化學(xué)火箭，人類星空夢(mèng)想的朋友

化學(xué)動(dòng)力火箭，這是一個(gè)讓我們又愛又恨的一個(gè)載具，化學(xué)動(dòng)力火箭這么多年來一直幫助我們探索宇宙，隨著引擎和火箭結(jié)構(gòu)制造工藝等技術(shù)的不斷發(fā)展，化學(xué)火箭可以執(zhí)行更加復(fù)雜，更長距離的任務(wù)?，F(xiàn)在，火箭科學(xué)家們還為化學(xué)火箭增加了可回收的功能，科學(xué)技術(shù)一直在進(jìn)步，我也很期待未來化學(xué)火箭的變化。

很長一段時(shí)間之內(nèi)，人類都將與化學(xué)推進(jìn)火箭相伴，這是目前無法改變的，不過人類也沒有停止進(jìn)步。未來深空任務(wù)越來越多，我們還需要更加強(qiáng)大的火箭以滿足任務(wù)要求，這時(shí)候化學(xué)推進(jìn)火箭又重現(xiàn)光芒。它們的身影甚至超過了任務(wù)本身，比如土星五號(hào)，作為阿波羅登月計(jì)劃的“專用”火箭，土星五號(hào)的成就就是把人類送上月球。

阿波羅8號(hào)在月球軌道看到的月球

登月火箭一直需要極高的標(biāo)準(zhǔn)，也需要極高的安全性。不過登月已經(jīng)是50年前的事情了，現(xiàn)在人類想要重新登月，需要的火箭最起碼要和土星五號(hào)擁有同樣的標(biāo)準(zhǔn)。美國宇航局的SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)就是新時(shí)代的登月火箭，建造登月火箭確實(shí)不是一件容易的事情，它的結(jié)構(gòu)，動(dòng)力，安全性都需要重新考究，重新制作。

現(xiàn)代登月火箭

現(xiàn)在大家可能會(huì)想問了，既然土星五號(hào)之前曾經(jīng)成功執(zhí)行過多次任務(wù)，那么再建造一個(gè)土星五號(hào)不就可以了嗎，其實(shí)這是一個(gè)好想法，但是只可惜現(xiàn)在我們無法復(fù)制土星五號(hào)。大量有關(guān)火箭設(shè)計(jì)的技術(shù)文檔都不見了蹤影，當(dāng)年設(shè)計(jì)和制造土星五號(hào)的工程師和專家都已經(jīng)退休或者死亡。而且制造土星五號(hào)不是僅有美國宇航局就可以完成的，這需要很多分包制造商，這些制造商很多都已經(jīng)解散，其內(nèi)部流程文件也已經(jīng)丟失。另外，建造土星五號(hào)需要特定的制造工藝，而這些工藝現(xiàn)已過時(shí)，制造火箭所需的工具也已不復(fù)存在。

阿波羅17號(hào)任務(wù)準(zhǔn)備期間的土星五號(hào)和SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)（渲染圖）

土星五號(hào)火箭雖然幫助人類達(dá)成了登月夢(mèng)想，但是這個(gè)夢(mèng)想確實(shí)是很昂貴，土星五號(hào)在10年內(nèi)共進(jìn)行了13次發(fā)射，耗資共470億美元，每次單說發(fā)射的費(fèi)用約為36億美元。這就是科學(xué)技術(shù)的早期體現(xiàn)，面對(duì)如此龐然大物，人類必須要花更多精力和預(yù)算，而現(xiàn)在SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)的建造費(fèi)用和之后的發(fā)射費(fèi)用幾乎是土星五號(hào)的一半。慢慢的，有新技術(shù)的加持，發(fā)射火箭會(huì)越來越便宜。還有一個(gè)有趣的例子，就比如說現(xiàn)在發(fā)射火箭，一個(gè)星期就會(huì)發(fā)射幾次，甚至三天兩次，一天兩次，在50年前，這是不可能做到的。

面對(duì)土星五號(hào)的輝煌，我們更應(yīng)該把新的希望寄托在SLS身上，這是新的登月火箭，SLS和獵戶座飛船將再次承載人類的夢(mèng)想前往月球。想要實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想，就要向現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)，制造火箭的關(guān)鍵就是路線，也可以說是實(shí)驗(yàn)的路線。不過在了解實(shí)驗(yàn)路線之前我們先看看SLS的主體結(jié)構(gòu)，SLS是五段式固體火箭助推器，核心級(jí)，還有獵戶座上級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和RS-25引擎。

在今年年初，SLS的核心級(jí)被運(yùn)送到斯坦尼斯試驗(yàn)場的B-2試驗(yàn)臺(tái)，工程師們準(zhǔn)備對(duì)其進(jìn)行數(shù)個(gè)月的綠色運(yùn)行測試，核心級(jí)的四臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)都需要進(jìn)行八分鐘的全時(shí)點(diǎn)火試驗(yàn)

SLS和獵戶座的第一次聯(lián)合測試名為Block 1，這次任務(wù)美國宇航局計(jì)劃向月球軌道運(yùn)載26噸的科學(xué)載荷，它將由兩個(gè)雙五段固體火箭助推器和由4臺(tái)RS-25引擎組成的核心級(jí)提供動(dòng)力。到達(dá)一定軌道后，上層臨時(shí)推進(jìn)階段ICPS將會(huì)把獵戶座送入月球軌道。

SLS的第二次聯(lián)合測試可以理解為第一次測試的一個(gè)改進(jìn)版，也被稱作是Block 1B，本次任務(wù)將使用新型探索EUS結(jié)構(gòu)來執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)。除此之外，Block 1B任務(wù)可以運(yùn)送大約37噸的有效載荷，Block 1B還將可能是SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)的第一次載人月球任務(wù)。就和當(dāng)年阿波羅8號(hào)一樣，先不著陸，先在月球軌道附近機(jī)動(dòng)。

這是SLS Block 1測試的配置，這包括了整個(gè)SLS火箭結(jié)構(gòu)，助推級(jí)和核心級(jí)不會(huì)有太大變化，可能是計(jì)劃中引擎多少的問題。只不過在SLS上層，尤其是獵戶座上層會(huì)有很大變化

第三次任務(wù)也被稱作Block 2，這次任務(wù)SLS將產(chǎn)生1190萬磅的推力，這個(gè)推力已經(jīng)可以使SLS成為月球，火星和其他深空目的地的主力載具，SLS Block 2的設(shè)計(jì)目的是將超過45噸的貨物運(yùn)送到月球。

這么看起來的話，隨著任務(wù)的不同，深空任務(wù)測試目的的不同，SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)在不斷的進(jìn)步，SLS可以根據(jù)任務(wù)要求隨時(shí)拼接火箭結(jié)構(gòu)，也可以隨時(shí)將火箭結(jié)構(gòu)模塊化。

重中之重，SLS火箭的引擎與結(jié)構(gòu)

這是SLS火箭系統(tǒng)的多個(gè)測試階段，明年即將開始的是SLS Block 1測試階段

了解測試路線之后，火箭的結(jié)構(gòu)和引擎成為了重中之重。就整個(gè)SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)來說，首先引入眼簾的是SLS的核心級(jí)，這是一個(gè)高65米，直徑達(dá)到8.4米的助推結(jié)構(gòu)，其實(shí)SLS的核心級(jí)是航天飛機(jī)衍生出來的重型運(yùn)載火箭的概念。核心級(jí)旁邊的結(jié)構(gòu)就是SLS的助推器，SLS的助推器重725噸，其中680噸為推進(jìn)劑。開始執(zhí)行任務(wù)之后，其燃燒速度約為每秒5.5噸，這使助推器可以提供約1632噸的最大推力。SLS初期測試的推力為3991噸，最大推力比土星五號(hào)火箭高出15％。

測試路線和火箭結(jié)構(gòu)是火箭計(jì)劃最關(guān)鍵的，除此之外，火箭的引擎也是非常關(guān)鍵的。我們首先來看SLS核心級(jí)的引擎，SLS火箭的核心級(jí)引擎是4個(gè)RS-25引擎，SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)的RS-25和航天飛機(jī)的引擎是同款。四個(gè)RS-25引擎由Aerojet Rocketdyne公司制造，美國宇航局要求每一個(gè)RS-25引擎，包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，噴嘴能在232噸的推力下運(yùn)行。在飛行過程中，四個(gè)引擎可提供約907噸的推力。

Aerojet Rocketdyne公司設(shè)計(jì)和制造的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)通過了135次飛行任務(wù)，在過去的三十年間為航天飛機(jī)提供了動(dòng)力，累積了3000多次起步以及100萬秒的地面測試和飛行運(yùn)行時(shí)間。現(xiàn)在Aerojet Rocketdyne公司重新制造并升級(jí)了16架RS-25引擎，以支持前四次SLS任務(wù)，升級(jí)后的RS-25引擎在其使用壽命，耐用性，安全性和性能等方面均有大幅度提升。

SLS助推器則由諾斯羅普·格魯曼公司開發(fā)，諾斯羅普·格魯曼公司已將原來航天飛機(jī)的四個(gè)推進(jìn)劑段構(gòu)型修改為五段版本。SLS助推器設(shè)計(jì)還增加了新的航空電子設(shè)備，推進(jìn)劑設(shè)計(jì)和外殼絕緣結(jié)構(gòu)，諾格公司還取消了助推器回收降落傘系統(tǒng)。

現(xiàn)在，SLS火箭的大致結(jié)構(gòu)已經(jīng)很清楚了，簡潔高效率的火箭結(jié)構(gòu)可以幫助提升火箭的安全性，也可以大幅度提高效率，RS-25引擎搭配SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)，這將幫助人類再次登上月球甚至火星。

四臺(tái)RS-25引擎被集成到了SLS核心級(jí)之上，與之前航天飛機(jī)時(shí)代的引擎性能相比，現(xiàn)在的RS-25引擎更堅(jiān)固，更可靠，這歸功于焊接工藝的進(jìn)步，采用了更耐用的軸承以及渦輪泵殼體的精密鑄造工藝

不過，只有火箭到月球軌道是不行的，火箭還需要和獵戶座宇宙飛船相連接，每一個(gè)火箭在發(fā)射科學(xué)載荷時(shí)都需要整流罩，在發(fā)射飛船時(shí)都需要與之對(duì)應(yīng)的飛船對(duì)接結(jié)構(gòu)。SLS火箭發(fā)射系統(tǒng)的對(duì)接結(jié)構(gòu)也被稱作ICPS，這個(gè)結(jié)構(gòu)在SLS Block 1第一次實(shí)驗(yàn)中就可以看到了。

人類不能止步不前

從發(fā)射第一顆衛(wèi)星開始，人類就進(jìn)入了太空時(shí)代，這已過去多年，我們不能停滯不前。地球46億年滄海桑田，斗轉(zhuǎn)星移，任何生命只有生存的價(jià)值，而沒有滅絕的意義，未來人類需要成為多星球物種，飛向太空是未來全人類不回到石器時(shí)代或者說不被滅絕的重要方法。如果我們一直依賴地球的饋贈(zèng)，沒有抵御天災(zāi)的能力，人類文明就像在懸崖邊走路一樣，遲早會(huì)墜入深淵。

化學(xué)火箭為人類登上太空立下了汗馬功勞，這么多年來我們一直離不開化學(xué)火箭。土星五號(hào)的輝煌已經(jīng)過去，航天飛機(jī)的時(shí)代也已過去，在新的火星探索時(shí)代，人類還需要更多更強(qiáng)大的助推火箭，長征五號(hào)，獵鷹重型火箭，還有在建的星艦和新格倫火箭等等火箭都將承載人類的夢(mèng)想起航。不過，想要達(dá)成多星球文明，我們還需要其他形式的助推裝置，不止化學(xué)動(dòng)力，它們都可以承載人類新的希望，到達(dá)另一個(gè)星球，實(shí)現(xiàn)星辰夢(mèng)想。