沒想到SLS登月火箭是「扶不起的阿斗」,看來長征-9要和星艦PK了

2022-09-28     彧蔚

原標題:沒想到SLS登月火箭是「扶不起的阿斗」,看來長征-9要和星艦PK了

美東當地時間9月26日夜間,美國新一代SLS超重型登月火箭受颶風天氣影響,被迫從L-39A發射塔台推回VAB垂直總裝大樓。這也標誌著接連三次因為各種原因推遲、或者取消發射的SLS超重型登月火箭,在此前因為燃料加註泄露、重複加註再次泄露、颶風影響後,終於不再傲氣、選擇推回甘迺迪航天發射中心垂直總轉大樓,擇機選擇11月12日再次發射。

而這也意味著SLS登月火箭如果10月份不能再次選擇合適時間推出、並發射成功的話,美國NASA主導的SLS登月火箭項目就要徹底拜拜了。因為近日美國SpaceX太空探索技術公司執行長埃隆馬斯克,已經正式對外公開表示,SpaceX最新研製、並已試驗多次的星艦和超重型助推器的首次軌道試飛任務,最快可能會在10月底前發射升空,最遲也會在11月份發射升空。而這也就意味著如果NASA主導的SLS登月火箭,在11月13日到來之前不能發射升空的話,等到SpaceX旗下的星艦成功發射後,可就真的沒SLS什麼事了。

畢竟從性能來說,星艦全面碾壓SLS登月火箭,比如近地軌道運載力方面,載人版本的SLS超重型登月火箭近地軌道運載力才95噸,還不如60年前的土星五號登月火箭近地軌道運載力強。反觀SpaceX旗下的星艦金地軌道運載力100噸,後期優化後可以提升到150噸級以上,繞月軌道運載力也有80噸以上。

當然SLS等貨運版本近地軌道運載力高達130噸級,繞月軌道運載力也超過80噸以上,但放在量產版本的星艦面前,仍然優勢全部沒有。因為按照SpaceX公布的計劃參數來看,未來量產版本的星艦,近地軌道最大運載力將高達250噸以上,繞月軌道最大運載力也將超過100噸以上,畢竟其最大起飛推力高達7500噸,遠不是最大起飛推力還不到4000噸的SLS可比擬的。

同時相比SLS登月火箭發射一次成本高達41億美元不同的是,星艦的一級超重型助推器是可以和此前多次發射成功的獵鷹-9一級火箭一樣,垂直回收後多次重複使用的,二級也是核心級自身也裝備了完善的動力系統,除了能夠持續在軌運行、往返於地球和和月球軌道外,其也是可以垂直返回、重複使用的,而且重複使用次數預估將達到100次以上。

那對於財政大老爺國會而言,與其每次幾十億美元撥款,去發射一次性的SLS登月火箭,還不如造價2億美元、單次發射不超過1000萬美元、且可垂直回收、重複使用的星艦更為划算。

特別是星艦除了能夠用於載人登月外,更具備深空探測發射能力,而這點是從一開始設計之初,就只具備繞月軌道運載能力,而不具備直接登月著陸的SLS所不具備的優勢。比如SLS雖然繞月軌道運載力接近50噸,但其發射的登月器只能在繞月軌道上運行,並不能直接實施載人登月任務,這一點主要和SLS搭載的獵戶座載人飛船有直接關係。

反觀星艦雖然只有二級結構,但上面級除了能夠直接從近地軌道飛往月球軌道,並全部降落在月球任意地區外,還具備搭載月球車、月球基地施工材料等超大貨艙裝載能力,而且在完成載人登月探測後,航天員直接搭乘電梯返回星艦後,星艦自主起飛直飛返回地球、並垂直降落在地球預定著陸場,相比SLS這類傳統載人登月火箭直接減少了三次以上在軌對接需求,不光提升了發射載荷率,而且減少對接次數也從根本上至少降低了90%的失敗率。

所以接下來的二個月時間內,NASA主導的SLS如果真的不能按時發射的話,可就真的成「扶不起的阿斗」了,那屆時美國載人登月計劃就真的成SpaceX的星艦了。

而與此同時的是,我國正在實施的載人登月計劃中,雖然基於長征5號衍生的921登月火箭發射時間、降落月球時間可能更早,會在2025年前後進行。但對於中國而言,計劃2028年發射的長征9號超重型登月火箭,才是直接對標SpaceX星艦的中國載人登月和實施深空探測的主導火箭。

因為長征9號近地軌道運載力130噸以上,繞月軌道運載力不低於60噸的水準,不僅和星艦現階段的技術參數很是接近,同時長征9號相比技術非常激進的星艦而言,其自身略微保守的設計反而是其成功、乃至中美載人登月中,助力中國率先實施載人登月的法寶。

比如星艦雖然最大起飛推力高達7500噸,但是這7500噸的推力需要依靠29台猛禽液氧甲烷火箭發動機提供,而SpaceX自主研製的猛禽液體火箭發動機,雖然是當前全球唯一採用全流量分級燃燒的液體火箭發動機,而且採用甲烷替代煤油既沒有噴管結焦的風險、而且甲烷相比煤油便宜、比沖還高,更適合重複低成本使用。

但放在星艦上的自身風險也不少,比如其助推器採用了多達29台猛禽液體火箭發動機,星艦也採用了7台猛禽真空版,按照航天設計中數量越少、風險越低的慣例,星艦無論是助推器還是星艦自身,安裝了這麼多發動機,就算SpaceX為其採用燃料互通、發動機推力補償設計,但在實際發射過程中,一旦某台發動機發生爆炸、或者助推器超過4台以上發動機出現故障,星艦整體就得全部墜毀。

就和冷戰時期,蘇聯搞不出大推力火箭發動機,所以其登月火箭N1芯一級採用了多達33台小推力液體火箭發動機來彌補發動機起飛總推力的不足,但實際發射過程中,因為發動機數量過多導致發射失敗也就成了常態和其最終下馬的核心因素。

所以對應到60年後的星艦上,SpaceX之所以在星艦的助推器安裝多達27台猛禽液體火箭發動機,原因也在於SpaceX雖然從NASA挖來了不少航天領域專家,特別是液體火箭發動機專家,但SpaceX仍然搞不出來燃燒效率高、推力又很大的液體火箭發動機,所以最終只能選擇單台推力不過230噸、但燃料效率非常高的猛禽液氧甲烷火箭發動機。

反觀我國在研的長征9號超重型運載火箭,雖然其無論是最大起飛總推力、還是其發射成本和整體技術水準,相比星艦都不是很出眾,但在長征9號身上最大的優勢就是可靠性絕對高,因為長征9號超重型運載火箭,芯一級和助推器採用的都是單台推力高達480噸的YF130液氧煤油火箭發動機,且數量只有13台;芯二級只採用了4台單台推力220噸的YF-90氫氧火箭發動機,芯三級也只採用了兩台單台推力25噸的氫氧火箭發動機。算下來長征9號全箭裝備的火箭發動機數量都沒有星艦助推器多,所以較少的發動機也就顯著提升了長征9號的發射安全性。

其實從航天自身領域來說,真正發展航天的都不會選擇推力不夠、數量來湊的技術方案,像歷史中的土星五號芯一級和助推器採用的是單台推力超過680噸的F-1火箭發動機,數量總計只有5台,芯二級採用了5台推力8噸的J-2氫氧火箭發動機、芯三級更是採用了一台J-2發動機;後面的太空梭、德爾塔-4、歐洲的阿麗亞娜-5都採用的是大推力、少發動機方案,而且在進入外太空或者臨近外太空的芯二級和芯三級上,採用的都是燃燒效率更高、比沖更高的氫氧火箭發動機。

而我國的長征9號走得就是這條常熟的路線,但星艦二級依然採用的是比沖只有352秒的氫氧甲烷火箭發動機,所以整個星艦超過2/3的空間都用於裝載超過1000噸以上的液體燃料,這麼多大燃料無疑增加了風險和隱患。

當然從整體來看,或許SpaceX的星艦和中國的長征9號都會成功,都會成為中美兩國未來主導載人登月、深空探測的主力型號,但從技術成熟度、發射風險來看,長征9號明顯是要好於技術來湊的星艦一大截的。

文章來源: https://twgreatdaily.com/0cd1b8a30c7dccfeb477371d53e456d9.html