【原创文章】拖延到影响NASA重返月球的“猎户座”飞船,你到底要怎么飞?

作者说

2019年3月,NASA局长吉姆·布里登斯廷在美国参议院听证会上正式证实了之前已经被怀疑了无数次的猜想,NASA正在研究用商业火箭替代SLS执行猎户座飞船的首次绕月飞行(EM-1)。如果当真不使用SLS发射,势必会进一步加剧SLS的研发到底有没有必要的质疑,毕竟很多人认为这是NASA设施所在州的参议员为了维持工作岗位而强行上马的项目,戏称SLS是参议院发射系统(Senate Launch System)的简写。不过抛开政治不谈从技术和成本的角度上讲, EM-1是怎么沦落到今天这一步,如果不使用SLS猎户座飞船又有什么其他方法发射呢?

特约作者:Saturn V

猎户座EM-1任务官方演示视频,全面了解本文所讲任务,NASA中文翻译

 

拖延到影响NASA重返月球的“猎户座”飞船,你到底要怎么飞?

连图中SLS Block1B关键的EUS(Exploration Upper Stage)研发都已经被大幅度推迟

要说到EM-1和SLS的故事就不得不从NASA近未来太空探索重返月球的重点项目深空门户(以下简称LOP-G)说起。打眼一看LOP-G颇有环月国际空间站的味道,各个国家出资建造后再在月球轨道组装,但正如国际空间站需要飞船往来才能有用一样,负责往来LOP-G的深空飞船便是猎户座

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LOP-G环月空间站现阶段构想图,右侧为猎户座飞船,左边可以看到负责各舱段的国家和机构

原计划中猎户座飞船唯一的发射火箭便是SLS,而空间站的建造将在2020-2026年之间完成,任务跨度EM-1到EM-6,届时还需要商业公司的火箭进行物资补给,但人员往来的方式只有猎户座飞船

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然而作为LOP-G支柱的SLS却一再遭遇严重的研发进度拖后和经费超支,根据NASA督察长在18年10月公布的对SLS的项目调查报告,SLS的研发现状远比预想的要糟糕许多。调查报告判定根据现有进度,哪怕NASA再投入8亿美金的研发费用,都无法在2020年6月之前进行EM-1的发射。换句话说如果后续测试遇到问题再有延迟,SLS甚至都没法在2020年起飞。

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报告封面(想来NASA也是有趣,这种自曝短处的报告就这么放到网上公开下载,主页君注

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可以看到波音都还没有完成SLS的整体整合测试(Green Run Test)

那能否接着往后按照SLS的研发推迟EM-1的发射呢?可以,但从整体时间线上来看NASA可能不会接受。从EM-1的任务概述便能看出,其核心在于测试猎户座飞船和欧空局制造的猎户座服务舱的深空能力,只有猎户座通过了测试LOP-G才能开始建造,不然无法往来的空间站不过是空中阁楼。

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换言之任何EM-1的推迟都会导致整个LOP-G的建造进一步推迟,其他国家也不得不推迟自己负责的模组建造进而引发一系列问题,这是计划2024-2026进行载人登月的NASA绝对不能接受的。既然SLS大概率无法赶上2020的期限,那就只能用现役的火箭代替完成猎户座飞船的绕月测试了吧,比如:

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呃……事情比想象的要“略微”复杂一些。。。。。。

NASA局长对EM-1替代发射计划的现场说明,生肉无字幕,但听力要求不高

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从NASA官网的火箭性能数据图可以看出,若要离开地球引力C3=0,哪怕现役最强的重型猎鹰火箭(下文简称FH)最多也只能送大约15吨(图中蓝线),但猎户座飞船和服务舱总重有足足25吨。不过FH的深空运力偏低很大程度上是因为第二级梅林-1真空版引擎使用的煤油燃料比冲低,既然如此只能利用FH近地轨道充足的运力,把SLS的氢氧第二级连同猎户座飞船一起通过FH发射进入近地轨道,来弥补FH第二级比冲低的弱点提升深空运力。按照这个理念“魔改“的FH会是这样的:

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猎户座全飞船和第二级总重56吨,按照上图所示FH完全不回收可发射63吨载荷进入近地轨道。SLS的第二级现阶段是直接使用的德尔塔IV型火箭的氢氧第二级DCSS,而现阶段SpaceX直径5.2米的整流罩意味着火箭能支持DCSS的5米直径,理论上载荷重量和载荷直径都可行。但在实际操作上FH却有很大的兼容问题,首当其中的便是载荷长度。SpaceX的整流罩长13.1米,但DCSS和猎户座飞船服务舱加起来至少长17米,搭配上整流罩会更长,额外的长度会对发射时的气动产生严重的影响,还意味着SpaceX现有的FH移动发射立起装置也要重新设计,一系列对改造的测试同样需要时间,并不一定能赶在2020之前完成。

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至少立起装置顶端的机械臂需要重新设计

本文作者现场观看载人龙飞船DM-1发射的实拍视频

既然DCSS和猎户座飞船无法一起发射,剩下的唯一选项便是分开发射后在轨对接。考虑到不管是DCSS还是猎户座飞船整体重量都在20吨以上,美国现在只有FH和重型德尔塔IV型(以下简称D4H)能完成发射。由于卡角只有一个FH发射台LC-39A和一个D4H发射台LC-37B,考虑到发射台发射后整理准备的时间间隔,若想减少在近地轨道停留时间两次发射不能交由一个火箭完成。但问题到这里依然没有结束,除去对接装置的研发问题外,FH和D4H各发射哪部分同样需要抉择。

 

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2014年12月5日猎户座飞船的轨道飞行试验(EFT-1)便是D4H发射的

从减少对火箭改造的角度上讲,D4H发射猎户座飞船FH发射DCSS最合适,毕竟猎户座的首飞便是D4H,火箭和飞船的适配器都是现成的。但由于SpaceX并没有使用液氢未来也不会使用,LC-39A发射台已经移除了液氢加注装置,FH若发射DCSS需要再改造发射台。可是LC-39A是SpaceX载人龙飞船的唯一发射台,若不能使用势必会推迟DM-2和后续的载人发射,对国际空间站的人员输送产生影响。若反过来FH发射猎户座飞船D4H发射DCSS,那两者都需要新的适配器,FH还需要针对猎户座飞船的外形进行新的气动测试。已经因为载人发射和FH商业发射而忙得不可开交的SpaceX能否有人手在2020年内完成测试,是个大问号

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各种EM-1的商业发射替代组合,你会发现,只有两发FH是可行的,但是最终也被NASA否定了

假设不考虑近地轨道滞留时间把两次发射全部交给D4H呢?虽然理论上这是需要火箭改造最少的方案,但实际上由于德尔塔系列火箭已经处在半退役状态,能用的芯级尤其是RS-68引擎数量已不多。事实上预计在2019年7月25日发射的德尔塔IV火箭M型是德尔塔系列最后一次非重型发射,而后只剩下D4H的5次发射。由于一次D4H发射需要3个芯级且根本没有回收一说,ULA在2020年已经计划两次美国国家侦查局的D4H发射,能否再赶制出6个芯级供猎户座飞船和DCSS使用同样是个大问号。

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德尔塔系列火箭只剩下这6次发射了

可以说各种时间上的巧合让SLS的研发推迟显得尤为糟糕,更为关键的是2019年已经过去了三分之一,不管最终如何发射DM-1,NASA都必须要在近期内作出决定以便承包商和私人企业有足够时间应对,不然就要面对大概率可能发生的在2021年才能进行猎户座飞船无人绕月测试,已经LOP-G大幅度推迟这个事实。估计NASA在2010年取消星座计划转而研发SLS的时候,根本没想到只是从一个被火焰吞没的大楼跳到另一个火焰小些的大楼吧。。。。。。

拖延到影响NASA重返月球的“猎户座”飞船,你到底要怎么飞?

(全文完)

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