美国新登月火箭何以上天难？

来源：世界军事作者：赵金才

由于担心热带风暴可能对发射造成影响，美国美国国家航空航天局宣布，新登原定9月27日发射的月火新一代登月火箭再次延期发射，这已是箭何美国今年第三次推迟发射计划。美国国家航空航天局局长比尔·纳尔逊在新闻发布会上说：“两次取消（发射）的上天成本显然比一次失败（发射）要低得多。”对美国航天部门而言，美国难以承受新一代登月火箭失败之重。新登何谓新一代登月火箭？月火美国为什么接连推迟新一代登月火箭的发射？这背后有哪些深层次的原因？本文为您解析。

命运多舛的箭何新一代登月计划

1961年5月，美国开始实施载人登月的上天“阿波罗计划”。1969年7月，美国“阿波罗11号”载人飞船成功在月球着陆。新登1972年，月火美国中止“阿波罗计划”。箭何“阿波罗计划”结束后，上天美国载人登月的脚步一停就是近50年。

2017年，时任美国总统特朗普签署1号太空政策总统令，号召美国重返月球。2019年，美国国家航空航天局（下文简称NASA）发布了未来登月及与相关企业合作的计划。至此，美国重返月球不再停留于口号，而是开始动真格的了。这一重返月球计划以希腊神话中太阳神阿波罗的孪生姐姐阿尔忒弥斯命名，即“阿尔忒弥斯计划”。

NASA宣称，“阿尔忒弥斯计划”是一次全新的载人登月计划。美国为实现“阿尔忒弥斯计划”制订了三步走的计划及详细的时间表。按照最初的计划，第一阶段，“阿尔忒弥斯1号”任务将于2020年下半年执行，由安装在“太空发射系统”（SLS）重型火箭上的“猎户座”飞船围绕月球进行为期3周的无人飞行，然后返回地球。第二阶段，“阿尔忒弥斯2号”任务将在2023年执行，“猎户座”飞船搭载4名宇航员绕月球远端飞行。该任务主要测试“猎户座”安全载人往返月球的能力。第三阶段，“阿尔忒弥斯3号”任务于2024年执行，“猎户座”飞船将宇航员送至月球表面。NASA希望，其间，将两名宇航员（男女各一名）送到月球南极，2028至2030年建立人类第一个月球基地，实现人类在月球定居、学习，并将其作为前往火星或进行其他星际探索的中转站。

然而，美国的重返月球计划一波三折。堪称美国重返月球计划核心的“太空发射系统”重型火箭，首次发射时间一推再推。2020年1月，NASA针对“太空发射系统”火箭芯级进行了初次“热火”测试。试验中，由于“太空发射系统”的一个元件出故障，导致计算机主动关闭发射引擎，整场点火只持续约1分钟，远未达到原定的8分钟点火目标。为此，NASA安排了第二次热试车。然而，就在试验日即将到来时，NASA的工程师们在一次常规检查中发现“太空发射系统”芯级上一个用来提供液氧的阀门出了故障，原定的测试不得不延期。直到2021年3月，“太空发射系统”火箭芯级才完成测试。2022年3月至6月，又经过一系列的演练后，首飞前的所有准备工序才宣告完成，之后确定在2022年8月29日执行“阿尔忒弥斯1号”任务。

当地时间8月29日，美国佛罗里达州的肯尼迪航天中心发射场外，聚集了成千上万名航天爱好者，人们等待着见证美国新一代登月火箭的首次发射。航天中心内挂满写着“我们出发”的横幅，发射场外的大型计时器，两天前就已开始倒计时。美国副总统哈里斯也到现场观看发射。然而，发射窗口期（美东时间8月29日8时33分至10时33分）到了，火箭却没有动静。NASA网站随后发布消息，由于发动机故障，发射指挥部叫停了当天的发射计划。

其实，今年早些时候，登月火箭发射的4次“彩排”就问题重重，但这些问题似乎没有得到彻底解决。当地时间9月2日，因液氢泄漏问题，“阿尔忒弥斯1号”任务再次推迟执行。9月21日，火箭的燃料测试工作终于完成。然而，当地时间9月24日，NASA表示，由于热带风暴“伊恩”将于9月最后一周袭击肯尼迪航天中心所在地佛罗里达州，原定9月27日进行的登月火箭发射再度取消。这是美国今年第三次推迟登月火箭发射。

“阿尔忒弥斯1号”的技术难点

抛开热带风暴袭击等客观原因，“阿尔忒弥斯1号”接二连三地被推迟，技术上面临怎样的困境？

针对9月初的推迟发射，NASA官方给出的解释是由于氢燃料泄漏。这是火箭技术发展史上最难排除的故障，也是导致重大事故发生的大概率隐患。在大气层内，火箭箭体与空气摩擦产生的数千度高温会引燃泄漏的液氢，导致火箭爆炸。历史上的航天事故，大多都与动力装置的推进剂和密封泄漏有关，比例达60%至70%甚至更高。氢燃料的缺点是很难运输和控制，因为氢分子很小，容易泄漏，而维持液体状态还需要冷却到极低温度。更重要的是，液态氢极易挥发，有大规模燃烧的风险。NASA曾表示：“为了防止蒸发或沸腾，以液氢为燃料的火箭必须小心与所有热源隔开。当液氢吸收热量时，会迅速膨胀，因此还需要进行必要排气，防止燃料储罐过压发生爆炸。而暴露在极冷液氢中的金属会变得易碎。此外，液氢会通过焊缝中的微小孔隙泄漏出来。”数据显示，40米高的液氢储罐在充满超冷液体后，长度会缩短152毫米，直径缩小25.4毫米。这样一来，管道、排气管及支架等连接到储罐的组件必须补偿这种突然发生的收缩，密封就成了难题。一旦发生液氢泄漏，泄漏的氢气超过一定比例，随时可能与空气中的氧发生化学反应，从而引发爆炸。所以，发现液氢泄漏，必须按照氢燃料安全规范泄回所有加注满的超低温液氢燃料和低温氧化剂液氧，多轮次的氮气置换后才能撤离发射塔架，运回设备总装大厅进行故障修复。这个周期不亚于重新组织一次火箭的现场测试工作，难度和风险极大。因而，液氢燃料泄漏问题难以在现场短时间排除。

液氢泄漏对NASA来说已是发射顽疾。最著名的事件是1990年的“氢气之夏”，当时，地面小组花了6个多月的时间试图找到氢气泄漏的根源。这一问题导致美国航天飞机在1990年全年停飞。

业内人士表示，NASA在“太空发射系统”火箭上继续使用退役航天飞机采用的液氢液氧推进系统，延续航天飞机用液氢和液氧的双组元推进模式。其优点是关键性能参数比冲很高，液氢的比重很小，燃料体积紧凑、燃烧效率高，用于深空探测的空间推力大，但其固有属性也带来一系列不好解决的问题。

NASA“阿尔忒弥斯”任务主管迈克·萨拉芬说，“整个探索项目的全部组合，包括‘猎户座’飞船、‘太空发射系统’火箭，以及由火箭和飞船的飞行测控及发射系统构成的地面体系”。除了液氢泄漏这种顽疾，“阿尔忒弥斯1号”任务的船箭组合与“阿波罗计划”完全不是一个概念。“猎户座”飞船2014年已完成无人试飞。这个脱胎于“阿波罗”飞船的新式载人飞船，比“阿波罗”飞船大出许多。除了个头更大，“猎户座”飞船融入了电脑、电子、维生系统、推进系统及热防护系统等诸多新技术。而作为有史以来推力最大的火箭，“太空发射系统”的发动机构造、燃料类型、箭体材料等都发生了变化。“太空发射系统”火箭芯级由4台RS-25发动机组成，外加两个固体火箭助推器，整体产生的推力相当可观。尽管RS-25发动机的口碑不错，也经历多次升级，但一些NASA专家认为不应该选择此类发动机，因为其技术状态都已过时。总的说，“太空发射系统”和“猎户座”的组合，是航天技术升级的尝试，意味着“阿尔忒弥斯1号”任务执行起来的确有相当的难度。

“人祸”影响的新一代登月火箭

美国新一代登月火箭因液氢泄漏推迟发射，虽然故障点和技术难点在这里，但导致这一故障的出现是一种必然。

应当承认，美国于20世纪80年代诞生的航天飞机，是世界航天史上伟大的航天工程科技成就，彰显了美国的科技创新能力，但由此也助长了美国国家航空航天局和由美国军工寡头利益集团控制的管理机构日益膨胀的官僚习气，这直接造成1986年“挑战者”号航天飞机在空中因密封圈漏火爆炸和2003年“哥伦比亚”号航天飞机重返地球大气层时解体。这两次任务的失败和14名宇航员的牺牲，暴露了NASA在航天管理和技术发展上的重大战略失误和风险把控能力的不足。此后，美国航天政策出现一系列调整，技术路线也随之发生变化。

2004年，共和党小布什政府上台，针对NASA在航天飞机上存在的严重超支和管理问题，提出了重返月球的“新空间探索计划”。该计划提出的17项使能技术，代表了未来空间领域的关键技术、方向及措施。其最有代表性的政策措施是引入竞争机制，打破以波音、洛克希德-马丁为代表的传统航天企业的垄断，支持更多的私营航天企业发展。

2008年，奥巴马政府上台后，需要一个新的航天计划体现民主党的话语权和领导力，便以预算太贵为由取消了“新空间探索计划”的“后登月时代”的宏大计划，专注于将人类送上火星的火星探测计划。这种背景下，以太空探索技术公司（SpaceX）为代表的新兴私营航天企业（又称新航天私企）得以发展壮大。然而，2010年，美国国会指示NASA研发一款一次性的“太空发射系统”重型火箭取代航天飞机项目，将宇航员送上太空，而“太空发射系统”重型火箭是由波音与洛-马联合研制的。

共和党的特朗普登上美国总统宝座后，重拾“新空间探索计划”的衣钵。特朗普和他的顾问团队梦想着“来自私营航天的美国宇航员，乘坐私营公司的太空船环绕月球飞行”。他们给予正在开发与测试将货物与宇航员送往太空的新航天私企极大的信任，后者也从中得到极大利益。美媒报道，SpaceX公司官首席技术官埃隆·马斯克曾与特朗普面谈，马斯克本人也是总统商业领袖咨询委员会的成员，他们与国会中代表新航天私企的议员是同一个利益集团。

然而，美国总统轮流坐。眼下，美国通胀持续加剧、失业率不断上升、经济即将陷入衰退，新登月计划在拜登政府手中已成巨大的烫手山芋，很难投入相应的资金支持其发展。航天战略规划上的反复摇摆，体现了美国两党将航天发展当成政治筹码和获取利益的工具。而以政治心态而非科学态度来指导航天的战略规划，不可避免地埋下战略和技术风险。

2021年11月9日，前参议员、NASA局长尼尔森接受美国有线电视新闻网采访。从他回答媒体的提问中，美国航天中的另一种“人祸”可见一斑。按尼尔森的说法，美国蓝色起源公司需要为NASA无法按计划推进“阿尔忒弥斯计划”负重要责任。因在与SpaceX争夺与NASA合作开发载人登陆系统中落败，蓝色起源公司一怒之下将美国政府告上法庭。在长达7个月的诉讼中，NASA被明令禁止就载人登陆系统问题与SpaceX进行任何接触。直到2021年11月5日，联邦法官驳回蓝色起源公司对NASA的起诉后，尼尔森才和SpaceX就载人登陆系统问题进行首次接洽。

NASA在管理上的技术官僚化也为失败埋下伏笔。芝加哥大学太空历史学家乔丹・比姆表示，NASA坚持在SLS火箭上使用液氢做推进剂，并不是出于技术方面的原因。比姆说：“自1958年NASA成立以来，一直在利用遍布美国各地的承包商维系美国国会对太空探索的政策支持和资金支持。”“2010年，美国国会在资助NASA的授权法案中，明确要求NASA在新一代发射系统中使用现有的航天飞机技术。”他补充说：“这个决定是为了在关键选区维系NASA承包商的饭碗，让他们从美国国会对NASA的支持中获益。”比姆表示，NASA“必须经常优先考虑如何获得美国国会的支持，从而维持太空探索计划”。这道出了使用上述具有重大技术灾难隐患的内在原因。

差钱又是一个问题。尼尔森表示，国会没有给“阿尔忒弥斯计划”载人登陆系统（HLS）足够的资金支持。2021财年，NASA为该系统申请的预算是33亿美元，国会最终只给了8.5亿美元。2020年9月，《福布斯》杂志刊文称，NASA当时预估完成整个“阿尔忒弥斯计划”大概需要花费280亿美元。而NASA发布于2021年4月19日的一份官方文件显示，NASA预估，到2025财年，“阿尔忒弥斯计划”的总花费将达到860亿美元。

此外，多份政府审计和调查报告发现，NASA在管理载人航天探索的方式上存在问题。2019年，马克·斯兰格洛从NASA辞职。辞职前，他曾帮助领导过NASA的重返月球计划。斯兰格洛认为，NASA之所以未能取得任何可以跟“阿波罗计划”相提并论的载人航天成就，组织问题可能是主要原因之一，“许多情况下，缺失的其实是管理技术的方式，是管理合同的方式，还有设置计划的方法。这些事情也需要有所创新才行”。

由于“阿尔忒弥斯1号”任务延期，2021年，NASA宣布正式放弃2024年登月的目标，将载人登月的时间推迟到2025年。

新载人登月计划寄托了美国航天重振雄风的梦想，然而，诸多因素掣肘之下，新一代登月火箭何时升空是个问题。

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