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土星五号2.0?SLS火箭能不能挑起美国太空探索的重担

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sg001 发表于 2019-6-12 17:04:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
  太空探索的伙伴——SLS火箭
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  土星五号和SLS火箭的外观对比,左边为土星五号实拍图,右边为SLS火箭渲染图
  大约50年前,阿波罗计划和土星五号火箭都表明,人类想要探索太空,就必须竭尽全力面对挑战,以人类极限来面对浩瀚的太空,尤其是人类想要登上月球或者在月球长期定居,这更是一件值得挑战的事情。在月球和火星上建立一个持续存在的居住区将是本世纪人类最伟大的成就之一,在月球建造居民区或者完整的殖民地需要多领域合作,单一领域的创造是不行的。
  而对于美国宇航局来说,现在需要挑战的一大问题就是一个高效率的火箭。说起探索宇宙,大家可能会想到各国航天局,各式各样高性能的火箭,比如土星五号火箭和过去苏联的N1火箭,土星五号火箭曾经是美国宇航局阿波罗时代的辉煌,现在,土星五号已经退役,美国宇航局的新SLS航天发射系统将继任,SLS是自1960年初开始研究土星五号以来最强大的火箭。
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  SLS火箭升空渲染图
  SLS火箭的高度为97.5米,重量为250万千克,由三个航天飞机主发动机SSMES和两个固体火箭助推器SRB组成,它们可以提供380万千克的发射推力,以推动火箭的低级、级间和猎户座多用途载人飞船MPCV进入太空。
  在未来建造过程中,SLS将增加24米,SLS将在最低处增加两个RS-25发动机,这两个引擎也可以产生将近45万千克的额外推力,这将转化为130公吨的货物运载能力,几乎是第一批建造的SLS Block-1的两倍,最后一个版本的SLS火箭比土星五号的综合能力提升了109%。
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  SLS每一个版本的高度。以第一个版本SLS-Block1为例,从上到下依次是火箭发射逃逸系统,猎户座宇宙飞船,核心推进,底层低温火箭适配器ICPS,辅助固定火箭助推器等
  其实SLS在某种程度上,是一种模块化、多用途的飞行器,可根据任务要求进行多次配置,所以SLS也叫航天发射系统。美国航天局计划在早期使用较小版本的组合系统将货物和宇航员运送到近地轨道,主要是为国际空间站提供服务。之后的新配置可以支持地球轨道以外的空间的任务,包括到小行星带,月球或火星的任务。
  说到火箭,肯定不是谁高或者谁粗就是最好的,火箭的推力和性能还是要看引擎怎么样。未来每个SLS火箭配置都将使用带有四个RS-25发动机的核心级。而现在美国宇航局正在建造第一辆被称为SLS-Block1的SLS初代火箭,它将由两个五段式固体火箭助推器和四个RS-25液体推进剂发动机提供动力。到达太空后,配合猎户座宇宙飞船,临时低温推进级ICPS会将猎户座送入月球,另外,核心级的中间结构将携带276万升的过冷液态氢和液态氧来驱动发动机。
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  从这张图片我们可以看到,最下部是RS-25引擎,上方是核心级推进,核心级推进周围的是两个辅助推进级
  去年加利福尼亚州的Aerojet RocketDyne公司已经将16个RS-25航天飞机的引擎升级为SLS火箭所需要的引擎,包括一个新的发动机控制器,它可提供23万千克推力,在飞行中,这四个引擎可提供大约90万千克的推力。
  两个航天飞机衍生的固体火箭助推器将用于SLS的初始飞行。为了提供火箭所需的额外动力,Northrop Grumman公司也将原航天飞机的四个推进剂段配置改为五段式,该设计还包括新的航空电子设备,推进剂设计和外壳绝缘。
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  今年3月11日,Orbital ATK公司工程师正在检查和测试SLS火箭的两个核心助推级,Orbital ATK进行了两次极限高温测试
  对于SLS火箭的研究,美国宇航局和SpaceX的探索方法是如出一辙,他们都是先用模型机或者原型机研究,比如先研究引擎,研究设计组合,考虑安全性能等。
  SLS火箭的下一次升级版本名叫Block-1B号,它将使用一种新的、更强大的上层推进EUS方法,Block-1B型运载火箭可以在一次发射中携带猎户座载人飞船和探测系统,还有比如未来月球殖民地或者火星殖民地所需要的深空栖息居住舱。Block-1B型载人飞船可将约37吨重量的货物送上月球,包括猎户座及其机组人员。到时候看任务具体情况而定,发射时也可以只有货物。所以看到这里我们知道Block-1B和Block-1火箭相比,推力更大,还能携带额外载荷到月球。
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  SLS火箭升空渲染图
  随着更强大的Block 1B型火箭的设计和建造,计划采用这种配置执行更多的任务,Block 1B将是未来任务的主要组合方法。后续改进的两级配置将提供超过105公吨的提升能力,到时候会采用波音公司建造的上层结构,现在,波音公司目前正在为第一次和第二次SLS任务生产飞行硬件。
  最后一个SLS火箭是Block-2,它将提供1190万磅的推力,Block-2可以将货物运送到月球、火星和其他深空目的地的。SLS Block-2的设计目的是将超过45吨的货物提升至深空。
  看到这里,我们对美国宇航局SLS火箭的探索计划有了一定了解,其实美国宇航局是采用了循序渐进,逐渐深入研究的方式,根据任务需求来升级或者重组火箭。
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  美国宇航局EM-1任务将在今年7月开始,不是载人飞行,但是会前往月球
  距离我们最近的一次任务叫做EM-1,也就是探测任务-1,这次任务是SLS和猎户座宇宙飞船的第一次联合测试飞行,使用的火箭是Block-1型,时间大概在今年7月份,EM-2任务可能在2022年上半年开始,除了携带科学载荷和货物,还可能会携带两名宇航员。接下来,因为EM-2任务时间还未定,我们还是回到EM-1任务,Block-1火箭将携带猎户座飞船到离地球45万千米远的月球轨道上。EM-1任务团队除了需要布置猎户座宇宙飞船,还需要携带13颗大小相当于鞋盒的小型卫星,这些卫星将部署在深空。
  现在EM-1的发动机已经制造、测试并准备好连接到核心级。发动机安装完毕,核心级完全组装好后,美国宇航局的飞马座驳船将把整级运输到密西西比州圣路易斯湾附近的斯坦尼斯航天中心进行极限运行测试。然后,飞马座将运送整级到佛罗里达州肯尼迪航天中心的核心阶段,在那里它将进行组合测试,并最终发射。最新消息,Aerojet RocketDyne公司也已经完成了对EM-2的新控制器的测试,并开始开发新的先进部件,这些先进部件将使发动机在未来的任务中更便宜。
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  美国宇航局正在犹他州沙漠地区测试SLS火箭核心级引擎
  诺斯罗普格鲁曼公司也铸造了EM-1所需的所有助推器段,并开始为EM-2任务铸造助推器级。在美国宇航局肯尼迪太空中心,工程师们也在升级航天飞机助推器部件,以满足SLS的要求。列车将把助推器段从犹他州运送到肯尼迪航天中心,在那里它们将与其他助推器部件堆放在一起。助推器的航空电子系统正在肯尼迪和马歇尔进行测试。同步进行测试之后他们将都运送至肯尼迪太空中心进行最后的整合测试。
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  Orbital ATK公司工程师正在检查SLS主助推器的900多层绝缘材料的内径情况。绝缘用于保护外壳金属,使其在试验、燃烧或发射过程中免受推进剂燃烧产生的热量影响。
  为了减少成本和开发时间,美国宇航局使用了航天飞机和其他探索项目已经成熟的硬件,同时利用尖端工具和制造技术来建造SLS。硬件已经非常成熟,美国宇航局发言人曾表示:“RS-25是历史上测试最多的大型火箭发动机之一,它有超过3000次的启动次数,地面测试和飞行点火时间超过一亿秒。”火箭的某些部件是全新的,SLS火箭的部分功能也已经升级成更智能化的操作,以满足具有挑战性的深空任务的需要,这需要比使用其他现有火箭更高的运载火箭性能水平。
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  Orbital ATK公司工程师正在检查SLS火箭的航空电子设备
  SLS有来自美国各地的1000多家公司的支持,美国宇航局的每个太空中心都正在全力支持世界上最强大的火箭的开发。美国宇航局的SLS火箭足够强大,可以将猎户座飞船送至月球以外。在EM-1任务中,猎户座号将在深空飞行超过280000英里,未来,人类在太阳系的足迹会越来越远。
  承载宇航员的梦想——猎户座宇宙飞船
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  去年11月,美国宇航局和洛克希德·马丁公司的工程师为猎户座飞船安装了有史以来最大的热屏蔽系统
  想要探索深空,只有一个给力的火箭是不行的,火箭需要运载一些科学载荷,宇航员和其他观测设备,而与SLS火箭搭配的好朋友就是猎户座宇宙飞船,猎户座宇宙飞船其实就类似于阿波罗计划中的月球模块,所以也有朋友说它是阿波罗月球模块2.0。宇航员们将在这里生活,还需要在这里工作,未来,这个相比于火箭来说较小的模块会越来越重要,因为未来深空旅行时间会越来越长。接下来我们就来说一说和SLS Block-1一起测试(EM-1)的猎户座宇宙飞船吧。
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  美国宇航局猎户座宇宙飞船内部结构图,除了可以容纳4至6位宇航员,还可以放其他货物
  猎户座宇宙飞船尺寸为3.3米×5米,可以容纳4到6名宇航员。其实在2010年的时候猎户座就已经有原型了,但是当时因为其他原因被迫终止,猎户座还在2014年12月5日进行了第一次飞行测试任务。猎户座宇宙飞船作为现代宇宙飞船,它拥有极高的安全系数和更大的容纳空间。
  SLS的第一个版本——SLS Block 1——是第一个能够将猎户座航天器送上月球的运载工具。SLS的下一个版本-Block 1B-可以携带猎户座和额外10吨以上的有效载荷到月球。这种额外的能力能够建立月球表面的基础设施,以及每一次猎户座发射所需的后勤保障。
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  美国宇航局EM-1 SLS火箭和猎户座宇宙飞船
  本次猎户座宇宙飞船加入了独立的推进系统,热防护保护系统,维生系统,新的操作系统等等,可以说是安全又方便。除此之外,猎户座飞船和阿波罗飞船一样都支持降落伞水中降落。未来,可重复使用的猎户座飞船会载着宇航员的梦想走向太阳系远方。
  关于猎户座宇宙飞船的重量很多朋友都认为它实在太重了,任务应该用更轻的宇宙飞船来完成。其实设计用于将宇航员运送到国际空间站的Dragon-2飞船和波音CST-100星际飞船每艘重量也在18至20吨之间,这还不包括进入月球轨道和返回地球所需的额外燃料。
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  美国宇航局EM-1任务补丁,任务图标
  猎户座宇宙飞船的设计是用于深空导航和进行连续制导通信的,未来猎户座宇宙飞船还有用于维持长时间深空任务所需的消耗品,卫生系统,猎户座的安全系统能够紧急支持宇航员的应急活动,以便在紧急情况下将登月人员返回地球。
  所有这些子系统都带来了额外的质量,然而,它们对于将人类运输到深空并在那里长时间工作是必要的,而低地球轨道航天器则不太需要这些系统。
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  洛克希德·马丁公司猎户座副总裁兼项目经理迈克·霍斯和NASA猎户座项目经理马克·基拉希的合照,他们站在EM-1猎户座船员舱前面。
  美国宇航局与SpaceX的相同目标,不同路
  自从SpaceX太空探索公司的重型猎鹰运载火箭在几个月前试飞以来,许多人质疑,当商用火箭标榜价格便宜时,为什么美国宇航局还需要研究SLS,SpaceX比较纠结每磅需要花多少钱进入轨道。然而,在真正的深空任务需求背景下,每磅价格的比较实际上毫无意义。为了开始在月球建造下一个人类居住区,我们需要发射机组人员以及维持人类生命数个月以上所需的生命保障系统和物资。根据不同星球,我们还需要启动许多基础设施。
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  美国宇航局SLS火箭与SpaceX的猎鹰重型火箭
  实际上衡量深空飞船火箭或者是飞船有两个部分,第一个是航天器的质量性能,也就是科学有效载荷能力,第二个就是体积参数。SLS Block 1试验机可以发射约95Mt到近地轨道,而猎鹰重型可以发射约64Mt到近地轨道。其实近地轨道性能并不是深空任务需求的正确的衡量标准。一些发射系统的设计使LEO具有高性能,但对于LEO以外的深空任务则没有效率。此外,SLS Block 1不是用于比较的最终版本,因为它是一种试验火箭。未来的探测任务发射将利用SLS Block 1B区。因此,一个更准确的性能比较是SLS Block 1B可以发射约40 Mt科学有效载荷到月球,而猎鹰重型只能向月球发射约20公吨。
  另外,SLS 1B整流罩有537立方米,是猎鹰重型整流罩的3倍多一点,大家知道整流罩的大容量是非常非常重要的,因为有些系统不太适合分零件运输和空间外组装。SLS Block 1B的整流罩区域可发射一个约40公吨的栖息地,可供月球使用约270立方米。
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  SLS火箭将执行多项任务,随着后续升级和组合,SLS火箭也会变得更强大
  看到这里我们已经知道在深空任务中比较每磅的价格就没有意义了。假设一次完全可消耗的猎鹰重型火星发射成本为1.5亿-2亿美元,4-6次猎鹰重型发射的基础设施运输到深空的总比较价格将为6亿至12亿美元,而SLS Block 1B发射的基础设施运输成本为500-1000万美元。之后SLS火箭运送方法和定价类似,但风险会更小,因为4-6次发射任务都需要100%成功,这是SpaceX不能保证,与SLS单次发射相比,风险会显著增加,在装配许多部件的操作中也存在风险。
  关于将人类送入深空执行长期任务,目前,SLS和SpaceX的星舰是能够满足固有任务要求的运载工具。SLS和猎户座从第一天起就被设计用于载人登月和火星任务。SLS已经降低了人类额定设计限制的风险,以及国家对生产线的维护承诺。
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  SLS火箭未来的变化
  相对于我们现在所熟悉的,人类在深空的活动总是困难和高风险的,性能和任务要求推动对创新、尖端技术和工程解决方案的需求,以应对性能和安全方面前所未有的挑战。为探索和商业发展而开放月球和太阳系,空间机构、政府和私营机构以及工业界都必须一起合作,多领域合作才能早日实现这个目标。
  接下来,用最后一组图片,看一下未来的深空火箭SLS吧
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