sls与星舰对比（SLS构造分析之命运多舛的EUS）

sls与星舰对比（SLS构造分析之命运多舛的EUS）采取渐进式研发的好处是可以在有限的预算下加快SLS进入服役，有一款可用的超重型火箭来承担NASA为未来规划的一系列任务、同时维持一个基本的发射能量和与之对应的劳工团队。只有这样，NASA才可以快速的授予承包商订单、留住工程师们继续建造大橙罐-即使它们没有合适的上面级可以装在上面。为此，《2010年度NASA授权法案》规划了Space Launch Sytem项目的任务目标，其中包括三个构型的渐进式研发，Block 1， Block 1A/B， Block 2。ICPS中的i是“Interim”的缩写，中文含义为“临时，暂时的”；在2010年代初SLS项目的规划中，ICPS会在EUS研发完成服役前提供SLS一个有限的深空能力。它并不是作为SLS火箭系统的一部分研发的，事实上《2010年度NASA授权法案》中要求SLS Block达到的70吨近地轨道运力是不包括ICPS所提供的额外冲量。也就是

原作者 传说中的葱酱

我们已经介绍过SLS的芯级(https://b23.tv/Ok9gED) 它的推进系统(https://b23.tv/3oj7le) 和大号五段式固推(https://b23.tv/YyXhuE). 但前往深空，上面级是必不可少的。 SLS唯一的上面级被NASA叫做EUS（Exploration Upper Stage，远征上面级）。

The mighty* RL10-C3

你可能想问：“EUS是唯一的上面级？那Block 1的ICPS是个什么东西。”

ICPS中的i是“Interim”的缩写，中文含义为“临时，暂时的”；在2010年代初SLS项目的规划中，ICPS会在EUS研发完成服役前提供SLS一个有限的深空能力。它并不是作为SLS火箭系统的一部分研发的，事实上《2010年度NASA授权法案》中要求SLS Block达到的70吨近地轨道运力是不包括ICPS所提供的额外冲量。

也就是说，在国会眼里，ICPS被认为是载荷的一部分、由芯级整个送进近地轨道。在实际项目中，ICPS的概念更接近“Kickstage”（我们在CV6617646中聊过这个概念），附加在载荷上提供一点额外的轨道机动能力。

从Block 1到Block 2，为什么有这么多迭代？

在星座计划摇摇欲坠、太空梭也临近退役的时代，“如何维持美国的超重型火箭制造业不至于衰退”成为了当年国会太空政策的主要议题之一。在ISS与RS-25橙罐等设备完全脱钩后（https://b23.tv/vcKZeJ），如果NASA不再购买一款“橙罐继任者”，那30几年来所累积的劳工团队、项目管理经验、技术积累都会随着时间的流逝快速衰退。

为此，《2010年度NASA授权法案》规划了Space Launch Sytem项目的任务目标，其中包括三个构型的渐进式研发，Block 1， Block 1A/B， Block 2。

采取渐进式研发的好处是可以在有限的预算下加快SLS进入服役，有一款可用的超重型火箭来承担NASA为未来规划的一系列任务、同时维持一个基本的发射能量和与之对应的劳工团队。只有这样，NASA才可以快速的授予承包商订单、留住工程师们继续建造大橙罐-即使它们没有合适的上面级可以装在上面。

授权法案中给定了SLS项目必须满足的LEO运力条件（下限），分别是：

Block 1， 70吨

改进型Block 1，105吨

Block 2，130吨

但NASA在SLS的设计工作是从一个更高的基准开始，原本Block 1的设计运力高达98吨；2013年芯级材料改用了更保守的2219合金后（见芯级专栏），Block 1也依旧拥有95吨近地轨道运力，满足了国会所要求的能力。

但大橙罐空有95吨LEO运力并不代表它可以直接将猎户座一路推进TLI，毕竟它自己干重摆在那里、把80多吨的橙罐砸向深空也不是一件特别环保安全的事。为了让大橙罐在EUS服役前的时代有活干，NASA与波音找到了刚成立不久的ULA、想利用德尔塔4的上面级DCSS来改装一下给SLS凑合用；这样，ICPS就诞生了。

ICPS与SLS的对比，注意到ICPS只有31吨不到

椭圆轨道-ICPS的自我救赎

拥有95吨近地轨道运力的芯级是为了126吨重的EUS上面级而设计的，在Block 1B/2的发射中大橙罐将把EUS释放在亚轨道中、由它自己点火进入一个接近正圆的停泊轨道。

但对于31吨左右的ICPS来说，即使算上猎户座带逃逸塔也只能凑到64吨（并且逃逸塔会在飞行前半段分离）；也就是说，如果Block 1芯级将载荷释放在了200km*20km的亚轨道、再由ICPS点火圆轨，芯级必须在还留有大量燃料的情况下提前关机、会造成大量运力浪费。为了尽量充分利用大橙罐的能量、NASA为Block 1任务设计了独特的高抛轨道。

Artemis-1（旧称EM-1）

为了让大橙罐能够安全受控的坠入大气（不至于与长征5B一样靠天决定随机再入），它必须在亚轨道关机。最终决定为Artemis-1所设计的分离轨道是一条975nm x 22nm（1800km x 41km）的怪东西，这里的975nm的远地点其实也是受到了首飞猎户座的限制、没有用到芯级的全部运力。

根据任务流程，ICPS在分离后停泊到接近轨道高点时（约T 40min）会点火进行“近地点抬升机动（Perigee Raise Maneuver PRM）”，将近地点抬高至100nm，避开大气。

在停泊半个周期后，ICPS的第二次点火会将猎户座送往月球。

（关于Artemis-1的任务流程详情可见https://www.bilibili.com/video/BV12z4y1R7Cw）

EM-2与The Hybrid Triple

Artemis-2（EM-2）的任务规划相比首飞而言就更加复杂，并且在EUS和ICPS的选取中多次摇摆、中间甚至有过想要载2人前往一颗小行星的方案（小行星重定向计划、有空我们可以写个单独专栏，本篇不深入讨论）。

纠结的根源就在于，EM-2作为猎户座的首次载人飞行、许多在EM-1的猎户座上还未引入的新系统将被首次测试，并且NASA需要考虑宇航员的生活作息与任务分配、掐好时间来安排重要操作事件。为此，NASA设计了三条各不相同但又都可以自由返回的轨道，被称为“Hybrid Triple”

流程概述(EUS版)：

1. 近地轨道(LEO)停泊（2圈，约3小时）在进入近地轨道后，上面级将不会在第一次抵达近地点时就启动引擎前往月球，EUS将与猎户座一起在近地轨道中停留两个周期，挤出足够时间进行系统检查。
2. 高地球轨道（HEO）猎户座单飞测试（1圈，24小时）在完成两圈近地轨道航行后，RL10在近地点点火进行“远地点抬升机动（Apogee Raise Burn ARB）”将猎户座送进 38 600nm x 127nm (71 487km x 235km)的高地球轨道(HEO)，机动完成后猎户座将与火箭分离进行单飞（Solo）。
3. 猎户座推进器点火进入月球转移轨道（TLI）
4. 四天前往月球，从4 800海里处的轨道飞掠月球背面，再飞行4天回到地球。

在中间添加的长周期HEO轨道允许NASA在地球轨道中测试猎户座的维生系统（ECLSS）、宇航员也会在地球轨道中进行日常生活（吃饭睡觉撸铁），安排这样一条轨道可以让宇航员在离地球比较近的位置彻底测试检查所有的猎户座系统。尽管远地点比较离谱，但HEO依旧是一条地球轨道；如果猎户座系统测试出现异常依旧可以快速安全的从近地轨道返回地球。谁都不希望废物管理系统（WMS，也就是马桶）出现故障后还必须飞好几天去月球再回来

眼尖的读者可能已经意识到了: 127 x 38 600的高椭圆轨道周期正好是24小时，这样NASA刚好可以在第二天早上宇航员吃完早饭后派他们去准备进行TLI机动。而具体飞掠月球的高度决定了月球之旅的时长，4 800海里高的月背飞跃将月球飞行的总时长定格在偶数（8天）。这样，猎户座可以在宇航员的工作时间飞掠月背、避免了任务事件影响生活作息。（如果是7天的总时长，宇航员就得半夜被闹钟叫醒做任务了）

需要澄清的是，SLS Block 1完全有能力将猎户座直接送去月球（和EM-1）中一样，NASA出于任务考量决定使用HEO来减小风险。

2017年的示意图中显示的是EUS

在ICPS与EUS间反复横跳的EM-2

最初的计划是在EM-2中使用ICPS，从EM-3开始使用EUS。

而NASA在2014年就曾经暗示过希望在EM-2中就转换为EUS发射（当时规划的第二次SLS任务是2021）

当时，NASA认为在首次载人飞行中采用EUS有许多好处：

第一，NASA与波音不需要为ICPS安装故障检测系统，也就是俗称的“载人认证”（Human Rating）。这是一系列的改进型航电、这样ICPS如果在长达20分钟的TLI中出现了故障、系统会自动检测到并关闭引擎允许猎户座飞船安全分离返回。A1由于是无人飞行，TLI中即使出现问题也会继续莽到预定关机时间，也就没有必要为它添加复杂的故障检测系统。

根据NASA下属航太安全建议小组（ASAP）的估计，航电改动将导致额外1.5亿开支。原计划是只使用两次ICPS，也就是说只有一次载人飞行；在这样的规划下为Block 1进行载人认证就显得很不划算。

第二，使用EUS执行Hybrid Triple时的近地轨道高点不超过500海里，减少了MMOD风险。这是一个太空飞行安全的关键高度，500海里的太空环境被认为是MMOD带（Mircro-Meteor and Orbital Debris 即微小流星与太空碎片环境）；在那里，飞船有更高的几率被微小的碎片击中可能造成漏气等状况。

而在使用ICPS的任务流程中，为了最大化大橙罐的能量、猎户座与ICPS被迫停泊在高点为975海里的轨道中，导致更长的MMOD暴露时间、增加不幸事件发生的概率。

第三，提前建设门户空间站。载人版Block 1B的一个关键能力是允许猎户座飞船携带一个10吨重的副载荷一起发射进TLI，这样的模式可以允许空间站舱段共用猎户座飞船的服务舱和机动模块进行月球轨道刹车与定位，降低了空间站舱段的复杂度和造价。在EM-2中提前转用EUS也可以允许NASA更早的发射推进与能源模组(PPE)，留出更长的时间来测试验收首个模块。

在这么多好处的面前，NASA心动了。

2014年6月，NASA确认EM-2转为Block 1B任务，以支持月球空间站建设。

2016年2月，NASA的项目管理者正式通知ICPS小组停止载人认证与后续生产。但这不是没有代价的，古尔丹。

EUS提前服役的阻力

EUS是一款60英尺长，126吨重的大型低温上面级（给大家一个直观的比较、长五芯级的重量也只有187吨，也就是说EUS作为上面级只比市面上的低温一级轻了三分之一）。在大橙罐头上加一个这么大的上面级，发射塔与发射台不得大幅修改来适应增加的长度与重量。

Block 1（左）与Block 1B（右）之间的对比

并不通用的通用发射台

NASA原本打算将星座计划所遗留下的Mobile Launcher-1（ML-1）作为整个SLS项目的唯一发射台，在Block 1打完以后拆卸下来改装。Block 1与1B之间的改装预计耗时33个月，中间无法发射任何SLS任务。这样长时间的空档期无疑会回到SLS想要克服的那个老问题：如何留住会造大橙罐的工程师与科学家，维持这个国家最基本的深空发射能力。所以国会对于提前使用EUS的计划一直持怀疑态度，ASAP也曾提出劳工流失可能会导致任务安全下降这一考量。

白宫有自己的想法

更糟糕的是，2016年美国迎来了一届新总统，上来就给了SLS一记重拳-在FY2017NASA预算中，SLS/猎户座预算名下的快7亿美刀直接消失不见。

FY2017被一刀切掉6.7亿

尽管最后国会把钱还回来了，但第45届合众国总统内阁对SLS（EUS）项目的不友善NASA已经心知肚明。总统也不止一次提出希望提前进行载人飞行(来成为他第二任期内的功绩)，使用Block 1执行无疑是他想要的结果。但这个时候NASA已经中止了对ICPS的载人认证工作，重启需要时间和更多资金来购买额外的一台ICPS。

为了讨好新任白宫，NASA在2017年研究过是否可以在EM-1任务中载人；包括载人认证ICPS并且在EM-1中使用Hybrid Triple。结果在意料之中：尽管EM-1使用Hybrid Triple是可行的方案，但NASA在风险考量上否决了该提案。

未曾设想的破局者，EM-2重回Block 1

山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村

2017年7月，ULA按照合约将EM-1要使用的ICPS交付给了NASA。 而ICPS本身则是由拉长版的5米直径DCSS改装而来，而DCSS.......

你Get到了么

放大点，Common Avionics(通用航电)

从2015年开始，ULA生产的德尔塔4与宇宙神5均使用了同一套通用航电与飞行控制系统。当时，这两款快20岁老箭身上遗留了许多消失型商源问题（这么多年下来很多当时的航电现在已经不生产了），这导致ULA所生产的火箭航电成本很高。在成功应用通用航电后，ULA成功降低了生产成本、同时为火神的快速研发打下基础。

也就是说，这ICPS上所使用的航电与宇宙神是相同的。而宇宙神则是......

噔噔咚

作为波音星际线飞船的发射载具，ULA为宇宙神V研发了一款名叫EDS(emergency detection system，紧急探测系统)的小航电盒。只要把这个盒子往半人马的通用航电上一接，宇宙神V就获得了载人所需要的故障检测能力。

同样作为ULA产品的ICPS也应用了通用航电系统，也就是说EDS也可以轻松地在SLS Block 1上pulg-and-play，ICPS载人认证也就水到渠成，变得容易了许多。

2018年2月，白宫在FY2019的预算中正式决定开启门户空间站的建设工作，首个模组PPE被分配给了“商业火箭”发射。EM-2不再有副载荷要带，进一步削弱了使用EUS的理由。

2018年5月，NASA最终决定将使用Block 1发射EM-2;与此同时，国会也突然决定要拨款3.5亿给NASA用于建设Mobile Launcher-2（ML-2）作为Block 1B专用发射台。NASA原本预期5年完工ML-2，但国会姥爷们希望NASA可以在44个月内、也就是在2022年底前完工ML-2，以此解决Block 1与1B之间的空档期。

2019年7月1日正式授予合同，2023年3月结束

ICPS的Hybrid Triple路线（最新版）

尽管载人认证的问题得到了意料之外的解决，NASA依旧需要处理高抛弹道为任务带来的MMOD风险。并且原本的计划其实并不完善，EM-1中猎户座需要在MECO后、PRM前的这一小段时间内展开，对于载人任务而言这几十分钟显然不够检查确认太阳能板健康状态。所以在决定使用Block 1后，NASA马上开始更深入研究如何改进EM-2的Hybrid Triple任务流程。

1. 分离轨道远地点从975nm（1 800km）被抬升到了1 200nm（2 200km），此举是为了增加ICPS的运力余量、同时保持22nm的近地点（避免与长五乙一样随即再入）
2. PRM提前到MECO后10分钟（T-18:40），LEO飞行计划更改为在100nm x 1 450nm (185km x 2 685km)的轨道运行一周。减少一周LEO飞行，MMOD风险也就大幅度降低了（暴露在环境中的时间减少了一倍）。提前进行PRM可以留出几乎一周期的时间来给猎户座展开太阳能板、在ARB前进行必要的检查。KSP玩家看到这里一定会感到非常难受，不在AP点点火抬PE简直是逆天下之大不韪、运力损失一大堆（所以NASA才要抬高分离轨道）
3. HEO轨道抬高至 205nm x 59 260nm (380km x 109 750km)，飞行时间延长到42小时。抬高轨道的主要原因也是要给猎户座保留更多燃料（约1 000磅），以备不时之需。不选择24到42中间某个轨道周期的原因也是为了不打扰宇航员睡觉，如果选了个阴间的30小时周期、宇航员就不得不睡到一半被吵醒起来做任务了。

TLI轨道插入后的部分就和原本EUS的版本保持不变了，8天来回、4 800海里飞跃月背。

最新的ICPS版Artemis-II

不出意外的是，在决定给EM-2使用Block 1后，为了在FY2019购买额外的两台ICPS（此时的第三台ICPS是给欧罗巴快船用的）、EUS的预算被砍了一半，从原来的3亿美元变成了1.5亿。

把水搅浑的2024登月梦

“万事大吉，那就从EM-3开始用EUS好了。”-你可能以为

不，第45届白宫又来给EUS整活了。2018年底，NASA暂停了EUS与ML-2的研发制造。原因在2019年3月公布的FY2020总统预算被揭示：川普想要把EUS和SLS block 1B/2、以及ML-2整个砍掉。同月，副总统麦克彭斯宣布要在2024年载人重返月球——这显然与猎户座/SLS的研发计划不符、原本2024年应该是EUS的首飞的年份，EM-3将猎户座飞船与一个门户空间站组件送往月球轨道。但是在白宫提出的载人登月计划中，Artemis-3将使用第三台装配ICPS的Block 1火箭执行载人登月、而原本规划给EUS的3亿预算被全部转给了Block 1加快进度（虽然这3亿美元最后又被国会转回来了）。而且ICPS已经不可避免地被分配给了Artemis-3，意味着欧罗巴快帆要用的SLS也彻底没了着落。这一套操作下来，在2020财年完成EUS的关键设计评估（CDR）是彻底没戏了、波音原计划要给EUS结构测试件（STA）做的认证（qualification）也得被推迟到2021财年。要知道，SLS芯级的主要推迟就来自于波音当时天真的以为不需要做额外的认证，我们在芯级的故事(CV6985435)里已经讲过这惨烈的教训。

合同12年、年年无EUS

这也是为什么我经常说2024年并不是一个合理的登月时间，它拿SLS的未来去换提前两年回到月球。尽管在FY2021中给予EUS的4亿美元预算一定程度上弥补了EUS的进度（CDR已经在2020年末完成，焊接技术研发也在继续），但许多不可弥补的损失已经造成了；急功近利不是与重力打交道时应有的心态。

EUS设计的沿革

我知道大家点进来是想看性能斗兽棋而不是白宫如何与国会斗智斗勇

2011年SLS设计刚启动时，研发路径上有3个构型被规划在内: Block 1 改进型Block 1(A/B)与Block 2。

Block 1还就那个Block 1，但当年的改进型Block 1可是与今天所了解的"加个EUS完事"截然不同的计划。

根据NASA文件记录，Block 1A在完成"先进助推器(Advanced Booster)的研发后依旧无法达到105吨LEO的法定运力，需要引入一款"全尺寸低温上面级(Full-scale CPS"来替换ICPS，弥补运力的不足。

而当年的Block 2则是真正意义上"星座计划的借尸还魂"，由5台RS-25E驱动芯级，搭配一款被重达210吨由3台J-2X驱动的"Large Upper Stage(LUS)"来满足国会想要的"130公吨LEO运力"要求。

被夹在中间无比尴尬的CPS

CPS的设计从未定型，从最小50吨一直到最大130吨有一大堆非常富有想象力的设计被提出(然后否决)。归根结底，一边要掏钱给先进助推器烧 另一边又要同时研发一款大型低温上面级，NASA钱包遭不住啊。

不过这尴尬的地位并不影响我们讨论一下它的各种设计方案。

方案A: 使用EELV上面级衍生出5米直径CPS

ICPS是当时最大号的EELV衍生设计(5米DCSS)，所以要比那个再大，比较接近的可能是下一代半人马上面级，也就是......

刚好54吨？

文件中提到的EELV衍生CPS可以使用RL10或DARPA的"低价上面级引擎(Affordable Upper Stage Engine AUSE)驱动，但在2013年那会火神和半人马五还不知道在哪，所以这也只能是我们的猜测。

方案B: 使用为战神1号研发的EDS(Earth Departure Stage)作为基线，衍生出CPS

天国的战神1号

“既然完全体是三台J-2X，那我们在CPS上用一台不就好了？”

不过从2014年开始斯坦尼斯太空中心A1与A2测试台测试需要腾出来，转给RS-25进行试车; J-2X的研发项目也就被迫中止。整个J-2X项目到这里一共仅积累了约1万秒的试车时长，共制造3枚测试引擎; 由于缺少可用的试车台，第四台J-2X从未完成。

RS-25: 给氢氧之王让个道，弟弟

不难猜到，NASA很难接受这样使用一款半成品来驱动接下来数十年内的深空火箭。

方案C: 双用途上面级(Dual-Use Upper Stage)与Block 1B

在2013年的AIAA会议上，波音提出了"新LUS(New Large Upper Stage)"概念，该设计直径8.4米 总重量略低于120吨，可用燃料105吨; 将替换210吨重的LUS成为新的Block 2上面级。被NASA命名为DUUS的这款上面级也将允许让SLS在不依赖先进助推器的情况下满足国会要求的运力，创造出Block 1B构型。

几乎在提出后，Block 1B与DUUS马上成为了NASASLS项目的宠儿，原因有以下几个

1. 选择Block 1B后，研发先进助推器的大量的资源可以重新分配给芯级。

2. DUUS的8.4米直径液氢储箱可以沿用芯级(也是8.4米)的制造工具，减少所需投资 压缩项目期程。

3. 8.4米的直径能够更好的适配同样8.4米直径的芯级，提供了使用共底储箱的可能性; 并且允许NASA提前使用8.4米整流罩。

4. DUUS上面级配合先进助推器与5引擎芯级，可以将Block II的运力增加到155吨LEO 60吨逃逸轨道; 达成国会要求的130吨Block II不再需要5引擎芯级。

Dual-Use Upper Stage

作为"双用途"的特殊能力

名称里的"双用途"指的是

1. DUUS作为SLS火箭最后一级，点火将载荷送进地球轨道的"第一用途"。
2. 在轨道中作为载荷的推进与能源供应系统的“第二用途”

在波音的设计下，DUUS拥有长时间的续航能力、从数日到数个月，用来支持月球轨道直送与近地轨道长时待机。

利用DUUS长续航规划的载人掠火任务

长续航配合可以生产燃料的月球基地，EUS可以一次送330吨载荷前往火星，足够将一整座空间站推过去。

在近月轨道里加注满的EUS可以送330吨去火星

用几台引擎？

DUUS规划了三种不同的推进系统选项: 四台RL10、两台MB-60、或一台J-2X。

波音对三种DUUS设计、与原本的ICPS分别进行了对比运力研究，基于以下几个假定：

1. 任务所使用的LEO轨道（中继停泊或作为目的地）为130nm x 130nm高
2. 三种DUUS设计的可用燃料量均假设为105吨（尽管实际设计会有不同）
3. 在地球、火星与月球任务中，DUUS将使用8.4米直径整流罩；在欧罗巴、泰坦、与冥王星任务中，DUUS将使用5米直径整流罩
4. SLS芯级使用4颗RS-25、起飞重量2 387 000磅（1083吨）；两根五段式助推器（FSB）、起飞重量3 215 600磅（1458吨）。芯级 助推器起飞重量合计5 602 600磅（2541吨），近地轨道运力70公吨。

A.使用ICPS作为上面级

ICPS使用5米直径整流罩，可用燃料27.1吨，由单台RL10-B2驱动。火箭进入100nm x 975nm停泊轨道时，总质量为70t。

近地轨道运力：不计算（Block 1 LEO运力不考虑上面级）

月球运力(TLI)：24t

火星运力(TMI)：20.2t

欧罗巴、泰坦、冥王星运力分别为2.9t、1.8t与0.13t

ICPS大家都认识吧

B.四引擎（RL10C-2）构型

近地轨道运力：93.1t

月球运力(TLI)：38.1t

火星运力(TMI)：31.7t

欧罗巴、泰坦、冥王星运力分别为8.1t、5.7t与1.7t

这个时候还规划使用RL10-C2(德尔塔引擎)

C.双引擎（MB-60）构型DUUS

近地轨道运力：97t

月球运力(TLI)：39.7t

火星运力(TMI)：32.6t

欧罗巴、泰坦、冥王星运力分别为8.5t、6t与2t

两台MB60的组合拥有最好的性能

D.单引擎（J-2X）构型DUUS

近地轨道运力：105.2t

月球运力(TLI)：38.5t

火星运力(TMI)：31.6t

欧罗巴、泰坦、冥王星运力分别为7.1t、4.6t与0.5t

战....神？

整理成表格:

三个DUUS推进设计参数对比

从表格上可以比较直观的看出上面级比冲与推力之间的关系:

MB-60案在三者中深空表现最好，凭借467秒的神仙比冲与54.4吨(还算OK)的推力，该案在从月球到冥王星一系列深空目的地中完胜剩下两位。尽管近地轨道运力没能达到105吨的指标，但除了国会的法律以外LEO运力对SLS而言没有实际意义。

注: MB-60是三菱与波音合作(Mitsubishi and Boeing 60 kilopound)的开式膨胀循环引擎，从基因上来说流着LE-5B的血液。

推力最大的J-2X在LEO运力上远超其他两位，直接达成了国会想要的105t; 但它的比冲只有可怜的448秒 导致深空运力下降的非常快。从火星开始，J-2X案的运力就已经居于RL10之下(实际差距会更大)，而外太阳系运力就更令人无法接受。

总推力最小的RL10案可以说是三者中最中规中矩的设计，也是唯一使用现役引擎方案，拥有着最低的研发风险与预估开支，以及最好的成长潜力:

当时规划给DUUS使用的RL10-C2混合比为5.88:1；相比之下MB-60与J-2X的混合比均小于5。(我们在以前的专栏https://b23.tv/oqjsJO中专门讲过混合比对比冲的影响)更高的混合比意味着RL10案可以携带更多密度较大的液氧，变相减少了干重; RL10最大的劣势低推力也减少了对于EUS结构强度的要求，给出空间进一步减重 提升性能。

除此以外，可靠且简单的RL10引擎可以允许多次在轨启动，承受长时间太空待机；这也给了波音规划EUS的在轨长时续航能力打下了基础。

RL10大家族都有相对合理的混合比

由于2013年SLS还没有完成关键设计评估，研究中的指标的绝对值就并没有意义 只能用做横向比较参考(三个方案之间比较)，所以无法达成法律要求105t并不是项目组所面临的一个问题。

永远不要超过60英尺

DUUS还有三种储箱设计: 8455 8463 与8450。代号的前两位标注了LH2储箱直径(都是8.4米)，同理后两位就是LOX储箱直径(分别是5.5米 6.3米 与5.0米)。也就是说，LH2储箱直径不变; LOX储箱需要在三种直径中取舍。

为了满足发射塔与SLS整体设计限制，DUUS的长度不得超过60英尺，这是NASA所给出的硬指标。

虽然更宽的LOX储箱可以允许缩短整个上面级的长度，但是尺寸过大的铝合金四角板更难制作 需要花钱研发更先进的生产工具。

最终定案

2014年4月，NASA正式确认Block 1B作为SLS项目衍生路径上的第一步，并开始初步设计，DUUS也被更名为EUS。

与此同时在该研发分离点(POD)中，四引擎方案被正式采用; 液氧储箱直径设定为5.5米(即8455案); 最大可用燃料被增加到了285 000磅(129.3吨)，比DUUS时代大了21%。

这时的EUS的储箱大小与结构依旧是针对RL10-C2的混合比与99 000磅的真空推力进行设计的，但没有进行细节优化，因为NASA还没决定要使用哪款引擎。

理论上来说RL10是最合适的选择，毕竟猎户座在德尔塔4重型上的首飞，和SLS使用ICPS的首飞都使用了RL10驱动的DCSS。但在2013年1月，NASA曾经给予诺格与Moog合同研发AUSE（Affordable Upper Stage Engine）作为RL10的后继者；拥有更大推力、更低的造价，但比冲相对较低、需要更长的储箱来达成相同运力指标。

两个2013年1月1日授予的合同

同年10月，NASA发出RFI招标EUSE(远征上面级引擎)，对竞标引擎的性能要求如下

推力: 24 000磅~35 000磅(10.9吨-15.9吨)

比冲: 最低限制454秒，目标462秒

在轨重新启动次数>=3次

在轨待机时间>=5天

大修间启动寿命>=5次点火(用于试车与任务);

累积点火寿命>=2 000秒，连续点火寿命>=800秒

引擎LOM(任务失败)平均概率<=1/500

最终获胜的是？

RL10

2016年4月1日，NASA以2亿美元的价格买下10颗RL10作为EM-2与EM-3的EUS引擎，2次任务共需要8颗引擎 多出来的两颗作为备份。但仔细查看洛克达因的官网，NASA买的EUSE被称为"RL10C-3"而不是原计划的RL10C-2。而这款洛克达因专为EUS设计的RL10混合比是5.7而不是5.88，推力也小了500磅。

这意味着原本规划的储箱大小和比例对于新引擎而言都不太合适，这样做下去的话LOX储箱容积太大而LH2则完全不够用。使用原来的设计会让Block 1B载人版的TLI运力缩水到35吨，减去猎户座本身的26吨后只能带9吨的副载荷。和广告里写的10吨不一样啊

2018年AIAA上的参数图，最大可用燃料278 000磅

波音: 我赶时间

如果你还有印象，正是同年NASA中止了ICPS的载人认证工作将EM-2划给Block 1B。而当时规划的EM-2发射时间是2021年，也就是说波音必须在5年之内完成设计 验证 测试 制造 整合等一大堆工作，已经没有时间给它重新设计储箱尺寸了。

所以我们的主人公EUS只能拖着一身不合适的装备去做任务打怪升级

2018规划的Block 1B货运版也只有40吨上限月球运力

后面的故事我们已经讲过了，2018年中NASA又决定把EM-2还给Block 1发射，配合芯级生产的咕咕咕把EUS的首飞给推迟到了2024年(原定SLS发射欧罗巴快帆的日期)以后。这对于整个SLS项目来说是个损失，但也留给波音充足时间来优化EUS储箱结构。

2018年底，NASA要求波音花更多时间来"最优化"EUS的月球轨道能力，允许猎户座携带10吨副载荷建设门户空间站。

重修归来的EUS

2019年6月，NASA同意了波音提出的修改方案，开始进行月球轨道优化设计。

重新设计后，LOX储箱与LH2储箱都缩短了不少。LOX储箱缩掉了几层桶壁，而LH2储箱也适当的进行了缩短; 在调整成正确混合比的同时增加了结构强度，减轻干重。

EUS整体长度从58.4英尺(17.8米)缩短到了57.6英尺(17.55米)，波音正在与NASA讨论是否有可能在多余的空间使用延长版RL10喷管来增加比冲与推力(目前还没有下文)

NASA去年9月更新EUS指标

除此之外波音给EUS增加了猎户座指令上行能力，以及为月球任务设计的导航航电。

重新设计的EUS在载人版Block 1b中可以将38t载荷送往月球，猎户座飞船本身自重26吨左右。剩余12吨用来携带副载荷，相较之前增加了33%

而货运版Block 1B的月球运载力从38吨上升到了42，相较之前增加了10%; 火星运力也大幅增加到了32吨。

2020年2月的LSP运力比较，这里Block 1B的外太阳系运力基于8.4米整流罩故低于研究中的数值

截止2021年2月，尽管载人登月系统组装还是门户空间站的建设都没有规划Block 1B的任务，但NASA还是与波音一起完成了EUS的工艺认证与关键设计评估，这是因为Block 1B它的能力还真香

发射门户舱段时，载人版Block 1B的副载荷可以免去增加独立航电的额外研发期程 成本 风险 和任务复杂性; 而货运版暴力的大载荷月轨直送更是给空间站规划带来了许多不同选项，毕竟猎鹰重型全抛弃也无法送20吨以上的舱段前往月球 更别说直送到月轨了。

一路演化到现在2021，RL10方案EUS的42吨TLI运力已经全面超越2*MB-60方案的39.7吨，与J-2X方案的38.5吨。除了混合比与储箱优化以外，先进科技在EUS上的运用起到了画龙点睛的作用。

EUS，黑科技研发平台

被星舰抛弃的复合材料

作为NASA的研发项目，哪有不整复合材料的道理？作为次世代低温上面级的EUS，背负了要在各种奇怪的地方试用先进科技的使命。NASA甚至为这一系列整活设计了一个项目，就叫“EUS的复合材料”（Composites for Exploration Upper stage）

294页长，连螺丝都想整复合材料

整个项目的核心是EUS的前后裙座，目前的设计是使用复合材料板作为主体、由金属铆钉（Metallic Bonded Joint）接合在一起。

2013年的AIAA中波音希望使用在LOX储箱与LH2储箱的连接段使用X型复合材料结构，但是该案疑似已被放弃，在2018年AIAA的PPT中显示的是金属X型连接结构。除此之外，SLS Block 1B的载荷转接口（Payload Adapter）与间级（Interstage）也将使用复合材料来减轻干重。

NASA真的在研究复合材料铆钉，正在复合材料转接口上测试

3D打印的RL10C-X

之前在讲EUSE时眼尖的同学可能就已经发现了：

2016年的合同里NASA花费2亿购买了10颗RL10C-3引擎，那么简单算一下单价已经低至2000万了；这和大家眼里高贵（且昂贵）的高比冲低温引擎RL10形象并不相符。

网友们在2018年的估价可是真有想象力

事实上2亿美元的合同里包括了NASA给Aerojet Rocketdyne研发RL10C-3新型号的费用，所以实际的单价会比2000万更低。这是因为RL10C-X系列使用了大量的3D打印技术（据称95%的组件将应用3D打印），而要达成这样高的应用率、Aerojet Rocketdyne公司自己与空军NSSL对生产设备的投资起到了关键作用。

ULA的火神火箭会在上面级使用2台RL10C-X，预计每年发射10次；而波音的远征上面级需要4台RL10C-X，尽管每年只发射一次。这样计算下来每年会有24发保证的RL10订单流入手中，大量的现金流确保了Aerojet Rocketdyne的投资回报、坚定了它大量投资3D打印的决心。

这可以说是“规模效应”这一经济学概念的现代典范，通过提高产能来让固定成本分摊在更多的单位上，以此降低单价增加市场竞争力。

投资太空产业、而不是某款火箭

从太空梭到SLS，NASA被国会逼着做了许多“不必要的”投资决定。

就如川普的内阁所说那样“SLS项目已经遭受了严重的期程延后与数十亿经费超支，公开竞标商业发射作为载人版Block 1的补充可以加速2020年代载人登月的进度并满足在月球持续运作的关键能力，NASA自己也没有给Block 1B规划任何发射；尽管(EUS与ML-2)已经在研发与制造中，但是我们认为应该取消对该项目的进一步投入”。

我承认这是真的，从2024-2028的月球探索来看，Block 1B提供的额外能力并不是必要的。但这显然是一种短视，因为人类对太空的探索不会在2028年终止，未来的路很长；火箭可以向其他行星发射多少载荷限制了NASA如何规划未来的所有探索项目，超过40吨的逃逸载荷可以允许NASA将更重、更精密的仪器送往更远、更危险的目的地。

退一步说，在40年以前进行太空梭项目时也有许多“不需要的能力”被国会给添加到了项目中；但今天的这些“商业火箭”几乎无一例外是太空梭技术的受益者。猎鹰9的2195高性能合金、FSW焊接技术、猛禽主燃烧室所使用的Inconel 718 ，这些都是活生生的例子。

我们可以这样说，国会对太空梭的大量投资，成为了今天美国太空产业蓬勃发展的土壤。那么同理，今天对SLS的投资，则会为下一代的“商业火箭”提供坚实的技术基础。

Elon Musk说今天的星舰所面临的三个主要问题是发射塔设计、猛禽产量、与星舰干重，那么今天NASA为SLS所研发的技术很明显是可以在未来帮到星舰的。更普遍使用的3D打印技术可以帮助猛禽增加产量，而对复合材料的应用探索可以帮助星舰减少设计干重与复飞间维修时长。

还是不要斗兽棋吧

说了这么多，拜登，EUS预算拜托了！！