美國國家航空航天局（NASA）的巨型火箭太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）用液氫和液氧混合物當(dāng)燃料。這種燃料體積緊湊、燃燒效率高，但固有屬性也帶來了一系列不好解決的問題。業(yè)內(nèi)人士表示，NASA 為了取悅美國國會，不得不在 SLS 火箭上繼續(xù)使用退役航天飛機(jī)上采用的液氫液氧推進(jìn)系統(tǒng)。

上周六，SLS 的第二次發(fā)射嘗試被迫取消，原因是工程師未能解決連接火箭的快速斷開裝置發(fā)生氫氣泄漏問題。這一問題可能要將 SLS 火箭的最早升空時(shí)間推遲到 10 月份，這也意味著搭載獵戶座飛船往返月球軌道的阿爾忒彌斯 1 號任務(wù)再次被迫推遲。

資料圖

上周一，NASA 地面團(tuán)隊(duì)在第一次發(fā)射嘗試時(shí)修復(fù)了氫氣泄漏問題，但在故障傳感器錯(cuò)誤顯示發(fā)動機(jī)沒有達(dá)到所需的超低溫后，發(fā)射最終被取消。事實(shí)證明，上周六發(fā)生的泄漏問題控制難度要大得多，工程師們嘗試修復(fù)三次都沒有成功。阿爾忒彌斯項(xiàng)目負(fù)責(zé)人邁克 · 薩拉芬 ( Mike Sarafin ) 在會議結(jié)束后告訴記者：" 這不是一個(gè)可控制的泄漏事件。"

NASA 仍在評估下一步計(jì)劃，但火箭必須返回航天器組裝大樓，開展飛行終止系統(tǒng)相關(guān)的強(qiáng)制性安全檢查。工程師們認(rèn)為，周六嘗試發(fā)射期間一個(gè)無意中作出的命令導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)壓力短暫升高，意外過壓影響到管道密閉性，火箭可能需要進(jìn)行硬件修復(fù)，他們目前正在評估這種情況發(fā)生的可能性。

早已有之的氫氣泄露

氫氣泄露對 NASA 來說已經(jīng)不是什么新鮮事。航天飛機(jī)發(fā)射反復(fù)無常大多是氫氣泄漏問題造成的。最臭名昭著的事件是 " 氫氣之夏 "，當(dāng)時(shí)地面小組花了 6 個(gè)多月的時(shí)間試圖找到氫氣泄漏的根源，這一問題導(dǎo)致航天飛機(jī)在 1990 年全年停飛。SLS 火箭在很大程度上是模仿航天飛機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，包括使用液氫推進(jìn)劑，所以肯定會存在與氫氣有關(guān)的問題。但 NASA 別無選擇。

芝加哥大學(xué)太空歷史學(xué)家喬丹 · 比姆（Jordan Bimm）說，NASA 堅(jiān)持在 SLS 火箭上使用液氫做推進(jìn)劑并不是出于技術(shù)方面的原因。

比姆說：" 自 1958 年 NASA 成立以來，一直在利用遍布美國各地的承包商維系美國國會對太空探索的政策支持和資金支持。"" 第一個(gè)使用液氫的系統(tǒng)是上世紀(jì) 50 年代和 60 年代開發(fā)的半人馬座火箭。2010 年，美國國會在資助 NASA 的授權(quán)法案中，明確要求 NASA 在新一代發(fā)射系統(tǒng)中使用現(xiàn)有的航天飛機(jī)技術(shù)。" 他補(bǔ)充說：" 這個(gè)決定是為了在關(guān)鍵選區(qū)維系 NASA 承包商的飯碗，讓他們從美國國會對 NASA 的資助和支持中獲益。"

但這一決定也意味著雖然航天飛機(jī)即將退役，但搭載的 RS-25 發(fā)動機(jī)以及所使用的液氫液氧燃料要挪給 SLS 火箭用。NASA 總共從退役的航天飛機(jī)上收集到 16 臺發(fā)動機(jī)，其中 4 臺安裝到了目前仍杵在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心發(fā)射臺的 SLS 火箭上。

比姆透露，NASA" 必須經(jīng)常優(yōu)先考慮如何獲得美國國會的支持，從而維持太空探索計(jì)劃。" 他說，"RS-25 發(fā)動機(jī)的持續(xù)使用 " 是一個(gè)典型例子，說明 " 在美國像燃料選擇這種事情都可以政治化，而那些最直接、最理想的解決方案往往不可行。"

最終，NASA 沒有為 SLS 火箭選擇像甲烷或煤油等推進(jìn)劑，而是選擇使用液氫液氧混合物為這樣一枚重型火箭提供動力。相比之下，SpaceX 即將發(fā)射的星際飛船使用的燃料是液態(tài)甲烷，氧化劑是液氧。比姆解釋說：" 由于他們的目標(biāo)是登陸火星，SpaceX 之所以選擇液態(tài)甲烷當(dāng)燃料，也是希望能在火星上提取這種元素，打造節(jié)約成本的資源利用形式。" 而 NASA 在設(shè)計(jì) SLS 火箭時(shí)遵循的是一套不同原則，因?yàn)槠淇偸琴Y金緊張，而且不得不取悅美國國會。

NASA 在 2011 年的一份初步項(xiàng)目報(bào)告中寫道：" 根據(jù)目前的信息和分析， ( 擬議的 SLS 火箭設(shè)計(jì) ) 代表開發(fā)新一代重型運(yùn)載火箭中短期成本最低、可用時(shí)間最快、總體風(fēng)險(xiǎn)最小的方向。"" 選擇這種架構(gòu)意味著短期內(nèi)不需要開發(fā)新的火箭發(fā)動機(jī)，從而縮短首飛時(shí)間，并可能將 SLS 火箭的總體成本最小化。"

結(jié)果諷刺的是，SLS 火箭原本計(jì)劃在 2017 年發(fā)射，但到現(xiàn)在還沒有升空。立項(xiàng)至今，包括獵戶座飛船在內(nèi)的研發(fā)總成本已經(jīng)超過 500 億美元，其中還不包括每一次發(fā)射火箭所需的 41 億美元。火箭繼承了航天飛機(jī)的部件，NASA 也繼承了氫氣泄露問題。

有用但令人討厭

氫作為火箭燃料非常有效。這種元素在地球上到處都是，清潔輕便，當(dāng)與液氧結(jié)合時(shí)，燃燒效率極高。根據(jù) NASA 的說法，" 在與液氧等氧化劑結(jié)合時(shí)，液氫產(chǎn)生的比沖值是任何已知火箭推進(jìn)劑中最高的。" 當(dāng)氫氣冷卻到零下 253 攝氏度時(shí)，體積大幅縮小，輸送進(jìn)火箭后能夠提供大量燃料。比姆說：" 氫燃料的優(yōu)點(diǎn)是能在火箭中有效儲存你想釋放的能量，而且很輕，這一直是航天飛行要考慮的重要因素。"

NASA 在阿波羅時(shí)代的土星五號火箭第二級使用了液氫，航天飛機(jī)的三個(gè)主引擎也是如此。液氫通常用于火箭第二級的燃料，或者用作在軌運(yùn)行航天器的液體燃料。目前使用液氫的火箭有阿特拉斯公司的半人馬座火箭和波音的德爾塔 III 和 IV 型火箭，藍(lán)色起源的 BE-3 和 BE-7 發(fā)動機(jī)也使用液氫作燃料。

比姆說：" 氫燃料的缺點(diǎn)是很難運(yùn)輸和控制，因?yàn)闅浞肿雍苄。苋菀仔孤S持液體狀態(tài)還需要冷卻到極低溫度。" 更重要的是，氫在液態(tài)時(shí)極易揮發(fā)，有大規(guī)模燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。作為已知的最輕元素，氫也很容易泄漏。NASA 解釋過使用液氫作為燃料的諸多挑戰(zhàn)：" 為了防止蒸發(fā)或沸騰，以液氫為燃料的火箭必須小心與所有熱源隔開，比如火箭發(fā)動機(jī)的尾焰或飛行過程中穿越大氣層時(shí)產(chǎn)生的空氣摩擦。一旦航天器進(jìn)入太空，必須保護(hù)其不受太陽輻射的影響。當(dāng)液氫吸收熱量時(shí)，會迅速膨脹，因此還需要進(jìn)行必要排氣，防止燃料儲罐過壓發(fā)生爆炸。暴露在極冷液氫中的金屬會變得易碎，此外液氫也會通過焊縫中的微小孔隙泄漏出來。"

盡管存在這些問題，NASA 在設(shè)計(jì) SLS 火箭時(shí)還是選擇了液氫當(dāng)燃料，現(xiàn)在就付出了不小代價(jià)。

新火箭，老問題

當(dāng)為 SLS 火箭加注燃料時(shí)，低溫氫的突然流入會導(dǎo)致火箭物理結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變化。據(jù) NASA 稱，40 米高的液氫儲罐在充滿超冷液體后，長度會縮短 152 毫米，直徑縮小 25.4 毫米。這樣一來，管道、排氣管以及支架等連接到儲罐的組件必須補(bǔ)償這種突然發(fā)生的收縮。為了解決這一問題，NASA 在連接件中使用了類似于手風(fēng)琴的波紋管、開槽接頭、伸縮節(jié)和球接頭鉸鏈。

但是作為宇宙中最小的分子，氫還是經(jīng)常會通過微小孔隙泄露出來。燃料管道存在泄露的問題尤其嚴(yán)重，因?yàn)樗鼈儾荒苡糜猜菟ㄖ苯庸潭ㄔ诨鸺稀ｎ櫭剂x，快速斷開裝置從設(shè)計(jì)角度就是要在發(fā)射期間與火箭快速脫離，同時(shí)還要防止氫氣在高壓和超低溫環(huán)境下出現(xiàn)泄露、保證密封效果。周六，快速斷開裝置附近的氫氣泄露濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 4% 的上限。由于無法解決泄漏問題，NASA 不得不取消發(fā)射。

最令人擔(dān)憂的是，當(dāng)時(shí) NASA 還沒有為火箭第一級和第二級加注足夠燃料，也沒能進(jìn)入發(fā)射倒計(jì)時(shí)。NASA 以前處理過氫氣泄漏問題，所以工程師們需要再一次想出解決方案來推進(jìn)這個(gè)項(xiàng)目。

不論如何，阿爾忒彌斯項(xiàng)目還是迎來一個(gè)沮喪的開端。