北京时间11月16日14时47分，美国新一代重型运载火箭“太空发射系统”（SLS火箭）从肯尼迪航天中心LC-39B发射台首次成功发射，将猎户座载人飞船及10颗立方星送往月球轨道，正式开始执行“阿尔忒弥斯-1”任务。那么，SLS火箭有什么技术特点？其研制过程中有哪些值得一提的经验教训？未来应用前景如何？
奔月雄心有点尴尬
首次发射的SLS火箭尝试将重达26.5吨的猎户座载人飞船送入地月转移轨道，与“阿波罗”计划遥相呼应的“阿尔忒弥斯”计划由此正式拉开帷幕。
猎户座载人飞船示意图
据悉，猎户座飞船将首次进入大幅值逆行轨道，从而逆行绕飞月球，与月球距离最远时可达7万公里，有望刷新载人飞船到达的最远距离纪录。不过，为安全起见，此次任务并不载人，飞船搭载了仿真假人系统，收集测试数据。任务完成后，飞船将以第二宇宙速度再入大气层。
“阿尔忒弥斯-1”任务路线图
按照美国宇航局及厂商发布的任务路线图，2024年SLS火箭将执行“阿尔忒弥斯-2”任务，猎户座飞船届时要首次载人升空。更加最雄心勃勃的任务是定于2025年执行的“阿尔忒弥斯-3”任务，SLS火箭将发射载有4名航天员的猎户座飞船。
“阿尔忒弥斯-2”任务路线图
“阿尔忒弥斯-3”任务路线图
飞船进入绕月轨道后，将与登月舱实施在轨对接，把2名航天员转移到登月舱上并踏上月球表面。预计完成6天多月面探索后，他们将返回绕月轨道并与飞船对接，最终4名航天员乘坐猎户座飞船返回地球。
再往后，SLS火箭还将继续执行载人登月任务，并参与绕月空间站在轨组装工作，甚至支持兴建月面基地，以期对月球开展长期可持续的有人探索。
这样一款担当重任的重型火箭成功首飞，通常应该是值得“全球点赞”的航天史大事件。然SLS火箭却并非如此，这款火箭一直与“超支拖延、挤占经费、问题不断、就业工程”等负面词汇为伴。而这还要从SLS火箭的诞生说起。
竖立在LC-39B发射台上的SLS火箭
SLS火箭正式规划于2010年，当时美国宇航局寄予厚望的“战神”计划夭折，而航天飞机因事故缠身，即将退役。一时间，美国重返月球计划处在无重型火箭可用的“空窗期”。同时，考虑到航天飞机退役后相关企业会面临破产风险，美国官方必须尽量维持航天产业链和就业，稳住政治“票仓”，SLS火箭工程就此上马。
其实，火箭研发拖延、首飞推迟是业界常态，但要谈起近年来火箭型号的“鸽王争霸赛”，那SLS火箭绝对是当仁不让的第一名。该火箭集美国宇航局“万千宠爱”于一身，由美国国会在经费、政策上“双重护航”，基于航天飞机成熟技术“堆砌”而成。SLS火箭于2011年正式立项，原定于2016年末首飞，但随后历经十几次重大推迟，11年来研发耗费至少212亿美元，以致被戏称为“参议院发射系统”。
“成熟”的“新型”火箭
纵观航天史，重型火箭作为航天工业的“大国重器”，普遍会融入大量新技术、新设计理念，但SLS火箭与众不同。外界评价认为，其设计乏善可陈，创新寥寥，甚至相比航天飞机可以称得上“倒退”——它抛弃了近年来流行的火箭重复使用设计，仅将航天飞机技术“遗产”进行重新组合，与20世纪60年代的土星五号重型火箭的理念一致，都是传统一次性运载火箭。
土星五号重型火箭点火升空
为确保稳妥可靠，SLS火箭芯一级采用4台航天飞机所用的RS-25发动机，甚至服役初期干脆使用航天飞机退役后的库存货。然而，SLS火箭每次发射都会将4台真空推力各220吨的分级燃烧循环氢氧发动机扔进大海，而这种发动机本可重复使用10多次。
SLS火箭芯一级安装的4台RS-25发动机
SLS火箭的2枚固体助推器也衍生自航天飞机系统，区别主要是将助推器分段从4段延长至5段，以便获得更大推力，同时放弃了回收复用设计。
为缩短研发周期，SLS火箭芯二级直接采用了即将退役的德尔它4系列火箭的芯二级，但德尔它4系列火箭与SLS火箭的级别相差太大，芯二级仅安装1台真空推力11吨的RL-10B-2膨胀循环氢氧发动机，造成SLS火箭芯二级推力不足。可以说，此次发射的SLS火箭初期型出现了“小马拉大车”的情况，严重限制了运力发挥。
SLS火箭芯二级仅安装1台RL-10B-2膨胀循环氢氧发动机
纵观全箭，SLS火箭没有新研任何一型发动机，而是美国航天工业“丰厚家底”的重新组合。尤其是RL-10B-2发动机，其原始型号RL-10是美国第一款氢氧发动机，自1963首飞以来，已服役近60年。
或许是为了平息外界非议，SLS火箭诞生之初，曾被美国宇航局定位为“可快速研发成型的低成本一次性重型运载火箭”，宣称单次发射成本仅4亿美元，低于航天飞机的4.5亿美元。然而，SLS火箭项目必须维持住航天飞机留下的供应链，造成研发体系庞杂，不断延期，单次发射成本已飙升至20亿美元级别，而“阿尔忒弥斯”计划前4次发射的平均成本更是高达40亿美元。
“阿尔忒弥斯”计划前4次发射的平均成本将超过40亿美元
“宝座不稳”前景难料
不同于美国宇航局近年来大获成功的“公私合营”项目模式，SLS火箭由美国宇航局抓总研发且全额拨款。尽管研发期间美国政府党派轮替，航天政策摇摆不定，但SLS火箭项目每年拨款都是足额到账，近年的年均拨款额高达25亿美元，相当于美国宇航局年度预算的1/10，堪称“吞金巨箭”。不过，这款美国宇航局宣传的“最强火箭”的“江湖地位”却并不稳固。
搭载猎户座飞船后，此次发射的SLS火箭初期型全箭高98米，近地轨道运力95吨，地月转移轨道运力27吨，运力指标不及20世纪60年代的“土星五号”。未来，SLS火箭改进型有望实现近地轨道运力超过130吨，地月转移轨道运力超过46吨，但考虑到研发进度，它未必还能“坐稳宝座”。
计划推出SLS火箭的3个版本：Block1，Block1B和Block2
SLS火箭Block1和Block1B对比
近年来，引发航天爱好者关注最多、技术理念最激进的重型火箭当属SpaceX公司的“星舰”。按设计，它的近地轨道运力至少达到100吨以上，更采用了富有技术挑战性的33机并联、两级全面回收方案，显然比SLS火箭更有发展前景。
原本SLS火箭比星舰拥有简单可靠的优势，但SpaceX公司一再保证“星舰”进展符合预期，已赢得商业订单。考虑到SpaceX公司中标了载人登月舱合同，预计最早在2025年，2款重型火箭就将在“阿尔忒弥斯-3”任务中合作，那也将是一场直观的“比拼”。
SpaceX公司研制的“星舰”
事实上，SLS火箭曾规划了多种构型和任务，但随着进度拖延和成本增加，部分任务已被技术成熟、成本相对低廉的商业火箭抢走。如“欧罗巴快帆”和绕月空间站的核心舱段发射均已被SpaceX公司的“猎鹰重型”收入囊中。可以说，SLS火箭目前已成为“猎户座飞船专用火箭”，短期内难以获得其他任务。
隆隆起飞的SLS火箭是人类重返月球、常驻月球的序幕，也掀起了重型火箭新时代的揭幕战。谁能笑到最后？航天爱好者不妨拭目以待。
2022年11月16日，肯尼迪航天中心，太空发射系统（SLS）登月火箭首次发射。（以上来源：中国航天报）
太空发射系统的前世今生
（以下内容作者为：：太空精酿的空间站）
阿波罗登月计划是上世纪人类太空竞赛的巅峰，美国获得了巨大的成功：不仅有12名宇航员顺利登上月球表面，还获得了极大的国际影响力，彻底击败了苏联的登月梦。
成也萧何败也萧何，苏联最终决定放弃登月之后，阿波罗登月很快就显得性价比极低。
一方面，进行到阿波罗17号任务后，已经很难再有新的发现，月球已被证明是贫瘠的星球；另一方面，项目花费太高，1967年美国国家航空航天局（NASA）甚至用掉了美国联邦预算的4.5%，是今天占比的10倍。
举例来说，仅土星五号登月火箭单次发射费用就相当于今日的20亿美元，实在太贵。
土星五号火箭的历次发射 | NASA
因而，土星五号火箭在使用了仅6年后遗憾落幕。相关的项目、资金和人力资源，投入到了后来的航天飞机计划中，成为上世纪80年代到本世纪最初10年间NASA最大的项目。
但随后航天飞机也遇到了类似的问题，单次发射费用过高（15亿美元），在不少项目中犹如“杀鸡用牛刀”的效果，特别是在商业航天崛起后，航天飞机项目显得尤为尴尬：与商业火箭同样的运力，10倍的价格，还得让7名宇航员冒生命危险，不太值。
在这种背景下，航天飞机项目最终在2011年谢幕。但为了保持深空发射和大型载荷的发射能力，同时支持未来的重返月球计划，NASA亟需一款能扛起大梁的重型运载火箭，这就是SLS出现的时代背景。
SLS的设计方案，更像是航天飞机的“火箭版”，由于不用像航天飞机一样运送巨大的“机舱”进入太空，它能运送更重的载荷，实现跟土星五号接近的运力。
仅从外表看就能发现SLS和航天飞机有着明显的代际传承 | NASA
SLS的4台核心发动机是RS-25D，是航天飞机的主力发动机，早就验证了优异的可靠性和可复用性，几乎从未出过重大问题，是人类液氢液氧火箭发动机技术的天花板。核心级，即不带任何涂装的“大橙罐”，主要装载液氢液氧推进剂和核心发动机。
此外，它的核心推力来自两个固体助推器，也是升级版的航天飞机助推器。自重725吨，推力却高达1600吨，一个助推器就可以推起一枚长五火箭，确实是暴力怪兽。
按照核心发动机能力、上面级能力和固体助推器能力的不同组合，SLS会有3个主要型号，分别是Block-1、Block-1B和Block-2。本次发射升空的，是近地轨道运力约100吨的Block-1型。而最终版本的Block-2型同等运力超过130吨，月球转移轨道运力达到45吨以上，直抵甚至将超过曾经的土星五号登月火箭。
总体上说，SLS将会成为扛起NASA发展一个时代的“大杀器”：轻易不出马，出马就是能上特大新闻的航天项目。
竖立在肯尼迪航天中心LC39B的首枚SLS火箭 | NASA/Joel Kowsky
SLS登月火箭的未来
在首次任务之后，阿尔忒弥斯计划将继续使用SLS火箭的Block-1型号执飞两次任务。
第二次任务，就会直接进行载人环绕月球的飞掠探索，预计将于2024年进行。
预计于2025年进行的第三次任务，将携带4名宇航员飞往月球，其中两人登陆月球，真正实现“重返月球”的探测目标。
而最终选定的月球表面着陆器方案，由于有SpaceX等商业公司的参与，完全不同于曾经“国家队”主导的航天发展环境，也让人充满期待。
阿尔忒弥斯3号将用SpaceX的登月版星舰把宇航员送上月表 | SpaceX
在后续的任务中，月球“空间门户”空间站会逐步建造完毕。它将稳定运营在地月空间内，一方面保持与地球客运航班的稳定交流以实现长期驻人，另一方面按需登陆月球表面并维护稳定的月球基地。
而在更长远的打算中，这里也会成为最佳“跳板”，为火星探测、小行星探测和其他深空探测任务提供稳定的平台。毫无疑问，这意味着一个庞大的国际合作框架，有20余个国家参与其中。
“月球门户”月球空间站艺术构想图 | NASA
不过，几乎不出意外，SLS又成了一款“火箭刺客”。目前，它的单次发射价格预计不低于40亿美元，甚至超过了土星五号的水平。虽然出发伊始就是为了干重大项目的，但这价格也实在是太过离谱。
仅以核心发动机RS25-D为例，根据洛克达因公司为SLS火箭供应发动机的合同，单台发动机的费用就高达约1亿美元，然而SLS一次发射就要扔掉4台。要知道，当年昂贵的航天飞机可是3台反复使用啊。
而且由于研发大幅超过预期，导致SLS的首次发射连续推迟了近20次，延迟超过5年之久。相应的，整体研发费用进一步飙升，量产速度也不如预期，后续的发射排期反而紧张起来，导致它未来基本只计划用于阿尔忒弥斯计划。
星舰已进行过推进剂加注和发动机静点测试，预计年内首飞 | SpaceX
与此同时，与SLS同等级别近地轨道运力的星舰也在摩拳擦掌等待测试。SpaceX已在星舰项目投入了巨大资源，先后炸掉了近20台原型机，终于要等来首飞时刻。
如果星舰真的能实现全舰复用和单次千万美元发射费用，那SLS就更显尴尬了。
二者能力相当，价格差40倍，谁会更香呢？
月球探测迎来新一轮高潮
与美国的重返月球计划并行的，还有中国的长远月球开发规划。
作为最核心的基础，中国的重型登月火箭现已进入大型发动机等关键技术突破阶段，新一代载人飞船（可深空探测用）试验船也早在2020年5月就进行了成功测试，大型的中国空间站也即将在2022年完成建设。
在国务院新闻办发布的《2021中国的航天》白皮书中，也明确提到了未来中国将要“深化载人登月方案论证，组织开展关键技术攻关，研制新一代载人飞船，夯实载人探索开发地月空间基础。”
未来5年，中国将继续实施月球探测工程：发射嫦娥六号探测器，完成月球背面采样返回；发射嫦娥七号探测器，完成月球极区高精度着陆和阴影坑飞跃探测；完成嫦娥八号任务关键技术攻关；与相关国家、国际组织和国际合作伙伴共同开展国际月球科研站建设。
我国参与规划的国际月球科研站概念图，预计2035年后支持人类月球探测任务 | CNSA / ROSCOSMOS
这意味着，从现在起，月球将成为人类航天的主舞台，以中国和美国为代表的航天大国，在以前所未有的投入和力量探测月球。更重要的是，在这新一波月球探测高潮中，在探测未知之外，开发和利用月球将逐渐成为焦点。
人类已经跨越了对月球的初步认知阶段，下一步该让这个地球的唯一天然卫星造福人类了。
>End
本文综合转载自“中国航天报”，作者：胡玉玲；“太空精酿的空间站”，作者：太空精酿。
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