拿什么拯救你,我的SLS

卫星与网络

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2021-01-24 16:29


    北京呼风唤雨文化传媒有限公司



试车介绍视频,视频内介绍有错误但不影响核心事实


当四台RS-25引擎第一次同时点火时,或许没有人想到已经在测试台上站了一年多的大橙罐首次测试,会在仅67秒后匆忙结束尽管NASA署长布里登斯在测试后的发布会上一再强调本次点火仅为测试,出现问题再正常不过,但显然任期已经接近尾声且还是“自断后路”的布里登斯现在所能做的,也仅是给早已被各类问题淹没的SLS火箭留下点“正能量”罢了。这用大量美国航天飞机时代留下的硬件科技,原本计划在2018年年底首飞的巨型火箭,恐怕今年都无法离开发射台了。



到底是哪里出了问题了呢?简短的来讲,从诞生伊始。事实上早在SLS项目开始时,便有航天爱好者戏称SLS不是“太空发射系统”(Space Launch System)而是“参议院发射系统”(Senate Launch System)的简称。原因是航天飞机退役后,其背后的生产测试线等也将关闭,州内有NASA测试设施的国会议员,比如阿拉巴马州,密西西比州和佛罗里达州参议员自然不乐意,因为这意味着他们的选民将因设施关闭而丢失工作岗位。于是乎为“安抚”国会,采用从航天飞机上继承下来的硬件,可以保留下设施的持续运转和周边整体的产业链,给参议员们连任留下竞选资本的SLS便诞生了。比如本次测试的“斯坦尼斯太空中心”(Stennis Space Center)便是在密西西比州的汉诺克郡,密西西比州的参议员Cindy Hyde-Smith更亲临现场观看测试。马歇尔航天中心(Marshall Space Flight Center)所在的阿拉巴马州,该州参议员Richard Shelby更是一个SLS的坚定拥护者,身为参议院拨款委员会主席的他一直主张砍NASA商业航天经费给SLS补贴



然而问题是适合航天飞机,或者说适合“太空运输系统”(Space Transport System)的硬件并不一定适合SLS。不了解针对近地轨道设计的STS整个架构的原因,这个也要那个也要的拼凑给用来深空探测的SLS,结果便是耗时耗力却达不到目标,SLS更像是政客主导设计而不是航天工程师主导设计的火箭。哪怕不看高昂的造价,SLS以其设计目标来衡量都是用错了硬件的火箭。



RS-25是人类有史以来造过的效率最高的引擎之一,但其本身提供的推力并不高。事实上一台RS-25海平面的推力为470800磅及2.09MN(兆牛),3台总共6.27MN,梅林-1D一台海平面推力为0.854MN,9台共计7.686MN。也就是不算上固推,其实STS三台引擎给的推力还没有猎鹰9的第一级高。



事实上STS的三台RS-25和SLS的四台RS-25甚至都无法提供高于自身重力的推力从发射台上起飞,这才需要两个助推来提供额外的推力。SLS所使用的固体燃料火箭是有史以来推力最大的,每个海平面都有惊人的14.6MN(3.28Mlbf),仅两个助推便超过了重型猎鹰27台梅林-1D的海平面推力总和(23.06MN)。



单独听上去这些数据好c像很给力的样子,但这两个极限的组合在近地轨道STS上行得通,到目标深空的SLS上可就行不通了。从一个轨道变换到另一个轨道需要的速度变化也就是常说的dV,而只要载具离开了底层稠密的大气,单纯的推力便不是决定dV的关键要素,比冲,或者说引擎能维持多长时间的推力也都将是需要综合考虑的指标。



从牛顿第二定律得知,推力等于质量乘以加速度,也就是质量乘以速度的导数。等式两边同时乘以dt然后再积分,得到:



也就是达到同一个总速度变化dV,需要的是推力在特定时间内的积分。换句话说便是推力只有一半的火箭引擎,若能维持原来两倍的时间,其所产生的速度变化是一致的。也就是说如果牺牲一部分推力进而换取更长的作用时间,载具将会获得更大的速度变化。举例而言,STS的固推有24MN的推力,但其燃烧时间仅为127秒,三台RS-25只有6.27MN的推力,但其燃烧时间为整整510秒。虽然在发射不同阶段推力会有所调整,不过为展示时间差别的影响以简单相乘预估,固推总共提供24*127=3048MNs的动量,三台RS-25总共提供了6.27*510=3197MNs的动量,反而后来居上了。且由于火箭是变换质量的系统,根据动量守恒定律,还要计算入引擎喷射气体的质量dm和喷射速度u的积分,更长的作用时间该积分也会更大。



RS-25的优势是持久,在STS上有意义在于单级入轨三台RS-25要把自己的质量也送上去,所以需要引擎提供长时间的推力。然而两级入轨的SLS的第一级预计点火时间为480秒,RS-25还没能展示出持久性的优势后,就已经成为需要被抛弃的额外质量,SLS整个第一级是典型的推力过剩设计,并没有使用RS-25的必要



有趣的是到第二级上,SLS则完全反了过来成了推力不足了。现在Block1所使用的ICPS只有一台RL-10引擎,哪怕到EUS上使用的RL10C-3,虽能维持很长的燃烧时间,但推力很小只有108kN(24340lbf,仅有10吨左右)。对于发射地球卫星和轻型深空载荷的宇宙神V和德尔塔IV火箭来说,推力小但持久的组合并没有太大问题,但到重型深空载荷上就另说了,原因是载具越重,重力损失越大。



看嫦娥5号任务轨道示意图的人或许都有个疑问,为啥从地球去月球不直接去,而是要绕地球一圈走个8字去月球。这其中的一个原因便是重力损失,如果直着飞过去,重力(白色箭头)和引擎推力(蓝色箭头)恰好是完全相反的方向,等于浪费了很大的推力用来克服重力,实际的净推力(红色箭头)远不及引擎推力。



相反如果先绕着地球走,在地球轨道时重力和推力的方向互相垂直没有影响,变轨时重力和推力有一个夹角,只有一部分重力作用在推力相反的方向。也就是离开地球轨道时,载荷实际的推力是引擎提供的推力减去重力损失。



所以之前的积分公式需要进行细微的修改加入重力G,发射载具越重G越大。



根据积分的加减法则可以把G拉出积分单独计算:



可以看到尽管时间长能提供更多的力(F)积分,但也会造成更多的重力损失(G)积分。和RS-25类似RL-10一样是通过较低的F和较长的时间来达到所需的dV积分,那么根据公式其重力损失积分也更多。所以尽管SLS Block 1上使用了高比冲的氢氧引擎,但其实际能送到月球的质量为26吨,并没有比使用煤油的重型猎鹰的22吨高出很多。梅林-1D真空的引擎推力有981kN,是RL-10的8倍之多,虽然能维持的燃烧时间短了很多积分范围小了,但也意味着重力损失积分范围也小了,同样的速度dV积分下所能运送质量m并不会少很多。


SLS Block 1B,清晰可见4台RL-10


SLS在Block 1B上为弥补推力不足的缺陷,新的第二级火箭EUS(探索上面级)上要同时使用四个RL-10-C3引擎,但预计最早也要2026年才能投入使用且根据波音现在在SLS上的延迟,EUS能否真的按时完成研发还要打上一个大大的问号。SLS第二级推力不足的问题在短时间内依然不会有解决方案。讽刺的是SLS遇到的问题,早就被NASA上一次登月的最大功臣冯布劳恩提出过。固体燃料火箭在建造和推力上虽然简单,但在整个火箭系统上并不适用,用推力过剩的固推第一级和推力不足的液体燃料第二级构成火箭,恐怕会是冯布劳恩最不想看到的设计。



经过10年耗资186亿美金的研发,SLS却处在一个非常鸡肋的位置,或许从其诞生伊始便已经注定了现在的情况。完成研发需要更多的资金和时间,哪怕完成了也是一个单次发射就要耗资20亿美金的吞金巨兽。但若取消研发不仅过去的投资全都打了水漂,月球门户空间站更成了问题,重型猎鹰虽有足够运力把各个空间站模组送入月球轨道,但并不够发射26吨重的猎户座飞船,无法去的空间站和空中阁楼无异。至少在SpaceX的星舰飞入太空前,SLS都是把月球门户绑死的火箭。随着新总统拜登就职和民主党时隔六年重获参议院多数,身为共和党人的Shelby将从拨款委员会主席位置上退下,SLS也将失去在美国国会中最大的支持。伴随着本次测试非常不理想的结果,新的拜登政府势必会再次审视这跨越三任总统的NASA旗舰项目。是继续研发,还是再在SpaceX身上赌一把,亦或是双管齐下,不管怎样SLS的未来都不明朗。



如果说SLS项目证明了什么,那便是任何火箭都首先是一个系统工程,绝非单独的推力比冲等性能的对比和拼凑,先有目标再有火箭再有的引擎。把上述的优先级反过来执行,结果只会再次重复SLS走过的错误道路。


END


本文转载自“航天爱好者”,原标题《拿什么拯救你,我的SLS》,文 | 土星V号

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