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雖然不順,但SLS火箭小故障難不倒美國!成本反而是棘手問題

太空發射系統(SLS)是美國最新研制的重型運載火箭,其中一個用途就是重返月球。這款火箭分為Block 1,Block 2和Block 2A三型。其中SLS block1運載火箭就是美國最近要發射,卻多次因故障多次延期的火箭。據說SLS block1運載火箭已經先後延期17次了,可謂一波三折。對此,很多網友都幸災樂禍,覺得美國技術不行了,甚至懷疑當年美國“阿波羅”登月計劃是假的。然而,瘦死的駱駝比馬大,美國的技術實力仍然十分雄厚,還不至于造不出SLS登月火箭。

雖然不順,但SLS火箭小故障難不倒美國!成本反而是棘手問題

SLS block1運載火箭

雖然SLS火箭是美國最新研制的火箭,但其本質上就是美國航天飛機的技術移植。

據了解,SLS火箭是美國航天飛機衍生出來的重型一次性運載火箭。它是美國宇航局的“深空探測計劃”的一部分,包括載人火星和載人月球任務。

SLS火箭Block 1,Block 2和Block 2A三個型号芯一級主發動機都是4台RS-25氫氧發動機,直接移植美國航天飛機的主發動機;兩個助推器是固體火箭發動機,技術來自美國航天飛機的助推器。其中,SLS Block 1型高98.3米,是載人型運載火箭,起飛重量2603噸,起飛推力約3752噸,近地軌道運力70噸,地月轉移軌道運力27噸;SLS Block 2型高111.25米,起飛重量約3000噸,起飛推力4750噸,近地有效載荷130噸,地月轉移軌道有效載荷45噸,預計首次發射日期為2029年;Block 2A型運力增大型号,近地有效載荷143噸,甚至可能提升到160噸,目前仍處于規劃期,存在較多變數。

1、助推器簡介。

SLS火箭的助推器分為Block 1型和Block 2型,都采用傘降回收,可重複使用。

Block 1型的助推器直接采用航天飛機的SRB助推器,基本元件包括發動機(含殼體,推進劑,點火器和噴管),主結構體,分離系統,飛行控制儀器,火工裝置,減速系統,推力矢量控制器,回收系統,安全自毀系統。

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SRB助推器

SRB助推器采用五段式設計,高45.46米,直徑3.71米,重589550 kg,裝藥量498850 kg,發射時每台助推器産生約1270噸(2800000磅力)推力,随後迅速增加到1406噸(3100000磅力)推力。推進劑由高氯酸铵(氧化劑,占69.6% 品質),鋁(燃料,16%),鐵氧化物(催化劑,0.4%),聚合物(如PBAN和HTPB,作粘合劑,次級燃料,12.04%),環氧樹脂(固化劑,1.96%)組成。這種推進劑亦稱高氯酸铵組合推進劑(APCP),海平面比沖為242秒,真空比沖268秒。

Block 2型的助推器則借鑒了航天飛機的SRB助推器設計加以改進更新,推力提升到1632.9噸(3600000磅力),同樣采用五段式設計和傘降回收設計,具備可重複使用功能,長53.9米,直徑3.66米,使用聚丁二烯-丙烯腈作為推進劑,幹重725.7噸。

2、芯一級簡介。

太空發射系統(SLS)一級是世界上最高、最強大的火箭芯級,高達64.6米,直徑8.4米。Block 1,Block 2和Block 2A三個型号芯一級主發動機都是4台RS-25D/E氫氧發動機,技術來源于美國航天飛機的主發動機。

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正在安裝4台RS-25D/E發動機的SLS芯一級

RS-25D/E分級燃燒氫氧發動機海平面推力189.6噸(1858千牛),真空推力232.5噸(2279 kN),最大能産生109%的推力,比沖4432.5 m/s(452.3 s),重3.527噸。一級還裝有飛行計算機和控制火箭飛行所需的許多航空電子裝置。一級的設計工作時間約為500秒,分離速度達到近23馬赫,高度超過161.5千米。

2、芯二級簡介。

SLS火箭芯二級的發動機同樣不是全新研制的,Block 1型采用1台RL10B-2,Block 2型采用4台RL10B-2,Block 2A型采用1台J2X,其中RL10B-2膨脹循環氫氧火箭發動機直接照搬“德爾塔三型”火箭二級發動機,J2X開式循環氫氧火箭發動機則直接照搬自“戰神一号”二級發動機。RL10B-2發動機真空推力11.2噸(110.1千牛),幹重301公斤,比沖462秒。J2X發動機真空推力133.356噸(110.1千牛),幹重2472公斤,比沖448秒。

SLS火箭大量應用現有成熟技術,技術難度很小,卻仍然多次延期,說明美國航天部門問題不小。

SLS火箭總體設計思路就是“簡單可靠”,助推器提供絕大部分推力,芯一級采用比沖最高的氫氧發動機設計來保證運力系數不會太差。為確定可靠性,芯一級也僅安裝4台幾十年前就已經研發出來的發動機,隻是進一步改進适當提高推力,減少其零部件數量,并改進容易出問題的故障點,總體上仍然是堅持“簡單可靠”原則。芯二級也同樣遵循“簡單可靠”原則,同樣是基于老舊發動機的全面改進更新。

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SLS block1和SLS block2運載火箭

對于美國來說,運載火箭中難度最大的發動機均采用成熟老舊型号改進而來,并且已經研制成功,研制一型新型号難度很小,研制成功隻是時間問題。對此,我們沒必要幸災樂禍,目前在航天領域,我們與美國的差距仍然很大,在長征9号系列運載火箭發射成功之前,我們仍然沒有嘲諷美國的資本。

總體來看,SLS火箭總體設計思路處處展現“可靠為王”的思路,總體上可以看成是由美國航天飛機助推器加主發動機組合拼湊而來,僅有芯級箭體需要重新設計,改動工作量遠遠小于全新研制,研制難度也同樣遠小于全新研制。

然而,就是在改動工作量這麼小的情況下,SLS blpck1型火箭卻仍然多次被芯級液氫洩漏問題困擾。這在一定程度上證明了此前報道:NASA(波音制造)人才流失嚴重,内部管理存在不少問題。

當然,從大環境來看,美國的産業空心化才是罪魁禍首,大量中低端産業都轉移到國外,導緻美國國内産業鍊不完整。産業空心化也導緻很多航天器所需的少量産品需要到全世界定制,成本自然居高不下。與此同時,也導緻美國大量理勞工才流失,隻要注意觀察就會發現,美國宇航局的大多數成員年紀都不小。據說美國航天技術人員平均年齡達到50多歲,相比之下,大陸航天技術人員平均僅有30多歲。

雖然不順,但SLS火箭小故障難不倒美國!成本反而是棘手問題

大陸航天科研人員大都很年輕

雖然不順利,但小小的液氫洩漏問題是難不倒美國的,反倒是成本才是大麻煩。

媒體報道稱,據估計,從2012财年到2025财年,NASA将為“阿爾忒彌斯”計劃花費930億美元;2021财年至2025财年,更需要花費530億美元。尤其是SLS火箭的單次發射費用超過40億美元,即便是财大氣粗的美國也難以承受,負責審計NASA項目的美國監察長辦公室在報告中将SLS項目描述為“不可持續”。

作為對比,大陸長征9号運載火箭花費要少很多。大陸航天局透露,長征九号首戰告捷,該火箭關鍵技術攻關及方案深化階段研制工作已于2019年圓滿結束,耗資15億人民币,800多項具體研制項目均在立項規定的經費總量和規定時間内完成了研制。

據了解,長征5号系列運載火箭單次發射成本大概是6.3億~7億元(約1.5億美元),即便成本增加4倍,長征9号系列運載火箭的單次發射成本也隻有31.5~35億元(約7.5億美元),遠低于美國SLS系列火箭。

雖然不順,但SLS火箭小故障難不倒美國!成本反而是棘手問題

長征9号運載火箭發射示意圖

中美的經濟實力差距遠沒有5倍,按照這種成本對比,美國SLS系列重型運載火箭的研制成本實在是太貴了,不利于将來中美航天競争。然而,對于美國來說,SLS系列重型運載火箭方案已經是盡可能簡化設計,盡可能采用成熟技術,成本已經難以繼續降低了,如果效仿長征9号從零開始研制,其研發成本必定更高,更不可行。如果未來美國仍然無法降低SLS系列重型運載火箭的研制、發射成本,最終大陸航天技術很可能将反超美國!

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