拿什么拯救你，我的SLS-技术圈

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。