SLS静态点火测试以失败告终，欧罗巴快帆会用什么火箭发射？

　　原作者 土星V号 ，来源航天爱好者网
　　随着SLS的第一次静态点火测试以失败告终，SLS不可避免的又双叒叕要推迟，但除＂月亮女神＂计划（意指美国载人登月的阿尔忒弥斯计划，主页君注）面临更多的变动外，另一项关注度不如环月门户的NASA旗舰级项目也将受到影响 ，那便是原本同样需要SLS发射的欧罗巴快船项目。
　　欧罗巴快船探测器（NASA）
　　欧罗巴是木卫二的英文名直译，这颗以宙斯的情妇命名的木星卫星由巨大的冰层和冰下海洋覆盖，非常有可能存在地外生命 。欧罗巴快船计划发射一颗到木星的探测器，优化其环绕木星的轨道使探测器的近木点和木卫二的轨道重合，进而完成对木卫二的全方面的勘测，甚至可能携带降落器到木卫二的冰层上进行进一步考察。不过这野心勃勃的计划却有两个难点，第一是欧罗巴快船探测器很重发射质量有6吨，之前的朱诺号木星探测器发射质量只有3.6吨。第二是木星真的距离地球太远了，最近的时候光也需要33分钟才能抵达。
　　事实上早在SLS首次点火失败前，项目的推迟就已经让很多人开始研究不采用SLS发射的其他方式 。而NASA的正式招标，更确认官方也开始考虑不把这个旗舰项目和SLS绑死的其他可能选项。欧罗巴快船预计在2024年发射将会和月亮女神III（阿尔忒弥斯计划3任务，原计划此发登月，主页君注）的发射重合，先不说SLS是否真的能在2024年达到NASA的安全发射要求，每枚SLS火箭需要至少1年的时间组装且只有卡角的LC-39B一个发射台可以发射，要求其在2024同时再发射一次，几乎是不可能的 。
　　阿尔忒弥斯计划示意图，可见2024年的3号任务是原定登月的
　　既然SLS在2024年来不及，其他火箭有没有可能呢？对于欧罗巴快船类型的深空载荷，有一个很重要的数值＂特征能量＂，常以C3指代。这是一个衡量离开某质量引力作用范围，到达另一个质量引力作用范围的轨道所需的额外能量 ，航天动力学中常用单位为km^2/s^2（千米平方/秒平方），为方便阅读后文中将省去单位。举例而言所有地球轨道的C3<0，C3=0便是离开地球的轨道，之前NASA发射的洞察号火星探测器的C3=8.19，帕克太阳探测器的C3=154。对于同一款火箭来说，轨道C3值越高所能送到该轨道的载荷质量也就越小，以至于到一定C3后载荷质量等于火箭自身干质量，这便是常说的火箭深空运力极限。根据NASA的招标要求，欧罗巴快船的发射轨道C3=41.69。
　　任务招标书，清晰可见这个C3要求值
　　单就数值来看这并不是特别夸张的轨道要求，许多火箭都能达到，但别忘了这个探测器有6吨重。根据NASA的火箭运力网站，放入美国能使用的4款现役运力最大的火箭，分别是宇宙神V551，重型德尔塔D4H，仅助推回收的重型猎鹰FH，和完全不回收的重型猎鹰FH，横轴为C3纵轴为所能送的质量，得出数据：
　　在C3=41.69的前提下，只有完全不回收的重型猎鹰和竖线的交点高于6吨，且也仅刚过6吨出头，实际留给载荷的冗余并不充分 。当然还一种可能是ULA的火神火箭，虽然NASA的网站上没有类似的数据但可以通过其他的数据预估。ULA公布的数据中说采用6固推的重型火神，送入地月转移轨道（TLI）的载荷为12.1吨，TLI的C3=-3。
　　假设火神火箭的运力下跌和同样使用半人马座上面级的宇宙神V551类似或者更小一些，那么可以把上面C3和质量的对比图中，V551的绿线整体向上平移预估。宇宙神V551在C3=-3的运力约为6.2吨，火神同轨道下增加了5.9吨，宇宙神V551在C3=41.69的运力为2.7吨，再增加5.9吨为8.6吨，足以发射6吨的欧罗巴快船 。
　　事实上如果真要两者选择的话，作为旗舰级项目冗余性的优先级要高于价格，且全抛弃的重型猎鹰并没有回收的明显价格优势，NASA会选择重型火神来发射 。当然前提是ULA真的能在2024年把重型火神准备好，BE-4的交付推迟导致火神的首飞已经延迟到了2021年第四季度，哪怕推迟到明年都不意外。更何况发射欧罗巴快船的6个固推构型没有商业卫星需要，至少现在火神火箭没有计划任何采用同构型的发射，NASA是否愿意冒这个险还要打个大大的问号。
　　综合而言重型猎鹰毫无疑问是在2024年发射最保险的选项，但欧罗巴快船的问题到这里还远没有解决。重型猎鹰只解决了第一个探测器质量的问题，但却没有解决第二个距离远的问题，欧罗巴快船最初和SLS绑定，不只是因为SLS能发射，还是因为SLS能直接把探测器送入C3=82的地球木星转移轨道 ，不借助任何星体的引力。SLS虽然不是设计的最好的火箭但却是现在唯一能办到该轨道下6吨载荷的火箭。
　　天底下没有免费的午餐，既然重型猎鹰在轨道C3上省下了能量，那就必须借助其他星体的引力弹弓效应把省下的能量补回来 ，也就额外增加了到达木星所需的时间。重型猎鹰发射需要先借助火星引力第一次加速，而后再绕回来借助地球引力第二次加速，换句话说，虽然2024年从地球发射，但欧罗巴快船要整整6年后的2030年才能到达木星开始任务。和原计划的2024年SLS从地球直射2027年到达木星相比，重型猎鹰发射的MEGA（Mars-Earth-Gravity-Assist）模式实际木卫二任务开始时间要延迟3年。
　　直射模式和MEGA模式对比
　　这也就引出了另一个问题，为啥必须要在2024年发射？按时发射若无法按时到达，那么按时发射的意义也就没那么重要了。由于木星公转一周需要11.8地球年，等于几乎每年从地球都有一次发射窗口且窗口到达木星所需时间差别并不大。若欧罗巴快船错过2024的窗口在2025年末发射，通过接近数值的C3转移轨道依然可以在4年的时间内到达木星。
　　窗口和总Dv图，KSP中常用MechJeb插件的爱好者应该熟悉这个图
　　具体而言，2025年10月4日发射轨道C3=88.4，在经过3.72年的太空旅行后在2029年6月25日到达木星，比重型猎鹰MEGA模式在2030年4月11日到达早了整整10个月。
　　哪怕赶不上2025年再等个1年在2026年10月23日发射轨道C3=87.4，经过3.29年的太空旅行也会在2030年2月4日到达木星，尽管晚了2年发射但依然比MEGA模式早到2个月。
　　这时候是不是应该放一个＂对不起，能支持高C3就是可以为所欲为＂的表情包？
　　NASA在欧罗巴快船上面对的困境远非简单的载具能力，而是载具能力，载具可靠性，载具造价，任务规划和任务时长的多重平衡抉择 。毕竟欧罗巴快船只有真正到了木卫二才有意义，在SLS已经几乎确定无法2024年发射的时候，探测器是在仓库里多放2年还是在太空中多飞3年都没有本质区别 。
　　下面正片开始！
　　如果是在2年前讨论欧罗巴快船的发射载具，或许到这里就结束了。但在过去2年内美国得克萨斯州一系列不锈钢＂水塔＂的进展，又给欧罗巴快船添加了一个新的可能性。星舰有其他所有火箭都没有的在轨燃料加注能力，不需要一次性就把所有东西送入太空，理论上一个装满了推进剂的星舰可以当做第二级，把欧罗巴快船从近地轨道直接送入木星转移轨道。 有趣的是马斯克曾经在19年提出过一个类似用途的星舰Lite版：
　　不考虑星体降落所以只保留3台真空猛禽引擎，移除气动翼面，隔热防护和生命维持等装置，简而言之便是把星舰变成底下装了三个引擎的超大号不锈钢罐头，仅太空送货用，外观上估计会和SpaceX之前竞标的月球降落器版本有些类似。
　　星舰完整版90吨干重带1260吨推进剂，按照马斯克推特的预估，Lite版干重仅有40吨带1160吨推进剂，以真空猛禽380s的比冲计算得出星舰Lite提供的dV为12.7km/s，以此为基础可以进一步得到星舰在近地轨道推进剂加注后的C3与载荷质量对比图。
　　最右边绿色那一条
　　欧罗巴快船直送的两个难点组合有多苛刻，就连星舰都无法在不改造的前提下完成发射。当然由于星舰考虑到在星体表面上降落的要求，材料和结构都有加固所以干重较高，并不适合高C3的轨道发射，不到C3=70便已到达极限。星舰Lite则完全不同，作为一个用甲烷的超大号的＂半人马座＂上面级，可以轻松的把超过10吨的载荷送入C3=80到C3=100之间的轨道。也就是星舰Lite不仅能替代SLS发射欧罗巴快船，还可以给欧罗巴快船送到更快的轨道，让其能更早到达木星。如果星舰Lite在2025年9月18日发射，采用C3=91.5的轨道，欧罗巴快船将在2027年8月7日到达木星，比晚1个月通过SLS发射还要早到将近2年 。
　　讽刺的是这种＂最速到达＂的发射方式恰好也是最省钱的 ，星舰Lite在近地轨道加注所以加注星舰和超重型助推都可回收，一次性使用的只有9米直径的不锈钢罐头，3个真空猛禽和对应的辅助装置。唯一的弊端便是要在近地轨道停留数月，但相比较节省下来的太空旅行时间而言完全可以接受。从重型猎鹰承接深空门户模组发射，到现在欧罗巴快船所有发射方案中有一半都和SpaceX的火箭有关，NASA或许根本不会想到当初自己投资考虑为＂备用＂的私人公司，现如今已经发展到要开始反过来解决自己问题的地步。
　　（全文完）
　　以下为主页君吐槽时间
　　你猜，最后到底由谁来执行这次发射呢？
　　哦，对了，忘了说了
　　NSF论坛内部消息称
　　马大忽悠要求星舰最早7月进行首次入轨发射
　　当然这时间没人会相信
　　但哪怕他推迟到2021年12月31日入轨
　　也能把某些火箭的脸打肿
　　是吧？