法丝 拿什么拯救你，我的SLS

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试驾介绍视频，介绍错误但不影响核心事实

当四台RS-25发动机第一次同时点火的时候，或许没有人想到，站在试验台架上一年多的大橘罐第一次试验，仅仅67秒就匆匆结束了。虽然美国宇航局局长布里登在试验结束后的新闻发布会上反复强调，这次点火只是一次试验，出现问题是正常的，但很明显，布里登现在能做的，是为已经被各种问题淹没的SLS火箭留下一些“正能量”，他的任期即将结束，仍然是一条“弄巧成拙的路”。这个用了很多美国航天飞机时代留下的硬件技术。原本计划在2018年底进行首次飞行的巨型火箭今年可能无法离开发射台。

有什么不好？总之从一开始。其实早在SLS项目之初，就有航天爱好者戏称SLS不是“泰空发射系统”，而是“参议院发射系统”的简称。原因是航天飞机退役后，后面的生产测试线也会关闭。在该州拥有NASA测试设施的国会议员，如阿拉巴马州、密西西比州和佛罗里达州的参议员，自然不高兴，因为这意味着他们的选民将因设施关闭而失业。于是，为了“安抚”国会，从航天飞机上继承下来的硬件可以保持设施和周围整个产业链的持续运转，为参议员改选留下竞选资本的SLS诞生了。比如这次考试的“斯坦尼斯拉夫斯基空中心”在密西西比州汉考克县，密西西比州参议员辛迪·海德-史密斯前往现场观看考试。在马歇尔航天中心所在的阿拉巴马州，参议员理查·谢尔比是空间实验室的坚定支持者。作为参议院拨款委员会主席，他一直主张削减NASA的商业太空基金来补贴SLS。

但问题是，适合航天飞机的硬件，或者说“Tai 空运输系统”，不一定适合SLS。我不知道为近地轨道设计的STS的整个架构，但是这个和那个必须拼凑起来用于深空空探测的SLS。结果是费时费力却达不到目标。SLS更像是政治家设计的火箭，而不是航天工程师设计的。就算不看成本高，SLS按设计目标就是硬件不对的火箭。

事实上，STS的三个RS-25和SLS的四个RS-25甚至不能提供高于自身重力的推力从发射台起飞，这需要两个助推器来提供额外的推力。SLS使用的固体燃料火箭具有有史以来最高的推力，在每个海平面上都有惊人的14.6毫牛顿。只有两个助推器超过了27架梅林-1D重型猎鹰的总海平面推力。

单独来说，这些数据听起来很好，很强大，但是这两个极限的结合在近地轨道STS上是可行的，而在深目标空的SLS上就不行。从一个轨道改变到另一个轨道所需要的速度变化往往被称为dV，而只要飞行器离开底部的稠密大气层，单纯的推力并不是决定dV的关键因素，比冲，或者说发动机能维持推力多久，也将是一个需要综合考虑的指标。

根据牛顿第二定律，推力等于质量乘以加速度，即质量的导数乘以速度。等式的两边同时乘以dt，然后再积分，得到:

也就是说，要达到同样的总变速dV，需要对特定时间内的推力进行积分。换句话说，如果只有一半推力的火箭发动机可以持续两倍的时间，那么它的速度变化将是一致的。也就是说，如果牺牲一部分推力来换取更长的作用时间，车辆会得到更大的速度变化。比如STS的推力是24MN，但燃烧时间只有127秒，3架RS-25s的推力是6.27MN，但燃烧时间是510秒。虽然在发射的不同阶段会调整推力，为了显示时差的影响，固体推进的动量总共是24 * 127 = 3048MNs，三架RS-25的动量总共是6.27 * 510 = 3197MNs，但是来自后面。而且由于火箭是一个变质量系统，根据动量守恒定律，需要计算质量dm和喷入发动机的气体的喷射速度U的积分，而且对于更长的作用时间，积分会更大。

RS-25的优点是耐用，这在STS中是有意义的，因为单级轨道上的三个RS-25都要送自己的质量，所以需要发动机提供长期推力。但二级轨道的SLS第一级预计点火时间为480秒，RS-25在未能展现其持久优势后成为需要废弃的额外质量。SLS整个第一级都是典型的推力过大的设计，没有必要使用RS-25。

有趣的是，在第二阶段，SLS完全逆转，变成推力不足。目前1号区块使用的ICPS只有一台RL-10发动机。即使是EUS使用的RL10C-3也能维持很长的燃烧时间，但推力很小，只有108kN。对于发射地球卫星和轻深空载荷的宇宙神V和Delta IV火箭，小推力但持久的组合问题不大，但对于重深空载荷会单独讨论，因为飞行器越重，重力损失越大。

任何看嫦娥五号任务轨道示意图的人，可能都会有一个疑问，为什么不从地球直接上月球，而是以八字形绕地球走。其中一个原因是失去了重力。如果直线飞行，重力和发动机推力方向正好相反，也就是说浪费了大量的推力来克服重力，实际的净推力远远小于发动机推力。

相反，如果你先绕地球转，绕地球公转时重力和推力的方向是互相垂直的，但变轨时重力和推力是有夹角的，只有一部分重力作用在推力的反方向。即离开地球轨道时，载荷的实际推力为发动机提供的推力减去重力损失。

所以之前的积分公式需要稍加修改，加入重力g，运载火箭越重，g越大。

根据积分的加减，可以从积分中拉出g，分别计算:

可以看出，虽然时间长可以提供更多的力积分，但也会引起更多的重力损失积分。和RS-25、RL-10一样，所需的dV积分是通过更低的F和更长的时间来实现的，所以根据公式重力损失积分更多。所以，虽然SLS Block 1使用的是比冲很高的氢氧发动机，但它实际能送到月球的质量是26吨，比22吨重的猎鹰用煤油高不了多少。梅林-1D True 空发动机推力981kN，是RL-10的8倍。虽然能维持的燃烧时间短很多，积分范围小，但也意味着重力损失的积分范围也小，同样速度dV积分下能输送的质量m也少不了多少。

1B街区，4架RL-10清晰可见

为了弥补1B区块推力的不足，新的二级火箭EUS上应该同时使用4台RL-10-C3发动机，但估计最早要到2026年才能投入使用。根据波音在SLS上的延迟，EUS能否真正按时完成研发还有很大的问号。SLS二级推力不足的问题短期内还是没有解决。具有讽刺意味的是，SLS遇到的问题，早就被NASA最后一次登月的最大功臣冯布劳恩提出来了。固体燃料火箭虽然结构简单，推力小，但不适合整个火箭系统。这可能是冯·布劳恩想看看火箭是否由推力过大的固体推力第一级和推力不足的液体燃料第二级组成的最后一种设计。

经过10年186亿美元的研发，SLS的处境非常尴尬。或许从诞生之日起就注定了。完成研发需要更多的钱和时间。即使完成，单次发射也要花费20亿美元。但是，如果取消R&D，不仅过去的投资会冲击水漂，月球门户空站也会成为问题。虽然重型猎鹰有足够的能力将各个空空间站模块送入月球轨道，但不足以发射26吨重的猎户座飞船。空站和空不能去的夹层没什么区别。至少在SpaceX的星舰飞入Tai 空之前，SLS就是把月球入口绑死的火箭。随着新总统拜登的就职和民主党在六年后重新获得参议院多数席位，共和党人谢尔比将辞去拨款委员会主席一职，SLS将失去在美国国会的最大支持。由于这次测试的结果不令人满意，新的拜登政府一定会重新检查这个横跨三任总统的美国宇航局旗舰项目。是继续研发，还是赌SpaceX，还是两者兼而有之，反正SLS的未来也不明朗。

如果说SLS项目证明了什么的话，那就是任何火箭首先是一个系统工程，绝不是单纯的推力比冲等性能的比较和拼凑。先有目标，再有火箭，再有发动机。颠倒以上优先级，结果只有SLS走错的路会再次重复。

结束

本文转载自《航天爱好者》，原题《什么救你，我的SLS》，文|土星v。

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