海龙在水中的艺术概念图。Aerojet 经由 Astronautix。
想象一下，你正站在卡纳维拉尔角海岸35英里外的一艘指挥船上的观景廊里，与一小群人在一起。五英里外，你看到火箭的上半部分轻轻地晃动，波浪拍打着机身。尽管身处海上，空气中却弥漫着一片忙碌的气氛。船上的对话不时被扬声器中传来的火箭状态更新所打断。最后，传来一阵嘈杂的通知，说卡纳维拉尔角已批准发射。在美国宇航局的许可下，船上的发射主管开始最后的倒计时。你听到一声遥远的轰鸣，水下巨大的引擎开始启动，随着火箭开始上升，声音越来越大。仅仅几秒钟内，这艘高达400英尺的庞然大物离开了海洋，消失在天空中。不到半小时，其110万磅的有效载荷将进入地球轨道。
这是 Aerojet 在1963年提出的“海龙”火箭设想的未来。
1962年，约翰·格伦乘坐“擎天神”火箭发射。美国宇航局。
1963年的火箭
1963年，火箭，特别是那些适合太空飞行的火箭，仍处于起步阶段。尽管此时美国和苏联都发射了几次载人和无人任务，但两者都依赖于在尺寸和能力方面大致相当的火箭。当时正在完成“水星计划”的美国宇航局使用的是“擎天神”洲际弹道导弹的一个版本，名为“擎天神D”。该火箭高94.3英尺（28.7米），直径10英尺（3米），有效载荷能力为3000磅（1360千克）。苏联当时仍在使用的R-7系列火箭，在1957年发射了“伴侣号”，1961年发射了尤里·加加林。该系列有多种版本用于不同任务，但在当时使用的版本与“擎天神D”相当——它们高98至112英尺（30至34米），直径约9.8英尺（2.9米），可以将大约3000磅（1360千克）的有效载荷送入近地轨道。
在这种技术背景下，“海龙”是一个巨大的飞跃。这枚两级火箭的每一级只有一个发动机，高达400英尺，最宽处直径达75英尺。它很重，约4000万磅。它也更强大，能够将110万磅的有效载荷送入近地轨道。正如其名字所示，“海龙”被设计成从海洋垂直发射。与同时代火箭相比，“海龙”的另一个进步是可重复使用性；它被设计成几乎可以完全重复使用，以降低发射成本。
相比之下，四年后于1967年首次亮相的三级“土星五号”高363英尺（110.6米），直径33英尺（10.1米），可以将大约31万磅（297万千克）的有效载荷送入近地轨道。它也有更多的发动机：第一级有五个，第二级有五个，第三级有一个。它还使用传统的地面发射台。这在目前仍然是飞行过的最大火箭。
但尽管“海龙”规模宏大，对 Aerojet 来说，该项目的任何部分都不是无法克服的障碍。在1963年的提案中，该公司坚持认为火箭可以做到可靠，并且只需利用现有技术和造船技术。
海龙在水中的艺术概念图。Aerojet。
“海龙”自下而上
尽管它代表了一种全新的太空发射方式，“海龙”仍然使用传统的化学火箭技术。自下而上，它包括一级、级间段、二级、过渡段、有效载荷段，以及一个负责制导、导航和控制的阿波罗型指令服务舱。
第一级和第二级都使用单个压送式发动机。这些发动机不是依靠重力将燃料和氧化剂推入燃烧室，而是使用一个较小的增压气体罐将两种流体强制推入燃烧室，从而保持更高的压力。第一级长262英尺（79.8米），以2.3:1的比例燃烧煤油（RP-1）和液氧（LOX）的混合物，用甲烷加压，产生惊人的8000万磅推力。
第一级顶部是铝制带加强筋的级间段。它用于在第一级和第二级之间传递载荷，也容纳了方便分级的分离元件。
接下来是第二级。它长275英尺（83.82米），以5:1的比例燃烧液氧（LOX）和液氢（LH2）的混合物，选择这种组合是由于其高性能和合理的每磅成本。第二级还有四个辅助LOX-LH2发动机，它们围绕一个倾斜轴枢转，并由电子执行器控制。这些发动机用于飞行中的方向和姿态控制，以及将有效载荷送入轨道所需的额外推力。
第二级顶部是第二个级间段，它将第二级与有效载荷段分开。最后，阿波罗指令舱位于火箭的最顶端。
因此，从核心来看，“海龙”是一枚基本但极其庞大和强大的火箭。但它的发射环境——在距离卡纳维拉尔角海岸40英里的大西洋上——带来了一些独特的挑战。但在海上发射之前，“海龙”必须先建造完成。
在泻湖中组装的“海龙”。Aerojet。
建造巨龙
由于它将从海洋发射，因此在陆地上建造“海龙”然后再将其放入水中是没有意义的。为了简化起见，“海龙”也被设计成在海上建造，这本身就带来了一些挑战。海水具有腐蚀性和导电性，对航天器等复杂系统来说足够危险，以至于美国宇航局在1960年代初期花费了165万美元——相当于今天的21亿美元——开发了滑翔伞翼系统，以避免溅落着陆。但这仅仅是因为它困难且可能危险，并不意味着它不可能。潜艇就是一个完美的例子——带有电气部件的复杂车辆，可以浸没在盐水中数月之久。因此，Aerojet 从军舰中汲取灵感。根据提案，这只是一个充分保护的简单问题。所有电气设备和组件都封装在防水外壳内，只有火箭水线以上的部分才能进行内部检修。所有外部布线都将包含在充有干燥氮气的导管中。一旦装载液氧，绝缘层将提供防冰保护。
为了实际建造“海龙”，Aerojet 提议采用经典的造船方法。像主级部件这样的大型部件将在现有造船厂和干船坞建造，而较小的部件则可以在异地工厂制造。所有完工的部件随后将被运到卡纳维拉尔角附近的组装设施，一个专门挖深过的组装泻湖。
泻湖旨在提供“平静的水域”进行组装。它有点像航天器总装大楼（VAB）的湿式版本，VAB 是一个全年无休的土星五号组装地点，不受天气限制。“海龙”可以在这个泻湖中组装。此时还将添加发射难题中的一个特殊部分：压载单元。
压载单元是火箭海上发射的秘密。它由六个圆柱形储罐、支撑支柱和一个尾部的开口组成，该开口将安装在主发动机上，为水下推力室的发射提供更受控的环境。这也有助于最大程度地减少发动机喷管在海洋环境中受到侧向载荷而颤动的问题。但在发射之前，它有助于火箭在建造过程中保持稳定，并且与浮力组件和系泊电缆结合使用，火箭的每个部件在水平对接时都可以得到很好的控制。
除了在水中之外，对接和最终检查对于火箭来说是相当标准的。系统经过检查，一旦完全组装好，燃料箱将从附近的RP-1、LOX和LH2存储单元中加注。随着最终检查的进行，燃料箱可以根据需要加满；LOX每天蒸发约1%或2%，LH2每天蒸发5%。
组装好的“海龙”在泻湖中。Aerojet。
驶向公海
“海龙”加注燃料并检查完毕后，是时候离开平静泻湖的安全地带，驶向开阔的海洋了。这是一项有些棘手的操作。海洋意味着波浪，而这意味着火箭长长的框架会受到压力。有一些固有的保护。第一级和第二级都拥有坚固的推进剂储罐，加上储罐加满并增压至约30 psi，这提供了车辆大部分的结构支撑。但仍存在来自下垂（波浪同时抬起火箭两端）和上拱（波浪仅抬起火箭中部）应力的危险。在拖曳过程中火箭加满燃料并增压储罐有助于抵消这种风险。
一旦“海龙”到达发射点，压载单元会缓慢注入液体——类似钻井泥浆——以消除其浮力。随着注入，它会下沉，当其完全达到1000万磅的重量时，它会将火箭从水平姿态强制转变为垂直姿态。这个动作对火箭施加了最大的压力。燃料和氧化剂储罐的内部压力以及级间段有助于保持其高度刚性，但仍存在海浪与车辆上下起伏运动耦合的危险。但同样，一条简单的规则规定，当波浪小于12英尺高且风速低于25节时，直立是安全的，这确保了“海龙”的安全。
一旦直立，火箭侧面的固定轨道允许技术人员通过一辆小型维修车上下移动车辆，以便进行任何最后一分钟的检修。如果这是一次载人任务，这也为机组人员登船提供了途径；Aerojet 设想“海龙”最终将被评定为载人级别。这辆检修车只在火箭完全检查完毕并准备发射时才被移除。
一旦一切准备就绪，将“海龙”从泻湖拖到海上的同一艘拖船将与卡纳维拉尔角协同管理发射操作。火箭的惯性制导系统将使用岸上的罗兰（Loran）设施进行校准，此后其自身的自对准稳定平台将保持方位和垂直方向的稳定。尽管它在海上，但卡纳维拉尔角仍然控制着一切。但一旦一切都校准并检查完毕，卡纳维拉尔角发出指令，拖船执行“海龙”的发射。
海龙从泻湖到发射点的路径。Aerojet。
海龙升起
第二级的辅助发动机首先点火。随后，第一级发动机在完全浸入水下时点火。这最初带来了一定的推力损失，但持续时间不长。主发动机点火后几秒钟内，当火箭离开水面时，控制系统可以处理任何发射偏差。这是一种棘手的发射方式。火箭底部和发动机承受的外部压力远大于卡纳维拉尔角发射台上火箭所承受的压力。点火时，第一级发动机承受150 psi的压力；海平面上的火箭承受约5 psi的压力。更不用说海洋提供的支撑远不如混凝土发射台和固定臂刚性。但同样，加压的RP-1和液氧储罐有助于抵消水密度带来的外部压力，燃烧室内部压力也起到了作用，确保其在不被水淹的情况下点火。就这样，“海龙”轰鸣着启动，从海洋中升起。
从那时起，发射就相当标准了。当“海龙”达到每秒280英尺（85米/秒）的速度时，它开始进行俯仰机动，将机头向下倾斜7度。它在第一级燃尽燃料时保持这个姿态。飞行81秒后，火箭达到125,000英尺（38.1公里）的高度，速度为每秒5,800英尺（1,767米），并承受了约4.2个重力加速度。此时，第一级发动机关闭，火箭立即进行三秒钟的压送式分级机动，速度之快足以避免火箭部件之间发生破坏性接触或飞行路径出现显著扰动。由于第二级发动机在第一级关闭后几乎立即点火，因此滑行造成的速度损失非常小。
第二级发动机在四个辅助发动机的帮助下，额外燃烧了260秒，此时火箭将达到略高于911,417英尺（172.6英里，150海里，277.8公里*）的高度，速度达到每秒17,630英尺（5,373米）。从那时起，一切都将取决于辅助发动机。它们将额外燃烧22.4分钟，这是一个低推力阶段，但足以将有效载荷的高度提升到345.2英里（300海里或555.6公里），并调整其轨迹以减小离心率。入轨将在距离发射点约4,100海里（4,718英里或7,593公里）的下行距离处进行，距离“海龙”离开水面约1,344秒。当所有发动机关闭时，“海龙”的有效载荷将进入一个漂亮的圆形轨道。
尽管“海龙”是为载人和无人任务而设计的，但基本有效载荷被设想为一个装有超过一百万磅液氢的铝制储罐，用于轨道加油。阿波罗型指令服务舱将提供有效载荷和卡纳维拉尔角之间的制导、控制和通信。但它甚至可以更简单。如果任务只是将液氢储罐送入轨道，水星或双子座型飞船可以作为指令舱，为燃料转移提供足够的会合和对接支持。
显示“海龙”飞行的示意图。Aerojet。
回收、循环、再利用
与当时的一次性“擎天神”不同，“海龙”被设计成几乎可以完全重复使用。这意味着当火箭飞行和分级时，每个部件在完成其发射的有用部分后立即开始回收。
从压载单元开始。发射后，压载单元会立即下沉，但一旦内部浮力袋被远程充气，它就会开始上升。一旦浮出水面，它将被拖回泻湖，准备下一次任务。
接下来结束其使用寿命的是第一级。发动机关闭后，推进剂阀门关闭，将压力困在储罐中，液氧储罐中约有100 psi，RP-1储罐中约有290 psi。空载但增压的它将滑行到335,000英尺（102公里）的最高高度，然后开始坠落回海洋。为了减缓该级对地面的冲击，Aerojet 研究了几种选择。降落伞被排除在外，因为一个足够大以保护该级免受撞击的降落伞需要直径2,700英尺（822米），并且需要一个45英尺（13米）的牵引伞在马赫数1.8到2.0之间超音速展开，因此部署失败的可能性很高。喷管裙也同样被放弃，因为它虽然是一种被动解决方案——实际上是在火箭级底部增加一个喇叭形部分以减缓其冲击速度——但重量损失太大。
完美的解决方案是充气式气动减速器，这是一种高度可靠且简易的系统。它是一个巨大的锥形喇叭口，直径300英尺（91米），半角为55度。喇叭口是一个直径30英尺（9.1米）的环形，通过直径仅10英尺（3米）的较小充气管使其变硬。该组件由橡胶化尼龙-涤纶增强织物制成，外层皮肤为可烧蚀的橡胶化石棉织物，可以烧掉，牺牲以达到高达1000华氏度的热保护。喇叭口的加压来自与第一级燃料箱相同的甲烷罐，它只需要30 psia就能达到适当的刚性。这还将确保该级以正确的、顶部朝下的方向撞击。在减速、内部压力和正确的撞击方向之间，第一级将在再入时幸存下来。它将经历6.5个重力加速度，撞击速度为每秒300英尺（91米），撞击地点距离发射点约170海里（195.5英里或314公里）。电池供电的无线电信标将帮助回收人员找到它。回收后，该级被排空至安全稳定压力，喇叭口部分放气，然后该级被拖回泻湖。
第二级回收类似，尽管它返回地球将从鼻部的微型反推火箭开始，因为它将从轨道返回。大气再入后，一个与第一级类似的裙部将使其减速至所需冲击速度——每秒210英尺（64米）。同样，储罐内部的压力（在这种情况下为50 psi）将保护它免受冲击。它也将被回收并拖回泻湖进行翻新和再利用。
海龙在海上进行静态点火测试的场景。Aerojet。
引导任务的阿波罗（或水星或双子座）飞船也可以返回地球，安全溅落，就像它们在载人任务中所做的那样。
一旦进入泻湖，分类将决定哪些需要更换，哪些可以重复使用。储罐的翻新将在泻湖中进行，但单向阀、油漆、绝缘材料、烧蚀材料和整个级间结构在每次飞行后都需要完全更换。
经过检查并获准飞行后，这些部件将在泻湖中再次对接。凭借如此高程度的重复利用，Aerojet 设想单个“海龙”级可以飞行10次，潜在地完成多达100次任务。
巨龙陨落
令人惊奇的是，尽管这个“海龙”概念是在仅有少数人类离开地球之后才被研究的，但该系统的任何部分都没有被认为过于复杂、过于庞大或过于未来化，以至于无法找到工程解决方案。它是一个庞然大物，是的，但它是一个可行的庞然大物。
Aerojet 计划尽可能利用现有设施，从造船厂到航道，尽管一些新的基础设施无疑是必要的。“海龙”将需要建造非常特殊的火箭部件以及组装点附近的低温储存设施。而且组装泻湖也必须是一个全新的设施，尽管它可以使用现有的码头设备和中型船舶服务船只，并增加一些特殊设施。作为对比，VAB 大约在一年多一点的时间内建成，耗资1.17亿美元，相当于今天的9.24亿美元。建造泻湖的成本也将与之相当。
“海龙”飞行前进行维护。Aerojet。
当这份报告于1963年发布时，Aerojet 预测该系统可在短短68个月（略多于五年半）内投入运行，总成本为28亿美元，相当于今天的224亿美元。但即使最初的价格听起来很高，总体上它会更高效。预计240次飞行后，每磅入轨的总成本将平均在10到30美元之间。所有系统的设计都考虑到了这个目标。例如充气回收系统。重量损失仅占有效载荷能力的2%，在总体方案中可以忽略不计。重复使用第一级火箭的唯一成本是将其拖回泻湖170英里以及翻新费用，这比建造一个新的2400万美元要少。尽管如果第一级火箭耗尽，新的配置可以看到“海龙”额外将30,000磅（13,607千克）有效载荷送入轨道。
即使在海上发射也没有造成损害。分析显示，与陆地发射相比，有效载荷损失约为3.2%，因此如果火箭可以重复使用，这仍然是相当小的损失。
但我们知道，“海龙”从未飞过。它最终只是一个概念研究，在1960年代的背景下没有它的位置。美国宇航局在军方的支持下主导着太空竞赛，其重点是坚定地登月，而不是一种可以在没有直接月球应用的情况下使太空飞行成为常态的火箭。
*报告将其列为750,000英尺，我认为这是错误的，因为它与海里测量不符。来源：“海龙”概念报告（合同号NAS8-2599）第1卷和第3卷。
