SLS专栏预热为什么氢氧教可以与固推教强强联手？

　　作者 传说中的葱酱
　　来源 哔哩哔哩弹幕网
　　大家好，无论你来自氢氧教，固推教，还是甲烷回收真经的修炼者，哦对，还有这位煤油主义的幽灵。请快快入座！这是一系列你绝对不想错过的专栏，尽管实质是氢氧教与固推教的传教文。
　　总之，我们要介绍的是人类目前制造过的最强大的火箭，太空发射系统，英语叫Space Launch System（SLS）（真名Senate Launch System参议院发射系统——划掉）。由于投票还没有结束（尽管稍有常识的人都能看出氢氧教的铁骑不可阻挡），所以这里会先写一篇预热，简单介绍一下沙发火箭科学家们最讨厌的大橙罐
　　正式内容会分别介绍模组，主要分为
　　1. RS-25主引擎和MPS主推进系统
　　2. SLS核心级（大橙罐）
　　3. 航天飞机五段式固体燃料推进器（其实是介绍一下Castor, GEM, RSRB家族，我也许不应该说castor‘家族’，原因到时候你们就知道了）
　　4. EUS远征上面级废话说的够多了，下面切入正题
　　要解释大橙罐+固推的设计逻辑，我们需要先回到阿波罗时代的末期，来看看我们是如何一步步抵达今天的设计理念的。
　　说到农神五号的继任者，就不得不提NOVA火箭（好吧，他也是农神五号的爹）最初用4台F-1引擎作为1级，TLI运力只有可怜的24公吨，然而直接登月途径要求超过45公吨的TLI，所以土星C-8最终将TLI抬升到了60吨，也就是我们平时所说的NOVA火箭。当然，随着LOR轨道交会对接途径胜选，‘小家伙’农神V号也足以胜任登月大担。我们的NOVA火箭一阵秽土转生，神奇的成为了农神五号的头号继任者，目标送100万磅（450吨）的货物进入近地球轨道，为将来的火星任务做准备。
　　GIF
　　NOVA是农神V号的原定继承人
　　然而煤油壬的好景不长，在固推教的努力下，NASA成功的脑补出了给土星V号加两根大固推，可以轻松的将运力提升到与NOVA的450吨水准。
　　1963年，作为氢氧壬的NASA赫然发现：既然已经加了固推作为我们的起飞级（Booster stage），那又何必留下原来的5枚昂贵无比的F-1引擎呢？于是NOVA的逃生路线再次被氢氧壬和固推人切断，煤油正式成为NASA设计局的幽灵。
　　这样我们就只剩下了芯级氢氧作为加速级（Sustainer stage），两根固推作为起飞级。再加上对复用性的追求，太空梭诞生了。
　　Q1：停！那为什么原来的加速级（第二级），现在在地面就点火了呢？这样不是会要求喷管膨胀比降低，从而损失运力么？
　　A：在地面点火可以获得更高的起飞推力，从而增加运力。看过我之前的火箭鸡尾酒专栏（CV6208566）的童鞋一定知道，SSME主引擎通过增加液氧的供应增加了推力。尽管减少了比冲，但4.5%的额外的推力为太空梭带来了非常大的运力提升。
　　赞美氢氧神教
　　Q2：停！UP主你真菜！！！！连齐奥科夫斯基公式都不知道，火箭的最终速度只和干质比与比冲有关，这都不知道还敢写专栏？密度比冲最高的煤油才是最好的燃料！！！煤油斗争永不停息！！！
　　A：这位煤油主义幽灵请你坐下，听我慢慢道来。没错，齐奥公式中只有两个因素，干质量比与比冲，推力不在其中。但火箭的的确确可以从更多推力中获得更多的运力，接下来我们从齐奥的角度来解释为什么会这样。
　　我没教你和推力斗争
　　不要害怕！！！我保证，只要你还记得初中水准的物理知识，接下来的你都可以看懂！！！！
　　齐奥科夫斯基公式（也叫火箭方程）是从动量守恒的角度来理解火箭推进的，表达式为v=ωln(m₀/m1)，众所周知，自然对数函数的斜率是不断下降的，也就是说：干质比从6增加到7所带来的速度提升>干质比从7到8所带来的速度提升。而对于运载火箭来说，最后一级中载荷是死重的一部分，对于多级火箭来说，后几级对于第一级来说也是死重的一部分，包括上面级的燃料。
　　更重要的是，地球不断在对航天器和尾气施加’重力冲量’，火箭发射本身并不是一个动量守恒的过程。忽略重力随着高度的变化，冲量I=mg*t，也就是说：全发射时间越长，重力损耗越大，需要齐奥给我们的dv也就更大。从火箭方程的角度来看，大起飞推力给予我们的宝物，就是快速上升（进入大气稀薄的高度），入轨，减少重力冲量的累计给我们造成的影响。
　　最简单的模型是，有两个模型火箭，分别为
　　1. 推重比为2加速度10m/s^2，持续1秒
　　2. 推重比为1.1加速度1m/s^2,持续10秒
　　假设比冲相同，两者都达到了10m/s的末速度，但2号消耗的燃料是1号的5倍多，因为在低推重比浪费时间的同时，重力不断在给2号添麻烦。
　　当然，刚才的是最简单的，极度不正规，切漏洞百出的假设，纯粹是为了物理零基础的朋友准备的。但从中一样可以理解到，起飞时推力最重要，这是选择固推作为起飞级的重要原因之一（其他的原因我会在固推篇里盘点）火箭上引擎最重要的两个性能指标，推力和比冲，分别在低速和高速下是最重要的性能表现。
　　就如各位所见，从速度增量的角度，非常难解释如何增加火箭的运力，特别是当我们想要前往的目的地是同一个高度的轨道。在火箭方程里增加推重比或者比冲会把你送往更高的发射速度，不会增加被计算在死重里的载荷质量。为此，我们需要一个新的方式来理解火箭的整体性能。
　　这也是为什么通常火箭工程师们不从速度的角度设计火箭，他们从能量的角度来思考从能量的角度解释奥伯特（引力弹弓）效应
　　在直接一头扎进火箭导航算法的兔子洞前，我们回到KSP看一眼JEB怎么说
　　在屠杀小绿人时各位有没有像我一样疑惑过：为什么在近地点加速会更容易地逃逸呢（获得更多能量），引擎功率不是相同的么？为什么无动力飞跃天体也会增加能量呢？能量守恒定律在这里是否不适用？当然不是
　　双曲线轨迹的无动力引力弹弓的解释已经烂大街了，群友说一图就能明白，白嫖了行星前进的速度。
　　我们平时说的引力助推机动，其实只是无动力白嫖
　　那么，为什么要在椭圆轨道的低点点火呢？
　　奥伯特效应词条是这么解释的: P=FV，火箭推力F不变，行进速度越快，功率越大(获取机械能的速度)。但问题出现了，既然引擎的喷管和燃料种类(不同燃料热能转化为化学能的效率不同，详见CV6208566)没有变化，引擎的热功率与实际功率应该是不变的。那么为什么高速下获得的能量比低速多呢？
　　要解释这个问题，我们要使用一些公式运算，不喜欢的童鞋可以直接到黑体字。
　　与无动力飞跃不同，在轨道机动中的奥伯特效应使用的是三体运动问题的模型。在航天器，行星之外，第三者为这一瞬间航天器所喷出的尾气（取微元）。忽略尾气在喷管内的加速（或者说认为尾气完成加速脱离喷管后才与航天器分离）时间，也就是说速度的变化(喷管做功)是在一瞬间完成的。
　　航天器与尾气的初始速度相同，设为V1,尾气脱离喷管后的速度为V2。
　　当V1>Ve（尾气喷射速度，也就是比冲）时，V1-V2=Ve。航天器的速度足够快，尾气即使喷出去了，依旧和航天器同向飞行。
　　当V1Ve=4.49m/s，V2-V1= -Ve
　　dE=-1/2mVe(V1+V2)
　　公式表明Ve(尾气速度也就是比冲)越大，尾气损失的能量越大，由于能量守恒，地球又不接收这些机械能，半人马获得的能量越大。
　　也就是说，燃料的比冲越大，单位燃料给予航天器的能量越大。而且，速度越快，轨道能量越大，提升比冲收益越大。
　　所以我们的结论是，高速情况下(上面级/Sustainer工作时)，比冲是最重要的。
　　能量总结:
　　引擎做功一共需要分给三个物体地球，尾气，和航天器。在起飞/飞行前2分钟，如果推力过小，大量的能量会被浪费在用来拖着地球跑上，所以推力最重要。
　　在飞行的后80%，离开地面达到一定高度和速度后，地球不会吃掉许多能量。几乎所有的能量都被分配给了航天器和尾气，而且比冲越高，尾气的能量越小，航天器的能量越大。
　　地面的推力极度重要，这也是为什么SLS与太空梭的主引擎都是在地面点火的部分原因(其他原因会在RS-25里说)，而不是在高空点火。尽管在地面点火会需要小一些的喷管，低一些的最大比冲，但是额外的推力带来的收益实在太大。所以最好的选择就是给SLS额外的燃料，让它在地面一路点火到入轨。
　　地面点火，不要辜负这10节车厢的推力！
　　所以，SLS真的这么强的话，为什么它只有130公吨近地轨道运力呢？
　　也有人谴责SLS＂违反广告法＂，因为它＂不如农神火箭＂
　　最强火箭SLS真的是虚假宣传嘛？
　　好吧，这其实是一个＂鸡同鸭讲＂的过程，
　　农神5号的140公吨运力是基于＂Injected Mass＂计算的，也就是第三级关机时，整个航天器的重量，包括第三级的死重和引擎。48.6吨的TLI运力也是基＂Injected Mass＂，加上第三级的干重计算的。
　　而SLS的95吨，105吨，与130吨，则是基于＂有效载荷＂也就是减去火箭的燃料和死重的重量。
　　如果我们使用统一标准计算，SLS的＂Injected Mass＂高达156.9公吨。远大于农神火箭的140吨
　　如果用＂有效载荷＂计算农神V号的话，近地轨道只剩下了122.4吨，小于SLS Block 2的 130吨。
　　而且SLS目前使用的材料是非常保守的2219系列铝合金，将来很有可能像太空梭主燃料罐一样，换用高性能铝合金2195与2050的组合，进一步增加运力(在橙罐篇我们会继续要这这个话题说明)
　　SLS是将人类送往火星的运载火箭
　　一不小心写多了，算啦，就当是献祭给前任教主太空梭的礼物。愿天堂也有国际空间站，哈勃太空望远镜，和不断进取，无畏探索着太空的人类。