SLS终于首飞,各种疑问接踵而来

2022-11-17 星期四
重返月球真不易,一等就是半个世纪。这一天终于扑面而来。担纲发射阿耳忒弥斯首个任务的太空发射系统(SLS)最终摆脱了重度拖延症,挣脱了地心引力,今夜直指星空,顶着猎户座飞船奔向月球,开启21世纪人类重返月球的第一步:首次不载人环月之旅。
细说任务之前,不妨先欣赏下一组绝美发射硬照▼

●发射过程都有哪些料?
此次发射堪称十年磨一箭,确切来说是11年,从2011年航天飞机谢幕年开始启动SLS项目,一直到2022年的今天。最初计划2016年底首飞,结果却由于一次次技术问题、预算超支、政治摆布、管理不善、恶劣天气等等原因,导致一路高鸽猛退,一拖再拖,光是今年就曾虚晃多枪,多次临阵下马。即便今天逼近两小时发射窗口期,还是冒出两段小插曲,先是移动发射塔液氢补充阀出现间歇性泄漏,后来又遭遇雷达监测站点以太网交换机出现故障,还好急速派人及时搞定,最终等来一飞冲天的这一刻。
位于美国黄金发射位——佛州卡角肯尼迪航天中心39B,比邻SpaceX发射主场39A,这里曾是20世纪阿波罗登月的原发地,也是21世纪重返月球的新发地。当地时间即美国东部时间11月16日凌晨1点47分(北京时间下午14点47分),NASA新一代月球火箭SLS终于磅礴而起,幻化成巨龙一飞冲天,遨游星空,奔向月球。

▲SLS首次发射官方影像(来自NASA)
具体看看发射过程:当发射升空1分10秒之际,SLS飞升至12.9公里,穿过最大空气阻力点(Max Q)。T+2分12秒,两枚侧翼固体燃料助推器(SRB)与主火箭分离,此时SLS主火箭正以1417米/秒的高速穿过48公里高度;约一分钟后,主火箭进入空气稀薄的大气层上方,用于保护猎户座飞船的三片整流罩安全脱离,紧接着用于紧急逃生的发射中止系统(LAS)同样抛离。随后主火箭开始持续性点火推进几分钟,目标指向1805公里的远地点。抵达这一远地点,会为SLS上面级(ICPS)和猎户座飞船(Orion)提供足够大的动能,只需两次点火推进即可到达月球轨道。T+8分04秒,主火箭4台发动机RS-25关闭(MECO),14秒后主火箭第一级与上面级和猎户座飞船分离,T+18分20秒开始,猎户座飞船展开4扇太阳翼,这一部署过程耗时12分钟。
SLS的上面级又称ICPS(Interim Cryogenic Propulsion Stage临时性低温推进级的缩写),由联合发射联盟Delta IV火箭家族中的超低温二级发动机略微改装而成,采用单台RL-10-B-2发动机提供动力。T+51分22秒启动这台发动机,22秒后关闭。T+1小时27分,再次点火,这次持续长达18分钟,将猎户座和上面级从28160公里/小时提升到36210公里/小时。T+1小时55分,猎户座与上面级(ICPS)分离操作,随后猎户座(包括欧洲服务舱)进入地月转移轨道(TLI),进一步脱离地球引力,开启奔月之旅。T+3小时30分,SLS上面级(ICPS)最后一次点火,将自己送至日心轨道,独自遨游太空。SLS首飞任务的整个发射环节就此结束。

●接下来的月球之旅如何安排?
猎户座飞船将有五天时间飞赴月球,预计美东时间11月21日进行一次快速飞掠月球,最近距离月表不到96公里。之后耗时三天进入远距离逆行轨道(DRO)。发射第11天,猎户座有望打破阿波罗13号飞船曾经创下的距离地球最远纪录。在远距离逆行轨道飞行几天后,猎户座将抵达距离地球45万公里的最远端,由此创下载人航天器飞离地球的最远纪录。同样是在最远点,猎户座开启返航之旅,最后一次飞过月球,之后在发射第25天,将以每小时4万公里的速度再入大气层,再入阶段猎户座飞船隔热罩需要经受住3000开尔文(2727摄氏度)的高温考验,显然猎户座飞船承受的风险高于SLS的发射风险。预计12月11日,锁定在圣地亚哥海岸外的太平洋溅落。为期25天的Artemis I任务就此收官。
●为何设定远距离逆行轨道为目标轨道?
所谓远距离逆行轨道(Distant retrograde orbit,简称DRO)是一种稳定存在的圆形逆行轨道,通常就是指月球远距离逆行轨道,这是一种轨道半径约为61500公里的高月球轨道,最突出特点是该轨道上的航天器在轨运行期间不需要轨道保持。因此被认为是地月空间中重要设施的地月空间站的潜在停放轨道,于是这一概念在2017年由NASA深空门计划(Gateway)提出,而重返月球即阿耳忒弥斯计划的重要一环便是深空门,建立永久性的月球空间站。本次环月任务重头戏就是让猎户座飞船亲自进入该轨道体感一下,收集第一手数据,为后续搭建深空门探路。

●什么是SLS?
英文全称Space Launch System,直译为太空发射系统,是NASA主导的重返月球计划(阿耳忒弥斯计划)官方指定的发射载具,这是基于航天飞机发射系统技术自2011年以来研制多年的超重型运载火箭。SLS旨在成为退役航天飞机的继任者、NASA深空探索计划(登月登火)的主运载火箭。
作为SLS首次发射,此次动用第一个版本火箭(SLS Block 1),该款箭高97.84米,直径8.4米,三枚捆绑火箭总宽度15.8米,发射质量2605吨,起飞推力3992吨,采用两级推进模式,两枚固体燃料火箭(SRB)提供75%的推力,核心级主火箭由四台航天飞机时代的RS-25发动机提供其余25%推力。SLS发射阶段产生880万磅推力,这是迄今为止美国宇航局制造的最强大火箭之一,起飞推力甚至超过土星五号,一举打破土星五号780万磅保持了半个世纪的纪录。并且SLS一跃成为全球现役最强大火箭,运力超出SpaceX重鹰火箭一大截。
不过SLS也有明显硬伤,它属于航天飞机时代发射系统的衍生品,传统航天时代技术的旧代表,并且由波音、ULA、诺斯罗普·格鲁曼、洛克达因这些美式国企联手炮制,每次发射费用高达41亿美元,光是开发费用就已投入118亿美元,预计到2025年首次载人任务之际,总预算将超过350亿美元。随着SLS升级版本、Artemis后续任务跟进,很显然这是一个超级烧钱项目。
●SLS与其他超重型运载火箭比比看?

看得出来,中美俄超级火箭正在上演深空版「三国杀」,锁定月球,瞄准火星。目前呈现的是三角态势:美国抢先一步,凸显先发优势;中国紧追不舍,自制大招;俄国心比天高,眼高手低。地球早已装不下大国间竞争,月球、火星等深空才是更大的未来空间。

●SLS与星舰是啥关系?
简单来说,目前是竞合关系,未来可能是替代关系。我们知道,按照目前重返月球路径规划(见上图):SLS+猎户座飞船+登月星舰。不难看出BUG——既然星舰被指定为首款载人登月器,到时候当然具备往返地月间运输能力,却为啥不让登月宇航员直接搭乘星舰一步登月,非得不嫌麻烦搞换乘模式?
说白了,一旦选择星舰一步登月模式,就意味着彻底抛弃SLS+猎户座飞船,这等同于斩断SLS背后庞大既得利益链,无异于挥刀自宫。
不过,NASA决策层也不都是吃干饭的。NASA之所以选中星舰作为载人登月器,还有一个暗线没有挑明,这就是登月版星舰一旦获得可靠性技术验证,就意味着NASA可以彻底享用「登月一体化」,因为从发射升空到进入月球轨道、再到着陆月表,星舰系统完全有能力提供一条龙承运服务,也意味着NASA同时拥有两条登月路径:一条由星舰系统打通;另一条是SLS+猎户座飞船+登月星舰构建,这不仅有效分摊风险,而且执掌主动权。这可能是最乐观的预期,现实往往没那么美好。而另一种可能就是被航天巨头把持的SLS+猎户座关键时刻掉链子,或者一再难产,甚至半路夭折,这时候就轮到了星舰系统力挽狂澜,成为阿尔忒弥斯整个任务顶梁柱的荣耀时刻——因为重大机遇都是为实力派准备的。

●什么是Artemis I任务?
Artemis I翻译成中文就是阿耳忒弥斯一号任务,也就是NASA主推的重返月球计划——阿耳忒弥斯项目第一次任务。主要目的是执行首次无载人环月飞行,为下次载人环月任务(Artemis II)做实地演示。
●Artemis I 后续任务是什么?
Artemis II:阿耳忒弥斯二号任务,首次载人环月飞行,搭载四名宇航员及诸多航天器进行环月飞行,继续使用太空发射系统第一组块(SLS Block 1)发射,目标发射时间2024年5月,任务时间~10天。
Artemis III:阿耳忒弥斯三号任务,首次载人登月任务,搭载两名登月宇航员,换乘登月星舰执行首次登月任务,目标着陆点月球南极地带,阿耳忒弥斯计划登月第一人将安排NASA女性宇航员。此次任务还是使用太空发射系统第一组块(SLS Block 1)发射,目标发射时间2025年,任务时间~30天。
Artemis IV:阿耳忒弥斯四号任务,第二次载人任务,搭载4名宇航员进入深空门(也是欧空局首次派出宇航员),之后执行登月任务。同样使用太空发射系统第一版本(SLS Block 1)进行发射,目标发射时间2025年。
Artemis V:阿耳忒弥斯五号任务,第三次载人任务,同样搭载4名宇航员进入深空门,之后执行登月任务,登月宇航员将首次使用非加压月球车。此次发射任务将首次使用太空发射系统第一版本B款(SLS Block 1B)进行发射,目标发射时间2028年。
Artemis后续任务计划每年发射一次,采用运力更强大的太空发射系统第二版本(SLS Block 2)进行发射,逐步建立可人居的移动平台、永久性月球南极基地。

●既然NASA早在50年前就已登月,为啥重返月球还那么难?
简单来说,因为发展目标不同。阿波罗计划是冷战时代的产物,是美苏太空竞赛期间美国举国之力的主导项目,出发点基于政治目的。而如今,NASA主导的重返月球计划,出发点基于实际开发,以开发月球资源和建立月球基地为目的。所以,跟当年插旗宣扬国威相比,其复杂程度是阿波罗计划没法比的。要想搞成一项超级太空项目,绝不是光有钱有技术就能一蹴而就的,而是各种力量综合才能造就的。
●为啥人类还没登上过火星?

为啥NASA总在登月与登陆火星之间游移不定?来看一部短片,破解背后的真实原因▼

能不能登上火星,其实要看这些人的脸色

这是政治短期利益损害航天长远利益的结果。再补充说明一下,之所以人类还没登上火星,真正缺少的是竞争,大国之间刺激性竞争。

想想看,如果没有美苏争霸、太空竞赛,就不可能有50年前的阿波罗登月,至少不可能在短时间内实现登月。

这都是竞争的结果。如今,貌似群雄并起的时代,也许正是太空探索的最好时代。


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