互动科普

在2011年，最后一次航天飞船飞行任务结束后，米舒装配站的设施被租了出去，这个飞机修理库一样大的设施交给了好莱坞当影城用。在这里，好莱坞不仅拍摄了《安德的游戏》（Ender's Game），还制作了一些别的科幻电影。

现在，这里的工程师想续写NASA曾经的光辉岁月——实现载人太空飞行。越来越多的NASA工程师正在联合其他工作人员，共同打造一项非常重要的新产品。米舒装配站又回到了火箭制造的营生上，作为一个工厂，它将服务于有史以来最大、也是最有野心的空间飞行器：太空发射系统（Space Launch System，SLS）。SLS是一枚巨大的火箭，NASA想利用它将一组工作人员从佛罗里达州的卡纳维拉尔角（Cape Canavera）送往火星，预计整个飞行过程将耗时一年左右。同时，SLS还能运载居住舱、交通工具和其他供宇航员在火星上生活数周所需要的供给品。前往火星的任务将在25年后开展。在这之前，SLS还要带一些人去月球和一颗小行星，并且送一枚探测器去寻找木卫二上的生命。这是一个开创性的星际航行项目，也是NASA迄今为止最具冒险精神的项目。

那么，为什么还有这么多人看起来很讨厌这些进展？

后航天飞机时代

在20世纪60年代末70年代初，阿波罗登月计划获得圆满成功之后，人们希望航天飞机能让近地轨道飞行变得便捷而便宜。然而，航天飞机每次飞行都要耗费数十亿美元，而且，每年只能进行少数几次飞行，在为数不多的飞行中，还发生过两次大的空难。2003年，“哥伦比亚”号航天飞机返回地球时发生了解体，导致7名航天员遇难。一年后，当时的美国总统乔治·W·布什（George W. Bush）授意NASA用一项与“阿波罗”计划更接近的航天计划替代航天飞机，这个计划将带着人类重返月球，登上火星。“星座计划”（Constellation）由此诞生，计划中设计了两枚新的“战神”（Ares）系列运载火箭，其中一枚是像“土星”5号（Saturn V）一样的两级载人火箭，另外一枚延续了传统，是更大版本的三级载物火箭。但是，直到2011年，在烧掉大约90亿美元之后，“星座计划”的产物仅有由洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin）建造的“猎户座”（Orion）载人舱，以及一枚只进行过一次发射试验的火箭。美国现任总统奥巴马取消了这个计划，让NASA精力集中探索小行星。于是，NASA开始与私人机构合作，让私人机构承担轨道运输的任务，把货物和航天员送到国际空间站（International Space Station，ISS）。

尽管如此，美国国会中还是有很多人在努力寻求一枚能把人类送往月球和火星的大型火箭。协商的结果就是太空发射系统（SLS）——一个既可以载人，又可以载物的大型火箭。更重要的是，SLS不像“战神”系列火箭那样，需要开发很多新技术，只需使用航天飞机的发动机、助推器和燃料箱。可以说，SLS就是经济版的“战神”火箭。

刚开始，很多人持有偏见，认为美国国会支持SLS是为了保护NASA和项目承包商的利益。在2014年12月时，《经济学人》（Economist）的一位编辑曾说，“如果要说SLS的与众不同之处，那人们一定会注意到，它是由政治家团体，而不是科学家和工程师设计的一艘运载火箭”。一些反对者嘲笑SLS是“傀儡火箭”、“参议院发射系统”。SLS最大的支持者确实是美国国会中的南方参议员，他们所在的州恰好是庞大的NASA或者其他承包商工厂的所在地。例如，SLS的支持者包括阿拉巴马州的理查德·谢尔比（Richard Shelby），而NASA马歇尔空间飞行中心（Marshall Space Flight Center）就位于阿拉巴马州的亨茨维尔市，它是SLS的管理中心，大约有6 000名雇员。另外，SLS的支持者还有路易斯安那州的参议员戴维·维特（David Vitter），米舒装配站恰好就在路易斯安那州。为了从事与SLS相关的研发工作，核心段（core-stage）的承包商波音公司（Boeing）还向这里派遣了1 500多人。

SLS是一枚大型火箭。发射之初，SLS会由底部核心段驱动，这部分装备了4台RS-25航天飞机的发动机，以标准的液氢液氧为推进剂。另外，在核心段的每一侧，还会都附加固体火箭助推器，为运送沉重的箭载设备（见插图）提供额外的推力。当SLS升到50 千米的高空，底部核心段上方的第二级就会接管控制权，把火箭送入预定轨道。“猎户座”载人舱将位于SLS的最上方。火箭全长98米，比“土星”5号火箭稍短，但拥有更强劲的动力。利用“土星”5号，NASA完成了所有向月球发射的载人飞行任务，它比航天飞机的有效载荷高出3倍，但它没有任何部件是按照可重复利用的标准设计的。在随后的十年中，NASA将会升级SLS的引擎及助推器，使它拥有更强的动力。当可飞向火星的SLS制造完成时，它的上面级（upper stage）也会得到增强，最终的推力可能是最初设计的2倍。

批评者认为，要求SLS重复利用航天飞机部件，美国国会就可以保证航天飞机的大型承包商能够继续获利。还有人说，使用已经下马的航天飞机的部件，以东拼西凑的方式制造SLS，会造出一枚不伦不类的“弗兰肯火箭”（借用科学怪人弗兰肯斯坦的典故）——因为使用航天飞机的发动机，目前已经出现了隔热不良的问题。

SLS的成本估算也千差万别。NASA公开预计，到SLS首次发射时，需要耗资180亿美元：其中100亿美元用于制造火箭箭体，60亿美元用于制造“猎户座”载人舱，另外20亿美元用于建设卡纳维拉尔角的地面发射系统，让它能够管控SLS的发射过程。但是，一份外泄的内部研究报告显示，在未来10年，SLS的制造费用将超过600亿美元。还有人推测，送一位航天员去火星的花费将高达1万亿美元。NASA提出的目标是，把每次发射SLS的成本控制在5亿美元左右，但其他人认为，如果把所有项目成本都计算进去，这个数字将高达140亿美元。

批评人士坚持认为，通过SLS这样的大规模任务来开展太空探索，需要花费数千亿美元，政府和公众不应该支持这样的项目。有分析表明（包括NASA的一项内部研究），即使没有大型火箭，人类也能前往深空与火星。其中有一种方案比较便宜，我们可以利用类似“德尔塔”4号（美国曾在10年里都使用这种火箭发射卫星）一样的小火箭，让它来运送建造深空飞行器所需的燃料、部件和材料进入近地轨道，然后在那里建造大型飞船。还有人说，如果我们真的需要一枚大型火箭，为什么不把这项工作交给新兴的太空公司？凭借备受好评的“猎鹰”9号火箭，由硅谷的标志性人物伊隆·马斯克（Elon Musk）创立的太空探索技术公司SpaceX，已经赢得了NASA的轨道运输合同。空间前沿基金会（Space Frontier Foundation）的主席詹姆斯·普拉（James Pura）也说，“SLS只是在40年前开发的技术上进行渐进式的改进。NASA应该告诉私营企业它想送什么样的火箭进入外太空，给这项工作定一个价，然后把任务交给像SpaceX一样的公司来完成”。SpaceX公司正在研发一种带有27个发动机，与SLS属于同一载重级的大型火箭。而且，该公司正在研究新的、具有更大推力的发动机，如果研制成功，新火箭的推力将远远超过SLS的最大推力。与SLS一次性使用的设计原则相反，SpaceX制造的火箭的所有部件都遵循可重复使用的原则。

尽管仍有反对的声音，SLS的任务规划并没有被阻断。2018年，SLS将会首次不载人发射，它将带着“猎户座”，飞到比月球更远的地方。它的第二次发射将会载人（具体时间还未敲定，也许是首飞的几年后），飞到离地球更远的深空，把人类送到以前从未到达的远方。

火箭梦工场

NASA的斯坦尼斯空间中心（Stennis Space Center）位于土地辽阔的密西西比州的最南端，隐藏在一张由湖泊、河流、海湾和运河交织而成的网中。 NASA的一位主管汤姆· 伯德 （Tom Byrd） 说，就像人们用安全帽和安全背心保护自己一样，空间中心靠近水有三个理由：在斯坦尼斯的活动需要用到大型驳船，需要水利工程的专业知识，需要迅速将一些温度接近太阳表面的巨大金属板冷却下来。在斯坦尼斯空间中心，NASA将测试最大的火箭发动机，这可算是所有测试任务中最艰巨的一个。

每个测试站都是一个巨大的金属混凝土结构，就像来自大型远洋巨轮的横截面板一样。在穿过其中一座测试站的路上，我看到了一间控制室，它看起来像上世纪50年代前苏联的核电站，里面主要是蒸汽压力表和巨大而笨重的表盘。我问为什么不把这些设备更新成电子面板，他们的回答都一样，在难以测量的力量和无数的小故障面前，他们花了几十年时间才让这些东西运转正常，为什么要把它们换掉? 后来事实证明，他们在回答关于SLS的问题时，都是这样的答案。

然而，从测试站的顶部，我可以看到斯坦尼斯空间中心到处都在升级换代。翻修运河和道路，以便运输更大的设备。测试站本身也在翻修和加固，因为和以往所有火箭相比，SLS所带来的压力是最大的。负责测试工作的伯德解释说：“这里产生的力量比实际发射时产生的力量更大，因为在测试站中的火箭无法避开自己产生的羽流。”

在大约九分钟的发射测试中，会有成千上万的喷嘴将高压水流喷射到测试站的墙上。这可不是为了冷却墙体，而是为了抑制激烈的振动，否则这种振动有可能将测试站撕裂。在制造SLS之前，以测试站为中心的16千米的范围内都不允许出现私人建筑，因为仅仅是发射时产生的声波就可以把房屋震裂，而SLS发动机能产生地球上有史以来最大的火箭推力，它所带来影响将会更大。

穿过密西西比州与路易斯安那州的边界，在运河上航行几个小时后（或者像我一样，乘车穿行45分钟），就能达到米舒装配站，这是我第二天访问的地方。与斯坦尼斯的与世隔绝不同，米舒装配站位于新奥尔良市郊的一个工业区中心。在某些方面，米舒装配站像一个普通工厂，配备着焊台、叉车、起重机和零件箱。只不过在这里，所有工作都以更大的规模开展而已。

米舒装配站的内部到处都在闪闪发光。在装配站中，满目都是不停运转的机器，其中有速度飞快的齿轮传动机械臂，轮式平台和将数万吨重的部件从一个平台移动到另一个平台的机器（有点像吊车），以及确保成千上万个零件每一个都正确组装的装配系统。如果要建造一个像SLS火箭发动机一样强劲有力的机器，装配偏差容限（tolerance for assembly deviation）必须非常低。“如果部件跟踪系统告诉我们遗漏了一个小垫圈，那么所有工作必须停止，直到我们找到这个零件为止，”米舒装配站的经理之一帕特里克·惠普斯（Patrick Whipps）说。

在这里，建造火箭所需的很多部件都来自其他飞行器。“我们希望尽可能多地使用其他火箭上的部件，不管是压力传感器、温度计还是管道系统，”NASA负责人类空间探索的副局长威廉·格斯坦迈尔（William Gerstenmaier）说，“在SLS上没有太多独一无二的部件”。

而且，惠普斯还说，与搭建航天飞机所用的部件相比，新的制造方法和设备将使制造SLS部件的成本变得更便宜。城市供水塔一样大的摩擦搅拌焊接机也接受了升级改造。工作人员可以将火箭的大型铝合金结构整个放进这个庞然大物中，然后利用钻头，沿着两个组件的边缘，把两组件焊接起来。目前，在世界上同类机器中，这是最大的一个。

在很多方面，SLS的技术已经超越了航天飞机的技术。为了分析冲击的影响，以及其他空气动力学不稳定情况下SLS所受到的压力，NASA使用了最先进的流体动力学软件。如果没有这个软件，工程师们必须重新设计火箭，才能提供更大的抗压力，覆盖更宽的误差幅度（margin for error）。此外，SLS上使用了新的航空电子设备和数字控制器，与航天飞机上的电脑芯片相比，这里所使用的芯片要领先好几代。这些设备将保证SLS能实现自动飞行，遇到突发和危险情况时，发动机控制装置也能更迅速应对。

由于之前留下的航天飞机发动机可以为SLS的前四次飞行提供动力，到2020年时，就需要有新型号的发动机以供使用。为了达到这个要求，NASA将借助一些特殊的机器，它们可以将金属粉末通过激光焊接成需要的形状，从而生产成千上万个微型涡轮叶片。有了这些机器，不仅不需要单独加工涡轮叶片，还能将生产时间从一年缩短到一个月。“我们处处都使用计算机控制，希望在降低人工成本的同时提高生产精度，”格斯腾迈尔说。

为什么要建造SLS

当SLS计划全面展开后，要想达到预定目标，每年至少需要制造两枚火箭，有时甚至需要多达4枚。对于火箭制造业而言，这已是最大的产量了。但是，如果NASA不能让公众相信SLS值得建造，整个计划就会被搁浅。

SLS有非常多的粉丝。支持者除了NASA目前的领导和员工，还有很多空间方面的专家，以及越来越多的公众。去年12月，“猎户座”载人舱完美的轨道飞行让很多人大受鼓舞，如果将SLS发射到深空，“猎户座”载人舱就会被搭载在火箭的顶部。

如果使用较小型的火箭将部件和燃料送到太空中进行轨道组装，情况会怎么样？根据格斯腾迈尔的计算，火星探测任务需要约500吨的物资。通过发射4次，SLS可以完成这项壮举，但是，即使最大的“德尔塔”4号火箭至少也需要发射24次才能完成这项任务。

格斯腾迈尔认为，每次发射都会增加项目的风险，因为很多糟糕的情况都发生在发射的头一分钟内。而且，单次发射的延误会逐渐积累，影响之后的发射，从而使整个项目产生延误。“用航天飞机建造空间站时，我们就使用了多次发射的方式，结果花费了数十年的时间，”他说。

格斯腾迈尔说，小量运送的方法还有一个非常显眼的潜在缺点，那就是可能需要大量在轨设施：包括工作空间、飞行器和燃料库。这是一项艰巨的任务，因为根据我们有限的经验，在太空中组装飞船是件非常棘手的工作。格斯腾迈尔还说，“我们不得不进行大量对接，不得不在空间中进行加工制造。有时，部分零件可能无法正常工作，在太空中也很难将其修复。这都是些难以避免的事，它会大大增加工作的复杂度和风险性。”而SLS火箭的周长足够大，能容纳像太阳能电池板和天线阵列这样宽达10米的重物。如果以复杂的方式折叠起来再运送，它们很容易受损或发生故障。

采用重型火箭方案还有一大优势：一枚特大号火箭的额外推力可以转化成更高的速度，让飞船更快抵达目的地。这是载人航行（目前是飞向火星）必须要考虑的关键问题。在这项任务中，太空辐射和物资供应为任务所能持续的时间设定了严格的上限。火箭的远距离飞行还有别的好处，因为后续任务的规划要在前期数据返回之后才能进行，所以单次的、直接的远距离飞行，可以收集到更多相关数据，从而使科学产出最大化。由于推力巨大，SLS可以只依靠自身携带的燃料将载荷送往深空，这就和“旅行者”号（Voyager）、“伽利略”号（Galileo）飞船在行星周围进行引力弹射式的飞行截然不同。

 “SLS能将访问木卫二的时间从6年缩短到2.5年，”斯福坦大学的航空航天顾问教授斯科特·哈伯德（Scott Hubbard）说，“它将成为科学任务的助推器，同时这些科学任务都将非常引人注目。”飞行时间更短、有效载荷更大、打包装载的方式也更灵活，这些都是建造重型运载火箭非常有力的理由。这也是中国和俄罗斯也在设计SLS级别的火箭的原因。

再看看SpaceX公司。它并非生来就是深空火箭的制造商，该公司成立的初衷是在国际空间站（ISS）与地球之间往返运输货物。除了NASA暂时为SLS订下的一系列任务之外，深空探测方面还没有形成任何市场，也没有描绘出特别好的前景。这让SpaceX公司无法像利用小火箭制造技术那样，将部分重型火箭的研发成本转嫁给其他正在合作的商业客户，也就是说，它无法利用为其他商业客户服务时积累的技术为重型火箭服务。当这一优势被剥夺之后，SpaceX公司并不比波音公司、洛克希德·马丁公司和其他传统的航空承包商更占优势。NASA前宇航员员斯科特·帕拉津斯基（Scott Parazynski）是执行过5次航天飞机任务的退伍老兵，现在在亚利桑那州立大学读书。他说，“那些都是非常能干的承包商，我并没有看到Space X公司有什么明显优势。”

在汽车、手机或软件行业，墨守成规而不创新可能成为失败的原因，但当涉及到将航天英雄们发射到深空时，某种程度的保守主义未必是一件坏事。在SpaceX公司早期设计的火箭中，曾发生过几次爆炸和失控事件——在发展新设计的过程中这是常有的事。去年10月份，一名机组人员在模型火箭的爆炸事故中丧生，维珍银河公司（Virgin Galactic）计划用这枚火箭将太空游客带到亚轨道空间。这件事仅仅发生在另一枚非载人火箭爆炸后的第三天——这枚非载人火箭是民营企业“轨道科学”公司（Orbital Sciences）建造的，曾经飞抵过国际空间站。

其他火星专家也持相同观点。“作为一枚火箭，SLS一开始就备受批评。而这些事故提醒我们，尽管有数十年的经验，建造火箭仍然非常困难，发生大灾难的风险也很高，”哈伯德说，“但现在，SLS已经有了清晰的任务和值得支持的目标，我想，现在是时候一起思考，如何确保这些任务都能实现了。”这是火星基金会（Inspiration Mars Foundation，致力于促进火星任务的私人基金组织）的领导人在最初的质疑后，成为SLS拥护者的原因之一。

从飞出地球开始

2015年1月一个凉爽的夜里，仅在500秒的时间内，斯坦尼斯航天中心某庞大的发动机就喷出了一团火球。这是自2009年以来，第一次测试R-25航天飞机发动机，它的表现非常完美。

之后，如果一直有大量成功的测试，NASA就会有充裕的时间来建造SLS。在资金允许的条件下，这个项目坚持得越久，就越能证明自身的正确性。在头三年中，项目取得了高速发展，在通过设计评审后，进入了初步制造阶段。对于一个全新载人火箭来说，这确实是相当快的进展。它只出现了为数不多的故障，其中最糟糕的是绝缘间隙问题，而在涂上一层胶后，这个问题很快得以解决。

美国海军战争学院的琼·约翰－弗里兹（Joan Johnson-Freese）教授专门研究空间问题，她认为，未来几年，在新的美国总统和国会的领导下，任何事都有可能发生。也许政府会改变想法，放弃前往火星的计划，专注于建立一个离地球更近的基地。“华盛顿的一些人对月球抱有一种极端的怀念，”她说。其他人认为NASA现在应该忘记月球和火星，专注于小行星，因为研究它们，不仅可以探寻太阳系起源等重大科学问题，还能提前研究如何转移或者摧毁驶向地球的小行星。

但前往火星依然让人向往，火星之旅的吸引力已经越来越强。很多人意识到，在他们有生之年，人类能够抵达这颗红色的星球。“我们都希望亲眼看到人类抵达火星，” 帕拉津斯基说，“其他任务可能会分散我们的精力。”他对SLS计划依然十分犹豫，他担心SLS计划会被放弃，因为这项计划既不便宜也不能很快达成目标。然而，仔细想想，SLS也不是我们直奔火星最糟糕的方式。

目前，sls还没出现会耽误整个项目进程的问题。这样的现状可以保障项目能够维持运营，而不至于被其他前往火星的项目替代。当然，这只是从美国国会发布的信息中拼凑得出的结论。或许，这项计划并非创新力十足，但是，有迹象表明它正在按计划进行，在进行的过程中，也有足够的资金支持。这些先决条件都能使SLS良性发展，让它成为能带领人类飞向火星的那艘火箭。而当这一切成真，曾经所有的批评也将很快被人们遗忘。