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美国联合发射联盟“火神”发射系统:将用于地月间贸易路线

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据美国航天评论网站2015年9月14日报道,美国联合发射联盟(ULA)2015年4月正式宣布,计划推出下一代发射系统,取名为“火神”。大部分人对“火神”发射系统的关注都集中在结束美国对俄制RD-180发动机的依赖上,然而其意义却不只于此。ULA已制定了升级“火神”发射系统的长期战略,包括研发新型上面级、部分可重复使用性,以及促成重型有效载荷发射任务并降低成本的其他概念。在8月31日-9月2日举行的美国航空航天学会航天大会(AIAA Space)上,ULA的乔纳森•巴尔、穆罕默德•拉杰卜及伯纳德•库特分别就“先进通用渐进级”(ACES)、“合理模块化自主返回技术”(SMART)及分布式发射概念做了相关报告。该公司先进概念与技术部副主席(战略规划部副主任)乔治•索尔斯还就改变空间进入总体经济效益的概念也做了报告说明。

先进通用渐进级

“火神”火箭在2020年左右首次发射时,将使用现有“半人马座”上面级。不过,ULA已计划将研发一种名为“先进通用渐进级”(ACES)的更为强大的新型上面级,以替换20世纪60年代的“半人马座”上面级。

乔纳森•巴尔表示,与“半人马座”上面级相比,ACES推力和体积均更大:一方面,ACES将拥有相当于4台RL10发动机的推力,与此对比,“宇宙神”运载火箭的“半人马座”上面级仅使用了一台单独的RL10发动机;另一方面,ACES直径比“半人马座”更大,但长度与其相同。不过,ULA目前还尚未决定ACES将使用何种发动机,参与竞争的不止包括RL10发动机,也包括蓝色起源公司研制的BE-3发动机、XCOR航空航天公司与联合发射联盟联合研制的一款发动机,以及其他发动机。

ACES的主要创新之一是,其拥有一种称为一体化火箭流体(integrated vehicle fluids)的技术,使用来自推进剂箱的汽化燃料,为辅助动力装置提供燃料。这一技术省去了为ACES提供动力的大部分甚至几乎所有电池,也能为推进剂箱加压——无需携带氦气瓶执行这一任务,既让发射系统的上面级变得更为简单,成本更低,又提升了其性能。ULA计划在2023年,也就是“火神”火箭首次发射约四年后将引入ACES。巴尔在演讲中表示,“火神”是第一步,ACES是第二步。

合理模块化自主返回技术

早在“火神”概念对外宣布以前,ULA就已经开始探索将可重复使用性引入其发射系统的问题,曾提出回收及重复使用“宇宙神”5火箭第一级发动机的概念,并在推出“火神”发射系统2个月前,暗示该概念可能被纳入下一代运载火箭技术。根据ULA的路线图,这一名为“合理模块化自主返回技术”(SMART)的概念将于本世纪20年代中期纳入“火神”发射系统。与SpaceX公司寻求“猎鹰”9火箭整个第一级的着陆和重复使用不同,SMART仅回收“火神”火箭的第一级发动机。

穆罕默德•拉杰卜解释称,仅回收发动机的概念是基于经济考虑,发动机的干质量不到火箭第一级干质量的四分之一,但成本却占其约60%,根据ULA的成本建模,使用SMART重复使用技术,完成两次发射就能实现收支平衡;而如果选择回收整个第一级,完成约十次发射才能开始盈利。在SMART概念中,发动机模块将与“火神”火箭第一级分离,先由一个充气气动减速器减速,再由降落伞减速至可以在空中回收。按照ULA当前的计划,“火神”火箭将使用蓝色起源公司生产的BE-4发动机。拉杰卜表示,不担心BE-4发动机的可重复使用性,因为蓝色起源公司正为自己的原因开发BE-4发动机的重复使用性,这里指的是该公司自己研发可重复使用运载火箭的计划。

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