|
北京時(shí)間2022年11月16日14時(shí)48分，美國(guó)航天局NASA新一代登月火箭“太空發(fā)射系統(tǒng) (SLS) ”攜帶“阿爾忒彌斯1號(hào)”無(wú)人繞月飛行任務(wù)的獵戶座載人飛船，在卡納維拉爾角肯尼迪航天中心發(fā)射升空。 
2分12秒后，助推器被拋棄；8分15秒后，火箭與上面級(jí)+獵戶座飛船分離，進(jìn)入30 x 1808千米，傾角為34°的臨時(shí)軌道；50分鐘后上面級(jí)點(diǎn)火，將近地點(diǎn)調(diào)整為180千米，起飛80分鐘后上面級(jí)第二次點(diǎn)火，持續(xù)18分鐘，上面級(jí)分離，獵戶座飛船成功進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道。 
美SLS火箭：耗資300億美元卻用了二手發(fā)動(dòng)機(jī)SLS火箭現(xiàn)在是發(fā)射成功了，NASA總算是松了一口氣，這是重返月球的阿爾忒彌斯計(jì)劃中的最關(guān)鍵的“第一炮”，SLS火箭成功的意義不是一般的大，因此這次成功可算是讓NASA可以嘚瑟一番了，因?yàn)樵诖饲?，這枚眾望所歸的火箭，居然推遲了18次，怎么洗地都覺(jué)得NASA實(shí)在是過(guò)分了。 
因?yàn)榱私獾腟LS火箭的朋友都知道，這枚火箭中的關(guān)鍵發(fā)動(dòng)機(jī)全部都是二手或者現(xiàn)成的，完全不需要重新開發(fā)，說(shuō)的簡(jiǎn)單就是利用現(xiàn)有的零件組裝起來(lái)的，就這樣一枚“拼裝貨”，NASA居然搞了那么久： 1、一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25：航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)； 2、二級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)RL-10：登月時(shí)代開發(fā)的（有改進(jìn)）； 3、助推器：航天飛機(jī)時(shí)代的固體助推器改進(jìn)版； RS-25是在1970年代專門為航天飛機(jī)計(jì)劃專門研制的，當(dāng)時(shí)的想法就是研制一種可以重復(fù)使用的飛行器，來(lái)回于地球與近地軌道。航天飛機(jī)計(jì)劃中，除了中間那個(gè)橙色的巨型燃料箱，固體助推器和航天飛機(jī)都是可以回收利用的。 
航天飛機(jī)尾部有三臺(tái)RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛時(shí)固體助推器和三臺(tái)RS-25主發(fā)動(dòng)機(jī)一起將航天飛機(jī)送往近地軌道，123秒和固體助推器分離，7分30秒，外儲(chǔ)箱分離，航天飛機(jī)將繼續(xù)飛往預(yù)定軌道。 
助推器會(huì)打開降落傘濺落于大西洋，之后會(huì)被拖船回收，而RS-25則隨著航天飛機(jī)返回地面，檢修后等待下次利用。 
而RL-10最早是在1962年首飛的，不過(guò)它一直在改進(jìn)，直到SLS火箭選擇了這種發(fā)動(dòng)機(jī)作為上面級(jí)，不得不說(shuō)，美國(guó)人這么多年的積累真是不少，一款重返月球的火箭，居然直接可以用上次登月和航天飛機(jī)時(shí)代的產(chǎn)品，家底真厚！ 用了二手貨：卻一點(diǎn)都沒(méi)省錢 你要說(shuō)SLS火箭是臺(tái)拼裝貨也得認(rèn)，盡管火箭的結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)等都要重新研發(fā)設(shè)計(jì)，但發(fā)動(dòng)機(jī)都是現(xiàn)成的這是事實(shí)，但各位知道SLS開發(fā)花了多少錢嗎？列出來(lái)真的讓人目瞪口呆： 
從2011至2021財(cái)年，SLS計(jì)劃資金投入的總額高達(dá)230.11億美元，另外還有上面級(jí)（芯二級(jí)）火箭開發(fā)的15億美元，以及為SLS組裝、集成、準(zhǔn)備和發(fā)射 SLS 及其有效載荷的成本由Exploration Ground Systems單獨(dú)資助的，這個(gè)費(fèi)用約為每年6億美元。 
這個(gè)SLS開發(fā)到現(xiàn)在已經(jīng)花了快300億美元了，這火箭老鼻子貴了，都能造好幾艘福特號(hào)航母了，但更讓人暈菜的是SLS火箭不僅貴，而且還一直放鴿子，從最早計(jì)劃2016年首飛到2022年11月16日才真正“首發(fā)”成功，中間是18次延遲，今年下半年各位就連續(xù)看到了三次，要你是美國(guó)的納稅人，是不是也會(huì)很生氣？ 
從登月時(shí)代的NASA到SLS時(shí)代的NASA已經(jīng)不一樣了，當(dāng)年是NASA掌握了關(guān)鍵技術(shù)分包給承包商，而現(xiàn)在卻已經(jīng)成了養(yǎng)肥承包商過(guò)來(lái)要挾NASA，變著法子向美國(guó)政府要錢，每年的大把預(yù)算，被承包商A去了大部分，這個(gè)從軍工企業(yè)玩出來(lái)的套路已經(jīng)蔓延到了航天，NASA用在深空探索上的資金，反而沒(méi)以前多了。 
不過(guò)NASA總算還是把SLS火箭給發(fā)射出去了，花了大價(jià)錢辦成了事也算是好事，重返月球?qū)θ蛟虑蛱剿饕彩且粋€(gè)刺激，未來(lái)中國(guó)的載人月球登陸也會(huì)更有動(dòng)力！ 20年前二手發(fā)動(dòng)機(jī)，居然還比我們先進(jìn)？確實(shí)流傳了這樣一個(gè)說(shuō)法，中國(guó)的大推力氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，還不如SLS二十年前的老古董！答案是真的，SLS真用了二十年前航天飛機(jī)曾用過(guò)的發(fā)動(dòng)機(jī)，而且比中國(guó)現(xiàn)有的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)還要先進(jìn)！ 
SLS的芯一級(jí)火箭有四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，全都是航天飛機(jī)上“拆下來(lái)”的，比如在8月29日發(fā)射時(shí)因?yàn)槔鋮s問(wèn)題被中止發(fā)射的3號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)就是曾在發(fā)現(xiàn)號(hào)航天飛機(jī)上服役，總共使用過(guò)6次： 左下角為2058號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，使用次數(shù)：6次 各位一定發(fā)現(xiàn)了右上角編號(hào)為2045的發(fā)動(dòng)機(jī)，使用次數(shù)竟然達(dá)到了12次，上文已經(jīng)說(shuō)明航天飛機(jī)是重復(fù)使用的，這也不讓人意外，SLS的第一次發(fā)射的四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)編號(hào)和歷次使用記錄如下： 2060: 127, 131, 135 2058: 116, 120, 124, 119, 129, 133 2045: 89, 95, 92, 102, 105, 110, 113, 121, 118, 127, 131, 135 2056: 78, 81, 85, 90, 88, 104, 109, 114, 121
其中時(shí)間次數(shù)最多2045和使用時(shí)間最早的2056發(fā)動(dòng)機(jī)真是讓人目瞪口呆啊，2045的最早記錄實(shí)在STS-89任務(wù)中，這是1998年1月23日 – 1998年1月31日的奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)、執(zhí)行的是前往和平號(hào)空間站的任務(wù)，你沒(méi)看錯(cuò)啊，是俄羅斯的和平號(hào)空間站！
還有2056號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，最早是哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)在1996年6月20日 – 1996年7月7日?qǐng)?zhí)行的STS-78任務(wù)，這次任務(wù)還測(cè)試了哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的某塊主板。這四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的著名任務(wù)列表如下：
最古老的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)居然是26年以前的，可能比很多朋友的年齡都要大，筆者當(dāng)年也是在上中學(xué)，這到底是種怎樣的發(fā)動(dòng)機(jī)？ RS-25：來(lái)自1970年代的分級(jí)燃燒循環(huán)氫氧機(jī) RS-25是Rocketdyne（洛克達(dá)因）為航天飛機(jī)設(shè)計(jì)制造的一種低溫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其最早歷史可以追溯至1960年代，不過(guò)其真正的設(shè)計(jì)制造開始于1970年代，1981年4月12日在STS-1上實(shí)現(xiàn)了首飛，此后經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，最新版為RS-25D（2001年首飛），這種發(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)如下（RS-25D數(shù)據(jù)）： 這幾個(gè)指數(shù)即使放到現(xiàn)在也不低，比如著名的阿麗亞娜-5火箭的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)Vulcain 2，它的級(jí)別相差還是比較大的： 另外還有日本的H2A的一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)LE-7A： 甚至也不低于后來(lái)研發(fā)的前蘇聯(lián)的“能源號(hào)”運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)RD-0120，這是蘇聯(lián)版“航天飛機(jī)”的主發(fā)動(dòng)機(jī)，其主要參數(shù)如下： 雖然這幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力不一樣，但技術(shù)性能還是可以做一些對(duì)比，比如循環(huán)就決定了這些發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)級(jí)別，分級(jí)燃燒循環(huán)技術(shù)（高壓補(bǔ)燃或者閉式循環(huán)）技術(shù)要比燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（開式循環(huán)）要好得多。
這是將燃料和氧化劑從儲(chǔ)箱泵入燃燒室的技術(shù)，壓力越大表示技術(shù)越好，燃燒室的壓力基本就能看出發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的高低，燃?xì)獍l(fā)生器室壓比較低，一般就十多兆帕，分級(jí)燃燒比較高，全流量，基本能達(dá)到20兆帕左右，全流量分級(jí)燃燒最高，能達(dá)30兆帕級(jí)別（1兆帕約為10個(gè)大氣壓），壓力越高也在另有一個(gè)方面反映了比沖更高，不過(guò)推力卻不一定，這個(gè)和流量有關(guān)。 RS-25的原理圖 從這些發(fā)動(dòng)機(jī)的對(duì)比中可以了解到RS-25的技術(shù)不低，甚至與我國(guó)在研的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，也不會(huì)差到哪里去，比如我國(guó)規(guī)劃中的YF-90發(fā)動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如下： 循環(huán)：分級(jí)燃燒循環(huán)
推力：2200千牛（約220噸）
比沖：316.7秒（海平面）453秒（真空）
室壓：18.3MPa
總流量：516.3千克/秒 YF-90的氫氧機(jī)室壓略低于RS-95和RD-0120，但真空比沖和兩者并無(wú)二致，這表示YF-90在其他方面的技術(shù)上彌補(bǔ)了不足，據(jù)介紹，YF-90的燃燒室效率極高，達(dá)到了99.7%以上，另外在高效補(bǔ)燃噴注器、大流量推力室穩(wěn)定燃燒、大熱流身部熱防護(hù)、高效率噴管造型、大尺寸高效再生冷卻噴管、大尺寸單壁氣膜/輻射冷卻噴管等六項(xiàng)關(guān)鍵子技術(shù)都有相當(dāng)?shù)耐黄?，這也是YF-90能達(dá)到如此高比沖的原因。
目前關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)通過(guò)驗(yàn)證，研制工作進(jìn)展順利，不過(guò)到現(xiàn)在為止尚未進(jìn)行全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)試車，因此以上技術(shù)參數(shù)暫時(shí)還停留在在工程技術(shù)階段。我國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有能和RS-25匹敵的發(fā)動(dòng)機(jī)，最接近的YF-77參數(shù)差別還是不?。?/p> 循環(huán)：燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)（開式循環(huán)）
推力：7000千牛（約70噸）
比沖：428秒（真空）
室壓：10.1MPa 這里簡(jiǎn)單說(shuō)明下開式循環(huán)為什么技術(shù)差距比較大，這種循環(huán)是將預(yù)燃室的氧和氫在高溫渦輪側(cè)燃燒后推動(dòng)渦輪泵（單軸雙渦輪）給燃燒室和發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃料，一般情況下氫氧在高溫渦輪內(nèi)燃燒溫度很高，因此科學(xué)家就想出了一個(gè)好辦法，注入過(guò)多的氫讓其工作在富燃狀態(tài)（不完全燃燒），排出的“廢氣”中含有大量可燃的氫，而開式循環(huán)就是將其直接排出到外界，因此非常浪費(fèi)。
開式循環(huán)比較簡(jiǎn)單，渦輪工作壓力也比較低，當(dāng)然開式循環(huán)也不是一無(wú)是處，有的還將開式循環(huán)噴出的“廢氣”用來(lái)擺動(dòng)控制姿態(tài)，但有一點(diǎn)是沒(méi)法改變的，浪費(fèi)了燃料，室壓也不高，導(dǎo)致比沖比較低，分級(jí)燃燒循環(huán)則是將這些廢氣送入燃燒室再燒一次，增加了利用率，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖。 SpaceX的默林發(fā)動(dòng)機(jī)為開式循環(huán) 所以YF-77雖然性能也不錯(cuò)，但讓它和分級(jí)燃燒的發(fā)動(dòng)機(jī)去比技術(shù)性能確實(shí)有點(diǎn)勉強(qiáng)了，因此就目前而言，我們還真沒(méi)有能和RS-25匹敵的發(fā)動(dòng)機(jī)，只有未來(lái)的YF-90造出來(lái)才能讓雙方站到同一條起跑線上。 RS-25 不得不承認(rèn)，我們?cè)跉溲鯔C(jī)上確實(shí)落后了，原因是多種的，氫氧機(jī)也很少拿來(lái)做一級(jí)火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)，早期我們用的是肼類燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，這種燃料有毒，所以被稱為毒發(fā)。后來(lái)我們開始涉足液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，最新的YF-130參數(shù)已經(jīng)進(jìn)入了全球頂級(jí)液氧煤油機(jī)的行列。
未來(lái)的YF-90氫氧機(jī)也將讓我們躋身全球頂級(jí)氫氧機(jī)俱樂(lè)部，氫氧燃燒之后的廢物是水，而且有大量的太陽(yáng)能制氫能力可以發(fā)掘，前途無(wú)量！我們認(rèn)識(shí)到不足，我們砥礪前行，我們的目標(biāo)是星辰大海！
|
