技术派｜“史上最强”登月火箭SLS首飞，却有点生不逢时

美国当地时间11月16日，举世瞩目的美国SLS重型火箭在肯尼迪中心发射升空。

这是美国重返月球计划“阿尔忒弥斯”的首次发射任务，SLS火箭自2011年开始研制，历经十一年，首飞时间一推再推，可以说是“十一年磨一剑”。然而， SLS火箭有点生不逢时，其在美国未来的深空探索体系中地位并不稳固。

SLS火箭仍然是目前世界上重型火箭发展的标杆之作。

从“土星五号”到SLS火箭

SLS重型火箭将填补1973年“土星五号”退役后美国重型火箭长达近半个世纪的空白。从“土星五号”到SLS火箭，美国重型火箭的发展走过了一条曲折坎坷的道路。

阿波罗载人登月计划的成功是美国宇航局（NASA）最高光的巅峰时刻，但这一巨大成就也让美国民众和议会放松了对NASA的支持。NASA此前享受到的是“所求即所得”的按需分配待遇，此后得到的待遇是预算一路下滑，新的航天计划必须量力而行。由于预算从巅峰时刻断崖式下滑，NASA放弃了同时推进航天飞机和空间站的计划，即使是20世纪70年代最优先的航天飞机项目，指标和设计也不得不一再缩水。航天飞机最早曾计划改进“土星五号”火箭的第一级作为第一级，这样的方案继承性好、性能强而且安全性最高，但研发使用成本也最高，预算压力下只能变成捆绑大型固体助推器的方案。

NASA在航天飞机项目上彻底告别土星五号的技术，不仅为日后无数登月阴谋论者提供了素材，更重要的是航天飞机运载能力只有29.5吨，这个运力对发射普通卫星或是空间站舱段绰绰有余，但对于载人深空探测却心有余而力不足。载人火星探测方案需要把上千吨的载荷发射入轨，而且其中不乏上百吨的单一模块，这些模块不可能拆成20吨级小模块交给航天飞机发射。

幸亏航天飞机本身就是一种入轨质量上百吨的大型航天器，以它的先进推进技术为基础，就能衍生出百吨级运力的重型运载火箭。苏联已经有能源号重型运载火箭珠玉在前，美国的航天飞机衍生运载火箭（SD-HLV）概念也始终是重型火箭方案的首选。从早期的航天飞机-C方案到“星座计划”下的“战神一号”以及现在即将升空的SLS重型火箭，概念上都属于SD-HLV一族。不过对比苏联的“能源”号火箭，SLS火箭首飞可是晚了30多年，NASA预算本来就捉襟见肘，发展路线又举棋不定，导致项目起了个大早赶了个晚集。从“土星五号”到SLS重型火箭，NASA来回折腾的苦涩只能说如人饮水冷暖自知了。

SLS火箭目前主要用于发射“猎户座”载人飞船。

重型火箭的标杆

2010年，时任美国总统奥巴马取消重返月球的“星座计划”，但美国国会力保下不仅“猎户座”飞船幸存下来，“战神五号”火箭也摇身一变以空间发射系统（SLS）的名字继续推进。相比“星座计划”下为登月服务的“战神五号”火箭，SLS火箭虽然同为SD-HLV概念，但设计方案也有了很大变化。NASA作为人类航天的执牛耳者，它的SLS火箭在技术和性能上仍然是人类重型火箭的标杆，俄罗斯等航天大国在研或计划研制的重型火箭，都深受其影响并以赶超SLS火箭的性能作为目标。

SLS火箭计划分两阶段发展，SLS第一阶段的目标是发展出SLS Block 1火箭，使用航天飞机贮箱衍生的8.4米大直径贮箱，并使用航天飞机主发动机（SSME）作为芯级发动机，还捆绑两枚航天飞机技术衍生的固体助推器，只有过渡性上面级（ICPS）直接使用Delta IV火箭的第二级（DCSS）。SLS Block 1火箭的近地轨道运力70吨级，同时具备将大于27吨的载荷送入地月转移轨道（TLI）的能力。NASA后来表示SLS Block 1火箭的近地轨道运力是95吨，不过此举除了排行榜好看外并没有实际意义，毕竟这种火箭唯一的用途就是发射约27吨重的“猎户座”载人飞船。

SLS第二阶段发展目标是研制出SLS Block 2型号，但后来又出现了过渡性的Block 1B火箭。第二阶段的核心是新研制的大型低温上面级，它后来被称为探索上面级（EUS）。EUS使用8.4米直径的液氢贮箱，推进剂比5米直径的ICPS/DCSS多好几倍，它还使用4台RL10C-3氢氧发动机提高推重比。EUS的使用让SLS Block 1B火箭的近地轨道运力提高到105吨，而关键的TLI运力提高到38吨（载人）/42吨（货运），比SLS Block 1火箭运力提高了十几吨，为满足更大的需求奠定了基础。NASA还有继续研制SLS Block2的想法，它还将换上性能更强大的固体助推器，TLI运力对应增加到43吨和46吨，据称近地轨道运力可以提高到130吨级。SLS Block2火箭超过了“土星五号”当初的118吨低轨运力，并为未来载人火星任务发射大型模块奠定了基础。  

SLS火箭采用分阶段发展的方式，提高运载能力。

 时过境迁后地位堪忧

1981年航天飞机首飞成功前后，美国就有发展SD-HLV的想法，但直到2005年“星座计划”才正式上马，而2010年前提出的“战神五号”火箭却还停留在纸面上。2011年美国国会推动下SLS火箭正式启动研制，最初目标是2016年12月开始发射，这样2013年航天飞机退役后，美国载人航天只有3年的空窗期。

SLS火箭看起来只是航天飞机成熟推进技术的再利用，但火箭设计从来不是搭积木那么简单，SLS火箭的研制遭遇了很多技术问题和意外。SLS火箭成本上涨和进度滞后的主要原因在于波音公司负责的芯级研制生产进度严重滞后，SLS火箭沿用航天飞机上的8.4米直径贮箱，而不是“战神五号”另起炉灶造10米直径贮箱，但实际研制中发现，SLS火箭贮箱是轴向承力，贮箱受力结构和侧向承力的航天飞机外贮箱完全不同，再加上SLS火箭设计要求的不同和对安全性的苛刻追求，最终研制的几乎是全新的推进剂贮箱，只不过直径都是8.4米而已。屋漏偏逢连夜雨，之后项目又遇到了米丘德装配厂房（MAF）遭受飓风袭击、MAF垂直装配塔的错位和焊接技术等一系列问题，导致研制进度滞后，2020年开始又叠加新冠大流行的冲击，导致研制进度和首飞时间不断推迟。据不完全统计，SLS火箭的首飞时间先后推迟了至少16次之多。

SpaceX公司的“星舰”是SLS火箭的最大对手。

如果SD-HLV能在20世纪80年代服役，自然会是美国航天事业的宠儿，然而，时过境迁，虽然SLS火箭的性能和技术仍是顶尖水平，但它在美国未来载人深空探索中的地位却不稳固。在“阿尔忒弥斯”登月计划中，SLS重型火箭只用于发射“猎户座”载人飞船和“门户”月球空间站的10吨级小舱段，而登月舱已经选择了SpaceX公司的登月“星舰”方案。其实，“星舰”本身具备载人能力，这种情况下还用SLS火箭发射“猎户座”飞船，更多是给过去十几年的巨额研制预算一个交代。从这个角度看，即使SLS火箭首飞失败，只要“星舰”能在2024年左右投入使用，美国预定2025-2026年重新载人登月的目标都不会受到多大冲击。

SLS重型火箭在载人登月等任务中受到新一代运载工具星舰的挑战，为了保住项目的后续推进，目前波音公司正在极力推销多用途的SLS火箭。2021年公布的手册中提到，以SLS Block1火箭的整流罩体积为标准，SpaceX公司的“猎鹰”重型火箭可用体积只有它的0.7倍，而SLS Block 1B是它的4倍，SLS Block 2更是增加到6倍。SLS火箭提供了目前最强大的运载能力和整流罩空间，减少了复杂的在轨组装等操作，降低了任务风险，这让它在载人登月，载人登火，深空探测，大型空间望远镜以及发射军用卫星上都有用武之地，但SLS火箭还是太贵了，前景不妙。