美SLS火箭(4):整流罩为啥需要这么多款?

在(1)中我们介绍了美国新一代重型运载火箭SLS的芯一级发动机的情况,在(2)中介绍了SLS的芯级尾段结构测试和地面运输设备的情况,在(3)中介绍了SLS的过渡型上面级及首飞有效载荷的情况,今天我们来谈谈SLS火箭的整流罩情况

(SLS火箭的各款整流罩)

通常火箭采用不同类型的整流罩是因为各种有效载荷的外形尺寸不同,只有一种整流罩难以满足任务需求,如果以最大包络进行设计,太长太宽的整流罩又会影响运载能力,因此通常在火箭立项论证时需要针对不同有效载荷的需求进行归类设计,尽量缩减到几种尺寸的整流罩。

在SLS系列火箭中我们可以发现SLS货运火箭有Block1B货运(105t)、Block2货运(130t)两型火箭,但是与这两型火箭搭配的整流罩,却有直径分别是5m、8.4m、10m的长度各不同的共7款整流罩,具体技术指标如图1所示。那么是什么任务需求,归类出这么多款的整流罩呢?

(SLS火箭可适应各种空间飞行任务)

美国重型火箭SLS在立项之前就得不停地回答决策者们一个问题:那就是美国花巨资研发了土星V运载火箭,在阿波罗登月计划结束之后,这枚火箭的用处就不大了。那么半个世纪之后,如果我们还要花巨资研发一款重型运载火箭,它除了能将人送上月球之外还能干什么呢?如何才能将重型运载火箭、发动机及配套的地面设备(包括试验设备和发射设备)的研发费用均摊到各次发射任务中,从而降低全寿命周期范围内单次重型运载火箭的发射任务成本呢?美国是否真正需要新一代的重型运载火箭SLS呢?

可以想象当初SLS的论证团队想回答这个问题并不容易,他们不仅推动美国NASA实施载人深空探测的HEO项目,这个项目不仅要送人去月球,还规划了载人登火星的愿景目标。而且还助力NASA发动ESA、JAXA等多个单位联合论证SLS火箭的任务需求,最终的结果如图2所示,SLS火箭的需求不仅包括了去月球、小行星、火星,还包括了探测太阳及地球观测等多种多样的任务。

通过把这些任务需求进行归类分析,SLS火箭提出了一个系列多个模块的设计思路,通过采用模块化、系列化、通用化的设计理念,将一种SLS火箭可以适应多种任务(是不是感觉耳熟?),不仅规划了BLock1、BLock1B、BLock2三种火箭,还特意在首飞EM-1任务中安排了13颗立方星的发射任务,如图3所示。详见(3)期的介绍,SLS团队还研制了SPL,以此彰显可以把小型载荷组合打包发射的能力。

(SLS火箭的星箭适配器和载荷类型)

应该说,SLS火箭的设计者们即焦虑又机敏,为了能说服上级决策者们,增加SLS火箭的任务适应性,他们做了大量的论证工作,恨不得将SLS火箭打造成是美国历史上的终极之箭,能够包打今后所有的大型空间飞行任务需求,如图4所示。如果是空间科学任务,就采用容积400m³的短粗型整流罩;如果是发射猎户座飞船和深空居住舱模块,就加长整流罩的长度;如果是发射新一代的空间望远镜,就可以把火箭整流罩的直径加宽到8.4m,容积1200m³;如果是发射登陆火星的地火运输飞行器,就可以把火箭整流罩进一步加宽到10m,容积1800m³。总之,SLS火箭的设计者们期望总有一款整流罩能够适应你的任务需求。

(SLS火箭适应不同载荷整流罩的类型)

正因为有了规划中的载人登陆火星任务、载人登陆月球任务、新一代大型空间望远镜(寻找系外生命)任务、各种空间科学探测(探测太阳等)任务,才让SLS火箭的需求显得如此饱满,并体现了美国航天技术的霸主地位。图4指出8.4m和10m直径的整流罩也同时在研,能够分别在2020年中和年底提供任务使用。

也许有人要问,美国NASA不是还有很多无人深空探测任务吗,为什么不全都列入进来呢?这样会不会更好呢?然而别忘了无人探测器讲究的是越小越好,能用小型航天器解决的问题非得用个又大又重的航天器,用重型火箭来发射,这只能证明自身是技术水平太低的表现,因此火箭设计师可以拉过来当需求,但是对航天器的设计师来说这可是耻辱。

但是对于距离地球越远的探测任务(比如系外行星探测),由于需要的C3加大,因此重型火箭的需求也变得若隐若现,因此SLS火箭的设计师们毫不犹豫地把它纳入到自己的任务需求中来。

(SLS火箭设想的“近期”潜在的其他任务

从上图可以看出包括NASA未来能力验证项目、月球资源探测开发项目、小行星载人重定向项目(已取消)、木星及卫星探测项目(事实上用阿里安6足矣)等等。从这张图上笔者可以大胆地判定,完全不顾航天器设计师感受和未来航天器技术的发展趋势,逮着个空间任务需求就往SLS火箭任务清单上拉的设计师们,在论证这个重型火箭任务需求时是有多么的焦虑?真得是打造终极火箭呢吗?

( SLS火箭用于木星探测任务)

 (SLS火箭用于新一代空间望远镜探测任务)

(SLS火箭用于发射月球轨道空间站并进行遥操作月面探测任务)

最后三图是SLS火箭论证团队给出的除了发射猎户座飞船外的其它可能的发射任务的需求,核心目的是为了增加SLS火箭的生命力,此外还特别提出了“共同主任务”的概念,意思是SLS的运载能力大,可以满足各组轨道的需求,打包组合搭载的载荷不必担心因次载荷的地位不受待见,可以称为共同的主任务。然而事实上是究竟小型专车好用,还是大型公车好用呢?这个问题并没有最终的答案。

看了今天的介绍,你有没有被美国SLS火箭论证团队,苦思冥想的执着精神感动呢?倡议并推动实施新一代重型运载火箭SLS是多么的不容易啊?如果载人深空探测HEO项目结束了,SLS还会跟土星V火箭的命运一样吗?

一家之言,信笔神游,不见得正确,仅供参考。

(未完待续)

(本文来源:星际航行  作者:果然伶俐)

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