NASA 的 Artemis 任务延误引发火箭设计的争议

该航天机构的太空发射系统火箭和 Orion 飞船的首次试飞因数十年前的设计问题而延误

NASA's next-generation moon rocket, the Space Launch System (SLS) Artemis 1, is shown at the Kennedy Space Center in Cape Canaveral, Florida, U.S. June 27, 2022.

NASA 的下一代月球火箭,太空发射系统 (SLS) Artemis 1,于 2022 年 6 月 27 日在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角肯尼迪航天中心展出。

在佛罗里达州卡纳维拉尔角及其周边地区,一切都与 Artemis 有关。色彩鲜艳的手绘标语牌上写着“Artemis 加油!”装饰着商店橱窗。大型临时街道标志标示着发射日的交通公告。宇航员、NASA 官员和航空航天工业主管挤满了酒吧,酒吧里充斥着关于 NASA 旗舰载人航天探索计划的谈话。

我们即将出发,”NASA 在该航天机构试图发射其 Artemis I 任务(巨型火箭 太空发射系统 (SLS) 和载人飞船 Orion 的首次测试)的前几天宣布。Artemis 以希腊神阿波罗的妹妹命名,是 NASA 的登月计划——该机构重返月球表面,甚至最终将人类送往火星的计划。

但首先,SLS 需要离开这个星球。而 NASA 的前两次发射尝试,分别计划于 8 月 29 日和 9 月 3 日在该机构的肯尼迪航天中心 (KSC) 进行,均告失败。下一次尝试暂定于 9 月 27 日进行,备选日期为 10 月 2 日——前提是储箱测试成功并获得发射许可。


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“我们在发射台上看到的情况对于新的发射系统首次投入运行时实际上相当典型,”Daniel Dumbacher 说,他在 NASA 工作期间负责监督 SLS 的初步开发,现在担任美国航空航天学会的执行董事。“我一点也不担心。是的,这是一个延误,但在更大的背景下,我们正在重建这个国家在阿波罗计划之后放弃的发射能力。”

现在,随着机构官员继续排除火箭故障,措辞已有所改变:他们很快重申 Artemis I 是一次试飞,而且是一次有风险的试飞。毕竟,这枚火箭是一台新机器——即使它的设计基于航天飞机时代的技术。顶部的飞船也是新的。如果一切顺利,SLS 将把无人 Orion 飞船发射到绕月球环绕的旅程中——这是对 Orion 飞船金属性能的关键测试的序幕,届时返航的飞船将尝试在地球大气层中幸存下来,经历一次炽热的高速重返大气层。

风险很高。这对组合已经超支且发射台发射时间晚了多年,已经耗费了约 430 亿美元的纳税人资金。在某些人看来,NASA 发射这枚火箭的困境并非出乎意料——但原因不同。

“我并不感到太惊讶,”NASA 前副局长 Lori Garver 说,她也是 Artemis 硬件的著名批评家。“不令人惊讶的原因之一是,他们十多年前做出的决定将他们锁定在这个设计中,而这个设计实际上并没有关注可操作性。”

SLS 和 Orion 是一个由多家传统航空航天公司制造的部件拼凑而成的“弗兰肯斯坦机器”——这并非源于 NASA 的任何任务驱动需求,而是来自有影响力的国会议员(如时任参议员比尔·纳尔逊(现任 NASA 局长))的政治压力,目的是保持资金流入他们所在的地区或州。结果是一个笨拙的装置,依赖于过时的技术,被戏称为“参议院发射系统”——再加上 Orion,每次发射的预计成本几乎高得令人难以置信,约为 40 亿美元。即使 SLS 成功发射,除了 Orion 和次要有效载荷外,其余极其昂贵的组件也不会被回收。相反,它要么被丢弃在海洋中,要么漂浮在太空中。

这与 SpaceX 等公司形成鲜明对比,后者优先考虑 可重复使用的火箭技术,并且自 NASA 8 月 16 日将 SLS 运到发射台以来,已从卡纳维拉尔角发射了五枚火箭。目前正在运行的最大型可重复使用 SpaceX 火箭 Falcon Heavy 已经飞行到太空三次;在最有利的情况下,根据具体的任务剖面和最终轨道目的地,Falcon Heavy 可以吊起约三分之二 SLS 的有效载荷,每次发射的价格约为 1 亿美元。

“在这些火箭领域拥有专业知识的公司希望保持业务,这意味着说服政策制定者以这种方式设计——即使每个人都知道我们在航天飞机上的这些系统存在所有这些问题,”Garver 说。“他们不知何故认为,将过去项目中挑剔、昂贵的部件以不同的方式组合在一起会很容易且具有成本效益。”

首次登月

在首次发射尝试的前一天晚上,该发射尝试计划于 8 月 29 日美国东部时间上午 8:33 进行,“太空海岸”(包括 KSC 及其在佛罗里达州周边的地区)已经挤满了数万名围观的游客和数百名压力重重的太空记者。所有人的目光都集中在 SLS 和 Orion 上,它们堆叠在一起,像一座 322 英尺高的白色和赭色雕像,在 KSC 39 号发射综合体的聚光灯下闪耀,在那里,为火箭加注燃料的数小时过程即将开始。人们对第二天的发射寄予厚望,但随着夜幕降临,麻烦也随之而来,就像每天下午都会打湿佛罗里达州浇水过多的草坪的暴雨一样可靠。

首先是天气延误。午夜左右,发射台附近发生雷击的可能性太高,团队无法开始为火箭加注燃料。大约一个小时后,暴风雨移出范围,储箱操作开始。为 SLS 加油意味着将约 190,000 加仑的低温液氧和 538,000 加仑的超冷液氢泵入主级储箱。这是一项精细的操作,因为低温推进剂是出了名的挑剔——而且具有爆炸性。

果然,团队很快在火箭底部检测到氢气泄漏——与湿彩排期间遇到的问题类型相同,也与经常导致航天飞机发射延误的问题类型相同:在 30 多年的时间里,NASA 的航天飞机平均每次发射都会中止约一次——通常是由于氢气泄漏。

氢是宇宙中最小、最轻的原子,是一种极好的推进剂,但它也是逃逸大师。“它是一个狡猾的小分子;它可以找到从事物中逃脱的方法,”Dumbacher 说。“它的挑战在于:在足够的浓度下,它可以在你不希望它燃烧的地方燃烧。”

团队继续推进并堵住了泄漏。储箱操作继续进行。然后,SLS 核心级的隔热泡沫中出现裂缝,但团队成员认为这不是问题并继续进行。不久之后,当传感器指示火箭的四个发动机之一在称为“冷却”的过程中没有冷却到适当的温度时,他们就不能如此掉以轻心了,“冷却”过程使发动机为超冷液氢的冷冲击做好准备。通常,团队会少量排放 -423 华氏度的推进剂通过系统,以在发射前调节四个发动机,但三号发动机似乎没有响应。

这就是终止发射的原因。发射主管 Charlie Blackwell-Thompson 在美国东部时间上午 8:40 左右宣布中止发射,巨大的倒计时时钟停在 T 减 40 分钟。

几天后,NASA 官员宣布,冷却程序可能进行得很好。该团队有足够的数据表明冷却剂正常流动,工程师们认为,报告温度异常高的传感器可能只是有故障。他们将在不修复它的情况下进行第二次尝试。“计划的一部分...是忽略传感器吗?”美国有线电视新闻网 (CNN) 记者 Kristin Fisher 在 9 月 1 日的新闻发布会上问道。“是的,”SLS 首席工程师 John Blevins 回答说,“我们会的。”

“看到仪器问题并不罕见;这只是公众不习惯看到的事情之一,”Dumbacher 说。

第二次登月

官员们将下一次发射尝试安排在 9 月 3 日,发射窗口为美国东部时间下午 2:17 开始的两小时。随着劳动节临近,这个节假日周末将吸引更多的人群——这次多达 40 万人。

同样,问题很快堆积如山。储箱操作按时开始,但官员们发现——糟糕!——几乎立即又出现了一次氢气泄漏。他们试图通过加热填充管线并用氦气加压来修复它,但泄漏太大了。尝试了三次后,证明无法修复——到上午 11 点,团队的时间线已经严重落后。在氢气罐仅装满 11% 的情况下,Blackwell-Thompson 再次宣布中止发射。

“每次我们看到泄漏时,都是一个大的泄漏,立即超过了我们的可燃性限制,”Artemis 任务经理 Mike Sarafin 在 9 月 3 日的发射后简报会上说。

但是,Sarafin 在那次简报会上还告诉记者,大型氢气泄漏发生在同一个接头处,手动输入的命令曾在那里导致“氢气输送管意外超压”,并将压力提高到正常压力的两到三倍。他说,因此,超压可能会损坏该接头处的密封件。

“大约需要十几个命令的序列,只是命令了错误的阀门,”Sarafin 说。“这是一个手动序列,我们可能没有将这个特定序列自动化,这可能是我们意外超压的部分原因。”

截至发布时,NASA 官员尚未明确将该错误与导致发射终止的氢气泄漏联系起来。他们仍在进行“故障树分析”,最终将指出中止发射的根本原因。

“他们真的在认真思考所有可能发生的情况,然后非常系统地使用他们拥有的数据和信息来确定最有可能发生的故障,”Dumbacher 说。“他们正在做所有正确的事情。”

但 Garver 说,即使错误命令没有导致泄漏,也不是好消息。“在这一点上——无论这是否会导致泄漏——这都是一个危险信号,”她说。“在这个阶段,你不会发送错误命令来使管线超压。这是一个过程;这是一个程序。他们说也许应该自动化——这些不是‘哦,是的,也许我们应该这样做’的那种关于 430 亿美元堆栈的问题。”

事不过三?

NASA 官员表示,他们现在已经修复了发射台上的几个密封件,但已将第三次发射尝试从 9 月 23 日推迟到 9 月 27 日。

这个时间安排仍然取决于两个关键因素:首先,成功修复和储箱测试,目前计划于 9 月 21 日进行;其次,获得太空发射三角洲 45 部队的豁免,该部队是太空部队的一个部门,负责批准东部靶场的所有火箭发射。SLS 仅获得 9 月 6 日之前的发射认证。为其机载自毁系统(基本上是一枚旨在摧毁偏离航线并威胁人口稠密地区的火箭的炸弹)供电的电池将需要充电,这只能在 KSC 附近 526 英尺高的车辆装配大楼 (VAB) 进行。

在 9 月底发射将需要太空发射三角洲 45 部队(其职责是公共安全)放弃充电要求。如果这是不可能的,NASA 将不得不返回 VAB,并在 10 月中旬的窗口期尝试发射,这是选择设计一个没有必要充电能力的极简主义发射台的后果。

“我认为人们没有意识到早期做出的一些受预算限制的决定实际上是如何在今天显现出来的,”Dumbacher 说。他特别指出了精简的发射台以及低温燃料的选择。

“我听到有人谈论,嗯,你没有使用新技术。好吧,我还要提醒人们,物理定律没有改变,”Dumbacher 说。液氧和液氢系统是“大自然提供的,我们可以用它来实现我们的任务目标。它具有将大型系统、大型质量和大型体积送入轨道,并送往月球,最终送往火星所需的能量。”

NASA 最近的载人航天飞行困境正值一个恰当的时机:9 月 12 日是约翰·肯尼迪总统发表著名演讲 60 周年纪念日,他在演讲中宣布:“我们选择在本十年内登上月球并做其他事情,不是因为它们容易,而是因为它们困难。”

然而,六十年过去了,对于地球上最受尊敬的航天机构来说,也许到达轨道的最大困难是克服——政治而非重力——使其停留在地面的力量。

Nadia Drake 是一位自由科学记者,专门报道空间科学和太空探索。她曾是国家地理的特约撰稿人,也是Quanta 杂志的临时物理编辑。她的作品曾发表在纽约时报大西洋月刊大众科学等刊物上,她在大众科学上报道了 NASA 的 Artemis I 任务。

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