進(jìn)入軌道。然而，在真正的深空任務(wù)需求背景下，每磅價(jià)格的比較實(shí)際上毫無(wú)意義。為了開(kāi)始在月球建造下一個(gè)人類居住區(qū)，我們需要發(fā)射機(jī)組人員以及維持人類生命數(shù)個(gè)月以上所需的生命保障系統(tǒng)和物資。根據(jù)不同星球，我們還需要啟動(dòng)許多基礎(chǔ)設(shè)施。
美國(guó)宇航局SLS火箭與SpaceX的獵鷹重型火箭
實(shí)際上衡量深空飛船火箭或者是飛船有兩個(gè)部分，第一個(gè)是航天器的質(zhì)量性能，也就是科學(xué)有效載荷能力，第二個(gè)就是體積參數(shù)。SLS Block 1試驗(yàn)機(jī)可以發(fā)射約95Mt到近地軌道，而獵鷹重型可以發(fā)射約64Mt到近地軌道。其實(shí)近地軌道性能并不是深空任務(wù)需求的正確的衡量標(biāo)準(zhǔn)。一些發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使LEO具有高性能，但對(duì)于LEO以外的深空任務(wù)則沒(méi)有效率。此外，SLS Block 1不是用于比較的最終版本，因?yàn)樗且环N試驗(yàn)火箭。未來(lái)的探測(cè)任務(wù)發(fā)射將利用SLS Block 1B區(qū)。因此，一個(gè)更準(zhǔn)確的性能比較是SLS Block 1B可以發(fā)射約40 Mt科學(xué)有效載荷到月球，而獵鷹重型只能向月球發(fā)射約20公噸。
另外，SLS 1B整流罩有537立方米，是獵鷹重型整流罩的3倍多一點(diǎn)，大家知道整流罩的大容量是非常非常重要的，因?yàn)橛行┫到y(tǒng)不太適合分零件運(yùn)輸和空間外組裝。SLS Block 1B的整流罩區(qū)域可發(fā)射一個(gè)約40公噸的棲息地，可供月球使用約270立方米。
SLS火箭將執(zhí)行多項(xiàng)任務(wù)，隨著后續(xù)升級(jí)和組合，SLS火箭也會(huì)變得更強(qiáng)大
看到這里我們已經(jīng)知道在深空任務(wù)中比較每磅的價(jià)格就沒(méi)有意義了。假設(shè)一次完全可消耗的獵鷹重型火星發(fā)射成本為1.5億-2億美元，4-6次獵鷹重型發(fā)射的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)輸?shù)缴羁盏目偙容^價(jià)格將為6億至12億美元，而SLS Block 1B發(fā)射的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)輸成本為500-1000萬(wàn)美元。之后SLS火箭運(yùn)送方法和定價(jià)類似，但風(fēng)險(xiǎn)會(huì)更小，因?yàn)?-6次發(fā)射任務(wù)都需要100%成功，這是SpaceX不能保證，與SLS單次發(fā)射相比，風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加，在裝配許多部件的操作中也存在風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)于將人類送入深空?qǐng)?zhí)行長(zhǎng)期任務(wù)，目前，SLS和SpaceX的星艦是能夠滿足固有任務(wù)要求的運(yùn)載工具。SLS和獵戶座從第一天起就被設(shè)計(jì)用于載人登月和火星任務(wù)。SLS已經(jīng)降低了人類額定設(shè)計(jì)限制的風(fēng)險(xiǎn)，以及國(guó)家對(duì)生產(chǎn)線的維護(hù)承諾。
SLS火箭未來(lái)的變化
相對(duì)于我們現(xiàn)在所熟悉的，人類在深空的活動(dòng)總是困難和高風(fēng)險(xiǎn)的，性能和任務(wù)要求推動(dòng)對(duì)創(chuàng)新、尖端技術(shù)和工程解決方案的需求，以應(yīng)對(duì)性能和安全方面前所未有的挑戰(zhàn)。為探索和商業(yè)發(fā)展而開(kāi)放月球和太陽(yáng)系，空間機(jī)構(gòu)、政府和私營(yíng)機(jī)構(gòu)以及工業(yè)界都必須一起合作，多領(lǐng)域合作才能早日實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。
接下來(lái)，用最后一組圖片，看一下未來(lái)的深空火箭SLS吧
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