美國前宇航員：我們為什么需要SLS火箭

+ 張雪松

美國航天發射系統（SLS）重型火箭首飛時間不斷推遲，已經從2017年推遲到2020年，至于SLS重型火箭昂貴的研制預算和高昂的發射費用更是反對者攻訐的目標。SLS火箭研制已經花了約120億美元，而每枚的發射成本也高達至少5億美元。美國如此其他國家也不樂觀，俄羅斯重型火箭始終是紙面游戲，中國的重型火箭長征九號遲遲未獲立項。因此，美國太空探索技術公司的重型獵鷹火箭今年首飛成功后，很多人都表示強烈的質疑：人類真的需要SLS這樣的重型火箭么？

美國網站上質疑SLS的文章

近日，參加過阿波羅17號任務的宇航員哈里森·施密特撰文表示，SLS重型火箭仍然有著無可替代的作用。本文簡單整理了他的觀點。

深空任務的運力門檻

重型獵鷹火箭一次性使用（即不回收）時可以向月球發射20噸載荷，兩枚助推器海上回收時運力為18噸；而SLS Block 1火箭運力達到約27噸，改進的SLS Block 1B更可以達到40噸，一枚SLS火箭的運力相當于兩枚重型獵鷹火箭。SLS火箭發射成本為5億美元，而重型獵鷹火箭只有1.3億美元，看上去使用SLS十分吃虧，但事情并非如此。

阿波羅登月時代，兩艙式的阿波羅飛船重量約28.8噸，其中指令艙重約5.56噸、服務艙重約23.2噸。時隔幾十年后，新一代的獵戶座飛船功能更強，內部空間更大，安全性和自動化程度更高，但它的服務艙無需承擔近月制動任務，兩艙整體重量反而略有降低，但也達到了約27噸。SLS Block 1將是未來唯一能發射這種大型飛船的火箭，而下一個版本SLS Block 1B火箭除了發射獵戶座飛船，還能順路帶上十幾噸的有效載荷，成為人類重返深空的鋪路石。

風頭正勁的重型獵鷹火箭又如何呢？它具備將63.8噸的載荷送入近地軌道的能力，但作為一種二級的液氧煤油動力火箭，深空軌道運力就不那么出色了，它只能將約20噸載荷送入地月轉移軌道，這樣的運力比長征五號或是阿里安五號火箭高了不止一倍，但要將獵戶座飛船送入深空，實在力不從心。

SLS Block 1火箭效果圖

當然，很多人認為這是因為獵戶座飛船太重，那么“商業乘員開發”計劃中的載人龍或是CST-100飛船呢，它們的發射質量14-15噸，看起來重型獵鷹火箭夠用了，但這些商業載人飛船缺乏載人深空飛行的必要能力。如果說制導控制系統解決起來還比較容易，但必不可少的生命保障和環境控制系統，尤其是支持4人長達21天長期飛行的消耗，必將帶來顯著的增重。另外，獵戶座飛船還具有更大的速度增量，具備飛出月球軌道返回地球的能力，這也是其更重的重要原因。

如果為了滿足深空任務需求，把載人龍或CST-100飛船改進到獵戶座的水平，它們也輕不下來，畢竟CST-100本就在當年的競爭中輸給了獵戶座飛船。總而言之，載人深空飛船很難“減肥”，也就無法用重型獵鷹火箭發射。如果沒有這個發射能力，那么重型獵鷹火箭發射成本再低又有什么用呢？

畢格羅太空艙 BA2100

深空任務的空間門檻

地球以外軌道的深空運力是重型火箭的關鍵指標，獵戶座飛船沒法拆成兩半發射。當然，一些小型艙段可以用重型獵鷹火箭發射，比如LOP-G空間站的能源推進模塊（PPE）就打算用其射入地月轉移軌道。

然而，對于復雜艱巨的深空任務來說，運力只是一張入場券，整流罩容積同樣十分重要，容積決定了載荷的大小，即使可以把一個大系統分割為幾個部分多次發射，但這樣不僅增加了項目成本，也提高了任務延遲乃至失敗的風險。因此深空飛行任務對火箭的整流罩容積提出了很高的要求。

SLS Block 1只發射一次，將與獵戶座飛船聯合進行試驗性任務，而Block 1B火箭將正式執行任務，它擁有一個內部容積537立方米的整流罩，留給載荷的可用體積超過270立方米，足以容納大型艙段比如未來的深空運輸器（DST）。而重型獵鷹火箭整流罩內部空間只有它的約三分之一。如果用它化整為零的發射DST，可能需要4到6次發射任務，還要面臨風險不小的月球軌道組裝。假設一枚SLS火箭發射需要5億美元，但4到6枚重型獵鷹也需要5-8億美元，如果算上月球軌道組裝的成本和風險，SLS火箭的發射優勢是非常明顯的。

LUVOIR大型空間望遠鏡

另外，并不是所有的系統都能化整為零分散發射，比如畢格羅公司的BA2100大型充氣艙段，還有載人火星任務的DST或是更大的載人航天器，它們怎么可能拆成幾個部分發射呢？未來的LUVOIR大型空間望遠鏡，其主鏡直徑可達驚人的8-18米，使用韋伯望遠鏡的折疊技術后也只能用SLS火箭來發射；用重型獵鷹火箭分別發射它的子系統，然后在150萬千米外的L2軌道上自動組裝？實力雄厚、經驗豐富的NASA也沒有這樣的能力和信心。如果再發射比獵戶座更大、自持能力更強的飛船前去組裝，那需要的成本就真是天價了，遠不如一枚看起來昂貴的SLS直接打過去來得劃算。

重型運載火箭運力一覽①一次性發射時運力20噸，若要海上回收兩枚助推器，則運力為18噸。②一次性發射時的數據。

深空航天器重量一覽

結論

重型獵鷹這樣的商業火箭單位重量的發射成本更低，然而這樣的對比忽視了深空任務真正需要的東西。載人深空探索比我們熟悉的近地軌道任務難度更高、風險更大，隨之帶來對高性能和高可靠性的需求，僅僅實現載人深空飛行就具有不小的挑戰性。

無論是重返月球實現載人登月，還是進行月面開發，甚至是飛向更遙遠的小行星和火星，都是極具挑戰性的工作，目前只有研制時就針對這類任務專門設計的SLS火箭能滿足這樣的需求。重型獵鷹以及未來的新格倫火箭作為私營航天的代表，它們取得的成功很容易獲得世人的追捧，但土星五號和SLS這樣的“官辦”重型火箭仍然有無可取代的價值，除非太空探索技術公司的BFR超級火箭成為現實，否則SLS仍將是人類在月球和火星上實現長期駐留的關鍵。