半人马座：最成功的上面级

文/钱卫

“半人马座”是迄今为止，美国乃至全世界最为成功的火箭上面级。它的研发起步于上世纪50年代，经过多次改进和改型，至今仍然在使用。洛马公司打算继续对它实施改进，在新一代“火神”火箭上使用。这个型号之所以如此成功，用美国宇航局历史学者的措辞来形容，关键点就是“驯服”了液氢这种物质。

▲ 半人马座6A上面级正在安装到运载火箭上

▲ 新一代火神火箭将继续使用半人马座上面级

历史

半人马座概念起源于1956年，当时康沃尔公司的设计师恩里克想为宇宙神洲际导弹寻找一点和平用途，比如发射卫星甚至探月。之所以起这个名字，是期望它能和希腊传说中的半人马怪兽一样，把强大的力量和精确的控制合二为一。恩里克对探月的兴趣很大。他经过计算之后，提出了一种使用氢氧燃料的上面级，把它和宇宙神火箭相结合，就能成为一种有效的航天运载器。宇宙神-半人马座在1958年正式立项，由康沃尔公司、美国国防部高级研究计划局（DARPA）的前身和美国空军共同投资。1959年，美国宇航局取代了DARPA的角色。经过几十年的辗转变迁，如今宇宙神火箭和半人马座上面级都归入了洛·马公司。

半人马座的设计有几个核心特色。首先是不锈钢制造的压力稳定推进剂罐，其壁厚只有0.51毫米，空罐子甚至无法支撑自己的结构。但是装入10多吨低温燃料后，燃料本身的压力就会让它像吹气球一样膨胀起来，达到很高的强度。为了进一步减轻储罐结构重量，没有为液氢和液氧单独设置储罐，而是在同一个储罐里，用一块玻璃钢纤维蜂窝板隔开两个部分，一部分装比较冷的液氢，另一部分装比较暖的液氧。玻璃纤维蜂窝板的绝热效果很好，可以保证在几个小时的飞行期间，液氢液氧各自保持液态。

▲ 1962年的半人马座上面级，还不是很成熟

这样的设计非常巧妙，但也充满了风险。在1962年5月的首航中，半人马座的第一个型号——半人马座A型在发射54秒后爆炸，火箭被一个巨大的火球吞噬。调查显示，出问题的就是这个储罐，因为液氢部分破裂，燃料喷射而出，被火箭尾焰点燃了。

在此前不到一年，美国总统肯尼迪宣布，把载人登月作为国家优先事项。半人马座的爆炸给了美国宇航局一个沉重打击。在事故调查中，太空科学总监霍默·纽厄尔表示：“将液态氢‘驯服’到可以执行昂贵的太空任务的程度，比任何人一开始想象的都要困难。”

在这次失败之后，美国航天界分成两派。以冯·布劳恩为首的一批人要求取消半人马座。虽然它的设计更轻巧，结构所占的重量比例远远小于常规设计，但可靠性实在太差了。不过支持者认为，值得为此开展一场艰苦的研发。特别是DARPA首席科学家赫伯特·约克曾在1959年敦促美国宇航局局长T·基思·格伦南“快马加鞭”，因为半人马座是“唯一有能力满足我们高空轨道有效载荷要求的飞行器”。

最后一锤定音的是肯尼迪。在半人马座A型首次飞行失败后，肯尼迪要求美国宇航局解释，这东西到底有什么用。继任局长的詹姆斯·韦伯表示，既然阿波罗计划打算为土星五号运载火箭研制一种液氢液氧的上面级，那么就需要一种先导型号来验证液氢的可行性。此外，美国宇航局还指望宇宙神-半人马座发射勘测者号无人月球探测器，用来确定月球表面是否足够坚硬，能不能让载人飞船着陆。

▲ 半人马座上面级的高压气瓶用碳纤维制成

▲ 半人马座发射先锋11号星际探测器

于是，问题集中到了宇宙间分子量最小的元素上了，就是氢。氢作为火箭推进剂，燃烧温度极高（3037摄氏度）。氢氧组合是目前为止比冲最高的火箭推进剂。但液氧和液氢都是低温气体，所以带来了巨大的技术挑战。尤其是液态氢必须储存在零下217摄氏度的温度下。为了防止其蒸发或沸腾，以液态氢为燃料的火箭必须小心地与所有热源隔绝，例如火箭发动机排气和在大气中飞行时的空气摩擦。一旦飞行器进入太空，就必须确保其免受太阳辐射的影响。当液态氢吸收热量时会迅速膨胀，因此必须进行通风以防止储罐爆炸。暴露在极冷液态氢中的金属会变脆。此外，液态氢可以通过焊缝中的微小孔隙泄漏。

通过半人马座以及土星五号的攻关，美国率先掌握了液氢液氧作为火箭燃料的关键技术，取得了显著的优势，比其他国家领先甚多。

我们现在回来说半人马座。经过改进，1963年11月26日，半人马座B的飞行获得了成功。但是之后的半人马座C三次飞行全部失败，有两次是火箭故障，第三次飞行的火箭取得成功，但是半人马座的二次点火失败了。

再次改进的半人马座D终于“驯服”了液氢，投入批量化生产和飞行，共发射了56次。1966年5月30日，宇宙神-半人马座组合体将第一个勘测者号着陆器发射到月球。随后，在接下来的两年里，“勘测者号”又发射了6次，宇宙神-半人马座组合体的性能让人满意，特别是演示了氢燃料发动机在太空中多次点火的可行性，为氢燃料的后续大气层外应用奠定了基础。到20世纪70年代，半人马座已经完全成熟，最终取代了阿金纳。

▲ 德尔它V火箭、宇宙神5火箭、半人马座上面级共同用渡船运往卡纳维拉尔角发射

▲ 航天飞机版半人马座的分离想象图

多种型号

从半人马座A到研发中的半人马座5，历经多个具体型号。这些型号在可靠性、具体材料和技术、工艺、电子信息化水平方面有着显著的差异，但基本构架保持稳定。它采用Aerojet Rocketdyne公司的RL10发动机为主动力，有单发和双发两种配置，可以实现多次在轨重新点火。比较有意思的是，作为上面级，半人马座在进入宇宙空间后，有一个滑行阶段，发动机不点火。所以在RL10发动机喷管的侧面，可以携带一些低轨道小卫星，在滑行阶段把它们释放后，再奔向主载荷的目标轨道。姿态控制由多个肼推力器实现。

▲ 航天飞机版半人马座的模型

▲ 半人马座上面级发射卡西尼任务

半人马座曾经适配在宇宙神系列火箭和泰坦等火箭上，接口和配置有所不同，因此出现了大量不同的改型。半人马座A-D，以及G型，都适配宇宙神火箭。D1T型适配泰坦火箭，S-V型是为土星一号火箭研制的。上世纪80年代，还曾经出现了一种航天飞机版的设计，不改变发动机配置，但是把燃料储箱直径大幅度扩张，充分利用航天飞机货舱空间。但美国宇航局非常担心，在人货混装的航天飞机里，携带这么大一罐低温燃料是不安全的。挑战者号航天飞机事故让美国宇航局下定决心，放弃半人马座与航天飞机的组合。有关的研究成果形成了半人马座T型，与泰坦4火箭相结合，发射了9次，其中包括卡西尼-惠更斯土星探测器的发射。

▲ 配用宇宙神5火箭的单发动机半人马座上面级

▲ 宇宙神5火箭配用超大整流罩时，上面级包裹在整流罩内

▲ 设想中的半人马座5上面级

不过，半人马座的主要配套对象还是宇宙神系列。随着宇宙神2火箭的研制，出现了半人马座2上面级。但是从宇宙神3火箭开始，洛马公司开始考虑研制一种技术状态冻结的上面级，也就是通用型半人马座。进入21世纪前后，洛·马公司已经开始考虑研制全新的宇宙神5火箭，这主要得益于俄罗斯提供的RD180发动机。无论是洛·马公司，还是美国空军，都对这种火箭的设计非常满意，打算作为演进型一次性运载火箭EELV的合同内容，长期大量订购。这就给上面级的通用化、标准化提供了基础。

在研制通用半人马座之前，洛·马公司曾经开发过一种单发的半人马座（SEC），于2000年5月在宇宙神3A上首飞成功。通用半人马座的推进剂储箱比SEC延长超过20米，以承载更多的推进剂。2002年8月21日，宇宙神5和通用半人马座组合首次飞行成功。此后20年时间里，这个组合成为洛马公司以及联合发射联盟公司的拳头产品。早期的通用半人马采用RL10-A-4-2发动机。

宇宙神5火箭有多种配置，其中整流罩有两种，一种是小型尖顶的4米直径，是多数发射任务使用的；另外一种是5.4米直径的超大整流罩，用来发射超大型军用卫星和火星探测任务。使用小型整流罩的时候，半人马座上面级是暴露在整流罩外面的。如果是用超大整流罩，半人马座就会被包裹在整流罩里面。

双发动机的半人马座上面级并没有被废弃，而是用来实施一些比较重的载荷发射任务。目前，只有波音CST-100星际航线载人飞船在使用这种上面级。后续可能还会用来发射追梦者航天飞机。两个发动机能产生更大的推力，可以用更高的水平速度和更低的垂直速度，让飞船上升过程更平缓，让航天员感到更舒适。如果发生意外，必须紧急撤回地球的时候，双发带来的大推力也能有效控制减速过程，不超过人体所能承受的过载范围。

半人马5型

联合发射联盟公司这几年的核心工作，就是研制“火神”运载火箭。这种火箭打算采用蓝色起源公司研制的BE-4氢氧发动机，成为该公司的下一代主力。“火神”原本打算采用ACES上面级，但是随着ACES被基本放弃，“火神”的上面级改成半人马5型，配备两台Aerojet Rocketdyne 公司的RL10氢氧发动机。目前，这种上面级还在研制当中。