戰(zhàn)神火箭淘汰航天飛機(jī)

有點(diǎn)兒偏執(zhí)的NASA 終于拋棄了航天飛機(jī)。NASA 的科研人員把眼光重新放到了30 年前的航天黃金時代的更加可靠與廉價的“土星”火箭，將它脫胎換骨設(shè)計(jì)成未來的“戰(zhàn)神”火箭。火箭的名號阿瑞斯（Ares）和火星的英文名馬爾斯（Mars）分別是希臘和羅馬神話中的戰(zhàn)神，不知這是否暗示“戰(zhàn)神”火箭的終極目標(biāo)是登陸火星？

肯尼迪太空中心，郁金香狀的發(fā)射架上是美國下一代太空運(yùn)輸?shù)闹髁Α皯?zhàn)神1 號”運(yùn)載火箭。和臃腫的航天飛機(jī)不同，它看上去更像一艘上世紀(jì)70 年代的復(fù)古航天器：箭身細(xì)長，上端逐漸變細(xì)成一尖頭，尾端安裝了優(yōu)美的鰭。忽然，火箭的噴嘴噴出一團(tuán)云狀煙霧，夾雜著從點(diǎn)火裝置中濺出的火花，接著是黃得發(fā)紅的廢氣。戰(zhàn)神的一級火箭使用固體燃料，固態(tài)火箭推進(jìn)器帶著3000℃以上明亮粗壯的火柱升空。火箭直刺蒼穹，保持豎直上升以縮短在大氣層中飛行的距離，以最少的能量損失克服作用于火箭遇上的空氣阻力和地心引力。隨后，火焰變長，火箭的速度越來越快，然后開始傾斜。到了關(guān)鍵時刻，火箭加速突破了音速，箭體振動了一下，但是運(yùn)氣不錯，并沒有發(fā)生令人擔(dān)心的“蹺振（pogo）”問題。蹺振是多級火箭飛行時所裝載的液體燃料可能發(fā)生的強(qiáng)烈共振，如果不能控制就可能導(dǎo)致箭體爆炸。火箭后部形成了一條白色條紋，清晰地掛在天上，這是火箭廢氣在高層冷空氣中凝結(jié)而自然形成的煙霧狀蹤跡。遍布高空的強(qiáng)風(fēng)很快就將這白色條紋撕扯成鋸齒狀。這時芯級分離，第二級火箭，也就是離地級的J-2X 發(fā)動機(jī)開始工作，它使用液氫和液氧燃料，把火箭送入一條圓形軌道。離地級的整流罩分離，藏在其中的就是著名的下一代“乘員探索飛行器”——“獵戶座”飛船，“獵戶座”飛船與登月艙交會對接。對接后，離地級讓J-2X 發(fā)動機(jī)再次點(diǎn)火，掙脫地球引力，開始飛往月球的征程。

這還不是真的發(fā)射，只是NASA 的模擬影像，用來展示“戰(zhàn)神”的力量。戰(zhàn)神火箭的真正發(fā)射至少還要5 年時間，而“試用版”戰(zhàn)神的發(fā)射也許就在今年7 月。NASA 已經(jīng)痛下決心，拋棄華而不實(shí)的航天飛機(jī)，轉(zhuǎn)投戰(zhàn)神火箭的懷抱。

從航天飛機(jī)回歸火箭

2009 年3 月28 日，“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)平安歸來，億萬人懸著的那顆心總算落下。自1984 年8 月30 日首飛以來，“發(fā)現(xiàn)號”真的老了，以至于近期的一次飛行一拖再拖，從最初的2 月12 日，一直到3 月15 日，甚至還不如朝鮮的“光明星2 號”發(fā)射那么準(zhǔn)時。延誤了空間任務(wù)自不必說，燃料箱隔熱泡沫脫落、外部燃料箱的液態(tài)氫傳輸管發(fā)生泄漏等舊疾更讓人心里不禁琢磨：這款20 世紀(jì)80 年代的NASA 牌航天飛機(jī)系列老爺車，到底還能飛多遠(yuǎn)？航天飛機(jī)的方案一度非常理想。在1969 年的洛克希德公司，曾經(jīng)設(shè)計(jì)過“雷神號”火箭的主任設(shè)計(jì)師麥克斯韋· 亨特（Maxwell Hunter）琢磨著一個可重復(fù)使用的運(yùn)載火箭方案。“土星1B”或“大力神3 號”都只能使用一次，而“發(fā)射再入集成運(yùn)載火箭”可以像飛機(jī)一樣反復(fù)飛行節(jié)約成本。這個想法與“水星號”和“雙子星座號”的設(shè)計(jì)師馬克西姆· 費(fèi)格特（Maxime Fage） 不謀而合。NASA希望這種飛船能在地面和軌道之間頻繁地來回穿梭，這種飛船后來成為眾所周知的航天飛機(jī)。按照原定計(jì)劃，NASA 的研發(fā)成本應(yīng)該是51.5 億美元，每次飛行的成本是460 萬美元，最多不超過1040 萬美元。后來我們知道，航天飛機(jī)沒有想象中美好。“挑戰(zhàn)者號”、“哥倫比亞號”的兩次悲劇，硬件問題反復(fù)出現(xiàn)，外加每架航天飛機(jī)30 億美元的造價，每次飛行約5 億美元的維護(hù)和檢修成本，揭示了一個尷尬的事實(shí)——航天飛機(jī)不是幻想中的低成本、可重復(fù)利用、值得信賴的太空運(yùn)輸工具。

事實(shí)擺在眼前，NASA 不得不承認(rèn)，多級火箭這種運(yùn)載方式雖然簡單、廉價，顯得不那么未來科技，甚至連朝鮮和伊朗都能掌握，卻仍然是最好的選擇。2005 年，星座計(jì)劃公布，包含一系列新的航天器、運(yùn)載火箭以及相關(guān)硬件，它們將在包括國際空間站補(bǔ)給運(yùn)輸 以及登月等各種太空任務(wù)中使用。其中用到的火箭是戰(zhàn)神系列運(yùn)載火箭——“戰(zhàn)神1 號”完成載人計(jì)劃，“戰(zhàn)神5 號”提供“戰(zhàn)神1 號”運(yùn)載火箭補(bǔ)給的載貨。它們的工作都是將美國人帶到月球甚至更遠(yuǎn)的火星。

戰(zhàn)神的血統(tǒng)

星座計(jì)劃來源于阿波羅計(jì)劃，又不同于阿波羅計(jì)劃。運(yùn)載量加大是一方面，安全性的加強(qiáng)也很受NASA 關(guān)注。星座計(jì)劃不再是將人和貨物一起送上月球，而是采取人貨分離的方案。宇航員搭乘可以重復(fù)使用的“戰(zhàn)神1 號”所載的太空艙進(jìn)入軌道。一旦進(jìn)入軌道，它將與“戰(zhàn)神5 號”搭載的環(huán)繞地球運(yùn)行分離艙對接，然后與登陸器、貨物和補(bǔ)給一起前往月球。“獵戶座”太空船位于“戰(zhàn)神1 號”火箭上部，燃料箱不像航天飛機(jī)在機(jī)側(cè)，宇航員遠(yuǎn)離了發(fā)動機(jī)點(diǎn)火和絕熱材料脫落造成的危險，如此一來，安全性得到了提高。

戰(zhàn)神火箭的設(shè)計(jì)同時吸收了航天飛機(jī)和運(yùn)載火箭的技術(shù)。NASA 的年輕工程師以及承包商參觀了史密森學(xué)會以及休斯頓航天中心，他們都想弄清楚他們的前輩到底是如何將人類送上月球。所以NASA 的局長邁克爾· 格里芬（Michael Griffin）將這一新計(jì)劃描述為“阿波羅兄弟計(jì)劃”。同時戰(zhàn)神1號的技術(shù)基于航天飛機(jī)的固態(tài)火箭推進(jìn)器和航天飛機(jī)外燃料箱，第一級子火箭使用固體燃料火箭推進(jìn)引擎。而第二級子火箭則使用液態(tài)氧和液態(tài)氫燃料，將使用J-2X 發(fā)動機(jī)。

J-2X 是J-2 的改進(jìn)版， 而J-2 發(fā)動機(jī)曾是NASA 所擁有的最強(qiáng)勁的液氫液氧發(fā)動機(jī)。最初，NASA 更看好航天飛機(jī)主引擎（SSME），想由它來擔(dān)當(dāng)戰(zhàn)神第二節(jié)的心臟，無奈SSME 價格太貴，最終只好把眼光轉(zhuǎn)到性價比更高的J-2，它曾為土星5 號運(yùn)載火箭的第三級提供動力，立下過豐功偉績。1971 年阿波羅飛船登月任務(wù)中，阿波羅進(jìn)入地球軌道后熄火，這時需要“土星5 號”第三級J-2 重新點(diǎn)火啟動。J-2 漂亮地完成了任務(wù)，將飛船加速到第二宇宙速度飛向月球。除此以外，J-2X 還從J-2的簡化型號J-2S 吸取靈感。J-2S 淘汰了原來的燃?xì)獍l(fā)生器，因?yàn)樗速M(fèi)一些額外的燃料，用來驅(qū)動渦輪以輸送燃料。而J2-S 直接用燃燒室上的管道的熱量來運(yùn)送燃料。2008 年9 月，洛克達(dá)因公司宣布J2-X 的燃?xì)獍l(fā)生器試驗(yàn)成功。

此外，雖然J-2X 火箭引擎是J-2 的改良版，燃料儲存系統(tǒng)卻是全新的。原先計(jì)劃由航天飛機(jī)外燃料槽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改， 以“ 內(nèi)槽”的方式分開燃料槽及氧化劑槽。最后使用阿波羅時期的概念，并不用內(nèi)槽結(jié)構(gòu)來減輕重量，而是在兩個槽間以隔壁隔開——以隔板隔開的燃料槽可裝載約135 噸燃料，借此可使火箭第二節(jié)較短且輕，且免去設(shè)計(jì)第二節(jié)及獵戶座太空船連結(jié)處所必須承受太空船的重量。看來，那些參觀史密森學(xué)會以及休斯頓航天中心的NASA的年輕工程師和承包商還真沒少做功課。

戰(zhàn)神的膂力

有了J-2X，“戰(zhàn)神5 號”的運(yùn)載能力將超過目前世界上所有的火箭，龐大的整流罩能足可以裝下8 輛大巴， 它一次能運(yùn)載188 噸（大約相當(dāng)于20 輛大巴）物件至近地軌道，或71 噸至月球軌道。“戰(zhàn)神5 號”運(yùn)載重物的質(zhì)量是航天飛機(jī)載重量的8.5 倍，容量是航天飛機(jī)的3 倍。除了月球，NASA 也計(jì)劃通過“戰(zhàn)神5 號”將航天器發(fā)送到火星。或者，哪天小行星想撞地球了，它也能將宇航員送到外太空的小行星上，也許能阻止小行星飛蛾撲火的行為。

當(dāng)然，天文學(xué)家也對“戰(zhàn)神5 號”很期待，因?yàn)榫薮蟮耐屏梢园l(fā)射更大的望遠(yuǎn)鏡。馬歇爾太空飛行中心光學(xué)工程師菲爾· 斯塔爾（Phil Stahl）舉例說明了這一點(diǎn)：“戰(zhàn)神5 號可以攜帶直徑達(dá)8 米的超大口徑望遠(yuǎn)鏡，我們目前已掌握了制造這種望遠(yuǎn)鏡的技術(shù)。由于不必將大型望遠(yuǎn)鏡放到小型運(yùn)載火箭上發(fā)射，這樣，發(fā)射的危險相對較低，同時在成本方面還存在巨大優(yōu)勢。”而下一代的太空望遠(yuǎn)鏡不再像哈勃那樣是一個單獨(dú)的鏡筒， 而是多塊鏡片拼裝起來，更像是一個衛(wèi)星天線的模樣。先進(jìn)技術(shù)大孔徑太空望遠(yuǎn)鏡（ATLAST），一臺設(shè)計(jì)直徑最大16 米的分段式光學(xué)/ 紫外望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)確定由“戰(zhàn)神5 號”發(fā)射。它將比2.4 米口徑的哈勃清晰6倍，可以看到暗40 倍的天體，從而可以獲取繞附近恒星( 距地球60 至70 光年遠(yuǎn)) 旋轉(zhuǎn)的地球質(zhì)量行星的光譜，可以從這些行星的光譜信號中探測氧氣和水、甚至生命存在的痕跡，還可以探究星系和黑洞之間的聯(lián)系。

雖然這至少是5 年后的事，但是“測試版”戰(zhàn)神I-X 已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。這是一次亞軌道不載人的試驗(yàn)飛行，2009 年3 月20 日，戰(zhàn)神I-X 的最后一級零件已經(jīng)由4000 多千米外的猶他州運(yùn)到了肯尼迪航天中心，發(fā)射日期最初定在4 月15 日，不過因?yàn)楣S修任務(wù)的推遲無法實(shí)現(xiàn)了，要推遲到7 月11 日發(fā)射。不過到了這個日子能否準(zhǔn)時試飛還很難說，NASA 拖延發(fā)射的習(xí)慣似乎不會因?yàn)閼?zhàn)神的出現(xiàn)而有所改變。