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火箭引擎三難題威脅美新登月計劃 測試任務一波三折

「阿耳忒彌斯1」號無人繞月飛行測試任務再度受挫。(法新社)

香港文匯報綜合報道,美國太空總署(NASA)前日再次叫停登月火箭「太空發射系統」(SLS)的發射,令「阿耳忒彌斯1」號無人繞月飛行測試任務再度受挫。這次發射取消的原因與第一次時相同,都是因為火箭其中一個引擎出問題,由於工程人員無法在現場處理,需要將火箭從發射台拖回裝配大樓,以作進一步維修和系統更新,NASA承認火箭未必能在今個月內再次升空,最快可能要等到10月17日至31日的發射窗口,意味整個「阿耳忒彌斯」計劃進度或將因此推遲數個星期。

美國早在幾十年前已經試過登月,本應擁有足夠技術和經驗;「阿耳忒彌斯」計劃亦已經籌備多年,本應準備萬全。然而為何首次任務便已經接連出問題,並要一再押後?綜合美國傳媒的分析認為,問題主要有三處:首先,SLS的火箭引擎屬於穿梭機時代產物,雖然可靠但早已老化,容易出問題;其次是火箭使用的液態氫燃料本身就存在高度不穩定性;第三則是火箭引擎難以在事前做測試,往往要到發射前才知道問題。這些原因都導致「阿耳忒彌斯1」號任務一波三折,如果不能妥善處理,美國很可能無法按計劃在2025年再次實現登月。

等待火箭發射升空的民眾再次失望而回。(法新社)

國會為慳錢逼翻新舊件 4「超齡引擎」最老歲

「阿耳忒彌斯1」號任務兩度在發射階段被迫延期,原因都與登月火箭「太空發射系統」(SLS)的引擎故障有關,令人不禁質疑引擎的可靠性。正如SLS很多部分一樣,4具引擎都不是新產品,而是從已經退役的穿梭機上拆下來,經翻新改進後循環再用。雖然太空總署(NASA)聲稱這些服役至今最長達24年的引擎「久經歷練」,但都難以保證引擎不會出現老化等問題。

在上月底的首次發射嘗試中,SLS的引擎曾兩度出現問題,首先是引擎燃料洩漏問題,導致燃料加注過程兩度暫停,到正式準備發射時,其中一個引擎再出現排氣問題,導致引擎無法達到適合發射的溫度範圍,最終令發射被迫叫停;至於前日的第二次嘗試中,火箭引擎區域在開始裝載燃料後又出現燃料洩漏,經過三四個小時的努力後,該問題仍未解決。NASA隨後叫停發射計劃,此時距離預定發射時間還有大約3個小時。

強增推力存隱患

SLS使用的火箭型號為RS-25,實際是2011年已經全線退役的穿梭機的火箭,經翻新及提升性能後重用。這些引擎在整個穿梭機計劃期間進行過5次大型升級,共參與過135次任務,點燃超過3,000次。NASA為「阿耳忒彌斯」計劃頭4次任務共準備了16具RS-25引擎,當中只有兩具屬於未曾升空的後備庫存,可說是「久經沙場」的老將。

不過無論如何翻新大修,仍然不改這些火箭引擎服役多年的事實。以「阿耳忒彌斯1」號任務使用的4具引擎為例,當中最老的編號E2045引擎首次升空已是24年前的1998年,前後出過12次穿梭機任務,其餘3具雖然較年輕,也分別出過3至6次任務。而首次發射出問題的引擎,正是有過6次發射史的編號E2058引擎。此外,為了提升火箭威力,NASA還讓RS-25引擎的推力由穿梭機年代的104.5%額定推力,提升到109%額定推力,可能影響引擎穩定性。

至於為何作為美國最新型登月火箭,卻只能使用舊零件,一切則要歸咎於美國國會。早在2010年籌備「阿耳忒彌斯」計劃之初,國會就要求新的登月火箭和登月艙都必須使用「從穿梭機取得的部件」,以減少浪費、降低成本,並加快計劃進度。不過在這個要求下,「阿耳忒彌斯」計劃仍然多番延期,而且嚴重超支,這次火箭引擎接連出問題,更令人質疑到底重用舊引擎的做法是否合適。

倒數注燃料才知洩漏 4次「濕綵排」均失敗

氫原子是自然界最小的原子之一,這也意味着液態氫燃料可以從極細微的縫隙中洩漏。在未有預冷至可以輸送液態氫的超低溫前,這些燃料運輸管道內的縫隙不會顯現。換言之只有在火箭進入發射倒數階段、液態氫燃料開始注入引擎,團隊才能檢查出是否洩漏,一旦發現洩漏,便要在最後階段叫停發射。

自今年4月以來,美國太空總署(NASA)先後進行4次「太空發射系統」(SLS)登月火箭「濕綵排」,即向火箭輸送液態低溫燃料,然而這些綵排均告失敗,沒有一次能將液態氫全數注入火箭引擎。其中在6月進行的第四次綵排期間,火箭成功進入倒數最後29秒,但此時發現一個約10厘米的燃料管道縫隙。NASA當時為了進入點火階段,決定不向地面電腦系統錄入洩漏風險,最終未能完成整個綵排。

SLS上周一首次發射期間,氫燃料缸管道也出現一個約20厘米的縫隙,阻延注入燃料過程。洩漏位置正是今年春天「濕綵排」時發現的同一位置。有分析認為,NASA此前未有完成整個「濕綵排」,已預示可能無法如期進行最終發射。 

裝載極低溫液態燃料 引擎「先冷後熱」易出錯

「太空發射系統」登月火箭採用液態氫和液態氧作為燃料,發射任務期間,合共逾70萬加侖的液態氫和液態氧,分別以攝氏零下253度和零下145度的極低溫,穩定輸送至4個「RS-25」引擎中。使用液化氣體有助裝載更多燃料,但引擎也要先預冷再翻熱,過程相當複雜,容易出錯。

常用火箭推進劑分為固體和液體兩種,燃燒推進劑可產生大量高溫氣體,推動火箭高速發射。使用液態燃料則方便火箭引擎控制排氣閥,採用液態燃料的火箭也較固態燃料火箭擁有更高比衝,即單位重量推進劑產生的衝力更大,說明液態燃料的推進效率更好。

根據美國太空總署(NASA)說明,注入燃料前冷卻引擎的過程稱為「預冷」,以確保關鍵零部件冷卻至合適溫度。引擎核心的排氣閥透過熱調節,讓低溫液態氫逐步流過引擎的渦輪泵、軸承、噴嘴和其他部件,不會汽化燃燒。長約39米的燃料箱注滿液態燃料後,會收縮約15厘米,這些液態燃料運輸時必須保持穩定溫度,否則一旦升溫就會汽化形成氣泡,影響引擎熱調節效果。

引擎預冷期間,工程人員會評估引擎和地面系統壓力數據,確認引擎作好準備,注滿液態氫燃料並點火。在發射倒數30秒內,控制火箭運行的航空電子設備一旦檢測到傳感器數據異常,即引擎未有完成熱調節並準備好點火,發射任務就會終止。

2009年穿梭機升空5度取消

美國近年多次航天任務均一波三折,其中太空總署(NASA)前年5月首次發射太空探索公司SpaceX的太空船,載送兩名太空人登上國際太空站,便在倒數最後16分鐘時因天氣惡劣,被迫延遲發射,改為3天後再嘗試升空。

2009年的「STS-127」穿梭機任務,更延遲了足足一個月。當時「奮進」號穿梭機原定2009年6月13日首次發射,但與今次「太空發射系統」(SLS)登月火箭的遭遇一樣,運載火箭連續兩次出現液態氫洩漏,其後又因天氣因素推遲,直至同年7月15日,「奮進」號在第6次嘗試發射才成功升空。

(來源:香港文匯報A16:國際專題 2022/09/05)

編輯: Nora

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