美國SLS重型運(yùn)載火箭最新進(jìn)展分析

任奇野 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）為美國新一代重型運(yùn)載火箭，將用于執(zhí)行近地軌道及以遠(yuǎn)區(qū)域深空探索任務(wù)。該項(xiàng)目于2011年啟動，已通過關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審（CDR），火箭各主要部段正在開展制造、試驗(yàn)工作。項(xiàng)目開展至今，雖然遭遇諸多工程技術(shù)挑戰(zhàn)，但也取得了穩(wěn)步進(jìn)展。

1 引言

特朗普就任美國總統(tǒng)后，于2017年6月下令重建國家航天委員會，任命副總統(tǒng)彭斯為委員會主席。10月5日，彭斯在該委員會第一次會議期間宣布要重振美國航天的未來，包括載人登月和建立永久性月球基地，并指示美國國家航空航天局（NASA）制定載人探月規(guī)劃，將月球作為火星等深空任務(wù)的“踏腳石、訓(xùn)練場及加強(qiáng)商業(yè)和國際合作的場所”。彭斯還指出，“美國將在人類重返月球開展長期探測方面發(fā)揮領(lǐng)導(dǎo)作用，隨后再對火星和其他目的地進(jìn)行載人探測?！迸硭沟奶嶙h得到了軌道-ATK公司、美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）等業(yè)內(nèi)巨頭的支持。12月11日，特朗普在白宮簽署航天政策指令，宣布美國航天員將重返月球并最終前往火星。

作為執(zhí)行美國載人深空探測任務(wù)的新一代重型運(yùn)載火箭，SLS將在重返月球計(jì)劃中繼續(xù)發(fā)揮重要的運(yùn)輸作用。SLS火箭共有3種構(gòu)型：SLS-1、SLS-1B和SLS-2。目前，NASA正在開展火箭各部段的制造、試驗(yàn)等工作，計(jì)劃在2019年底實(shí)現(xiàn)首次“探索任務(wù)”（EM-1）。SLS-1型將采用五段式固體助推器、通用芯級和過渡型低溫上面級（ICPS），可實(shí)現(xiàn)70t近地軌道運(yùn)載能力和30t月球軌道運(yùn)載能力。后續(xù)通過采用“探索上面級”（EUS）替換過渡型低溫上面級形成SLS-1B，近地軌道運(yùn)載能力將達(dá)105t，月球軌道運(yùn)載能力達(dá)40t。在SLS-1B的基礎(chǔ)上，再通過使用先進(jìn)助推器替代五段式固體助推器，可以實(shí)現(xiàn)130t的近地軌道運(yùn)載能力。

2 SLS重型火箭最新進(jìn)展

RS-25發(fā)動機(jī)

SLS火箭3種構(gòu)型都采用RS-25作為通用芯級發(fā)動機(jī)，每個(gè)芯級安裝4臺發(fā)動機(jī)，在火箭上升段為芯級提供推力，每臺發(fā)動機(jī)可以產(chǎn)生約2320kN的真空推力，總推力約8900kN。RS-25由航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)（SSME）改進(jìn)而來，現(xiàn)有庫存18臺，其中2臺作為研制用發(fā)動機(jī)，16臺為飛行用發(fā)動機(jī)。SLS火箭前4次飛行計(jì)劃使用庫存的16臺可重復(fù)使用的RS-25D發(fā)動機(jī)，自第5次任務(wù)開始，將采用改進(jìn)后的一次性使用RS-25E發(fā)動機(jī)，改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)性能與RS-25D相當(dāng)。NASA已向航空噴氣-洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）授出11.6億美元合同，將可重復(fù)使用RS-25D發(fā)動機(jī)改為一次性使用發(fā)動機(jī)，并進(jìn)行熱試車。改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)精簡了零部件和焊接點(diǎn)，推力可達(dá)到額定功率的109%，成本降低30%。

SLS火箭各構(gòu)型設(shè)計(jì)

為滿足SLS性能需求，NASA從2015年1月對改進(jìn)后的發(fā)動機(jī)進(jìn)行了熱試車，重點(diǎn)對新型控制器及防熱材料進(jìn)行了試驗(yàn)。2017年，NASA共進(jìn)行了8次飛行控制器試驗(yàn)，每次點(diǎn)火持續(xù)時(shí)間500s。截至2017年12月31日，SLS首飛用4臺發(fā)動機(jī)已完成飛行準(zhǔn)備工作，即將與芯級集成，為發(fā)射前的最終測試做準(zhǔn)備。之后，4臺發(fā)動機(jī)將在改裝后的B-2試驗(yàn)臺上進(jìn)行聯(lián)合試車。

RS-25發(fā)動機(jī)熱點(diǎn)火試車情況

芯級

SLS芯級是目前世界上最大的火箭推進(jìn)級，高64.6m，直徑8.4m，由波音公司制造。主要分為5部分：前裙段、液氧貯箱、箱間段、液氫貯箱和發(fā)動機(jī)段。各部分通過環(huán)狀連接件連接以保證強(qiáng)度，芯級結(jié)構(gòu)主要材料采用鋁合金2219。

芯級前裙段為芯級與上面級的接口，主要用于安裝包括飛行計(jì)算機(jī)在內(nèi)的火箭電子設(shè)備。前裙結(jié)構(gòu)內(nèi)有由發(fā)動機(jī)艙段延伸至前裙的氣態(tài)氧增壓管路，殼體上設(shè)有氣態(tài)氧排氣管路安裝點(diǎn)和開口。SLS-1型和SLS-1B型的接口及臍帶開口設(shè)計(jì)相同。

液氧貯箱位于前裙與箱間段之間，可貯存742m3低溫液氧（-183℃）。液氧貯箱由2個(gè)箱底、2個(gè)Y型環(huán)和2個(gè)筒段組成，筒段內(nèi)表面為正交網(wǎng)格，液氧貯箱內(nèi)還裝有推進(jìn)劑感應(yīng)器及防晃板。

箱間段用于連接芯級液氧貯箱和液氫貯箱，是芯級厚度最大的結(jié)構(gòu)，也是芯級唯一一個(gè)采用螺栓連接的部段。部段內(nèi)有由發(fā)動機(jī)艙段延伸至液氫貯箱的氣態(tài)氫增壓管路?；鸺诫娫O(shè)備放置于箱間段內(nèi)壁擱板上。五段式固體助推器與芯級的上連接點(diǎn)位于箱間段上。

液氫貯箱位于箱間段和發(fā)動機(jī)艙段之間，直徑8.4m，高度超過39.6m，可貯存2033m3液氫（-253℃）。液氫貯箱由2個(gè)箱底、2個(gè)Y型環(huán)和5個(gè)筒段組成，每個(gè)筒段高6.7m、質(zhì)量4.1t，箱底則由12塊鋁合金瓜瓣焊接而成。箱體外部光滑，內(nèi)壁為正交網(wǎng)格。箱底和筒段經(jīng)攪拌摩擦焊工藝焊接在一起后，通過塞焊消除攪拌摩擦焊匙孔并修復(fù)焊接缺陷。匙孔的直徑約25mm。液氫貯箱內(nèi)壁還裝有推進(jìn)劑感應(yīng)器。

發(fā)動機(jī)艙段內(nèi)置4臺RS-25發(fā)動機(jī)、氫氧輸送管路、主推進(jìn)系統(tǒng)部件、推力矢量控制部件和航電部件。五段式固體助推器與芯級的下部連接點(diǎn)位于發(fā)動機(jī)艙段上。發(fā)動機(jī)筒段內(nèi)表面采用三角形網(wǎng)格。

截至2017年12月31日，用于EM-1任務(wù)的5個(gè)芯級部段飛行件已制造完畢，計(jì)劃在2018年秋天完成芯級組裝，并運(yùn)往斯坦尼斯準(zhǔn)備于2019年初進(jìn)行芯級首次試驗(yàn)。發(fā)動機(jī)艙段試驗(yàn)件已于2017年5月安裝在馬歇爾航天中心結(jié)構(gòu)試驗(yàn)臺上。液氫貯箱、液氧貯箱、箱間段試驗(yàn)件計(jì)劃于2018年運(yùn)往該中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

五段式固體火箭發(fā)動機(jī)性能參數(shù)

五段式固體助推器

SLS-1型和SLS-1B型火箭配備的五段式助推器由軌道-ATK公司[后由諾格公司（Northrop Grumman）收購]研制并生產(chǎn)，繼承了航天飛機(jī)固體助推器的很多硬件和設(shè)計(jì)，如：前裙、金屬外殼、尾裙和推力矢量控制系統(tǒng)。改進(jìn)之處在于：采用無石棉隔熱層，增大噴管直徑以適應(yīng)更大的內(nèi)部壓力，采用新的控制設(shè)備和推進(jìn)劑藥柱等。芯級和助推器的連接點(diǎn)也比航天飛機(jī)外貯箱的連接點(diǎn)更低。相比于航天飛機(jī)四段式固體助推器，該助推器的推力提高了20%，比沖提高了24%。

2015-2016年，五段式固體火箭助推器完成了2次全工況地面鑒定試驗(yàn)QM-1和QM-2，測試助推器在極限溫度條件下的性能。QM-1為高溫極值試驗(yàn)，助推器加熱至32℃后持續(xù)點(diǎn)火2min，共產(chǎn)生約16014kN推力，試驗(yàn)過程中，助推器內(nèi)部溫度高達(dá)3093℃。在QM-2試驗(yàn)中，助推器冷卻至4.4℃后點(diǎn)火，試驗(yàn)時(shí)長126s，內(nèi)部溫度達(dá)3300℃，助推器尾焰速度達(dá)到馬赫數(shù)3。低溫試驗(yàn)是SLS-1首飛前固體助推器進(jìn)行的最后一次全工況點(diǎn)火試驗(yàn)。

RL10B-2發(fā)動機(jī)性能參數(shù)

現(xiàn)階段，SLS-1型火箭首飛使用的固體火箭助推器已進(jìn)入全面生產(chǎn)階段。所有發(fā)動機(jī)部段制造完成后，將運(yùn)至肯尼迪航天中心與前裙和尾裙集成，并安裝在芯級兩側(cè)。2017年10月，助推器航電系統(tǒng)完成了系統(tǒng)級鑒定試驗(yàn)。

過渡型低溫上面級

過渡型低溫上面級是SLS-1型二子級，由德爾他-4（Delta-4）火箭低溫二子級改進(jìn)而來。過渡型低溫上面級高13.7m，最大直徑5.0m，總質(zhì)量約31t，結(jié)構(gòu)質(zhì)量約3.5t，推進(jìn)劑最大加注量約為27t，采用單臺RL10B-2發(fā)動機(jī)提供動力。液氧貯箱直徑4m，液氫貯箱直徑5m，分別用氮?dú)夂蜌錃庠鰤海貉踬A箱通過箱間桁架（V形支桿）吊掛在液氫貯箱下方。為滿足SLS要求，波音公司還對過渡型低溫上面級進(jìn)行了微小的改進(jìn)，包括：增加液氫貯箱長度，增加姿控氦氣瓶以及調(diào)整航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2012年7月，NASA與波音公司簽訂為期8年、金額1.75億美元的合同，要求波音公司在2016年9月30日前完成德爾他-4火箭低溫二子級的改進(jìn)工作。2017年7月，過渡型低溫上面級飛行件已在卡納維拉爾角空軍基地完成最終測試和檢查，并運(yùn)抵肯尼迪航天中心準(zhǔn)備與其他部段集成。

“探索上面級”

NASA從2014年開始考慮調(diào)整SLS第2次飛行任務(wù)EM-2的上面級，改用新的“探索上面級”?！疤剿魃厦婕墶遍L18.3m，推進(jìn)劑最大加注量為129t。其結(jié)構(gòu)主要包括：前適配器、液氫貯箱、箱間結(jié)構(gòu)、液氧貯箱、設(shè)備架和推進(jìn)結(jié)構(gòu)。

前適配器為鋁鋰合金正交網(wǎng)格筒段，高1.8m，直徑8.4m，用于連接飛船和“探索上面級”液氫貯箱。筒段采用攪拌摩擦焊工藝。內(nèi)部裝有液氫貯箱增壓管路、氫氣通風(fēng)管道和地面接口配線。

液氫貯箱直徑8.4m，可貯存295m3液氫（-253℃），主結(jié)構(gòu)包括采用攪拌摩擦焊接技術(shù)連接起來的2個(gè)鋁鋰合金橢圓拱底和1個(gè)正交網(wǎng)格筒段。液氫貯箱內(nèi)裝有先進(jìn)的燃料水平感應(yīng)系統(tǒng)和防晃板。為保持貯箱低溫條件，同時(shí)防止貯箱結(jié)冰，箱體外附有橙色泡沫防護(hù)層。

箱間結(jié)構(gòu)為液氫貯箱和液氧貯箱的連接結(jié)構(gòu)，包括后適配器和金屬V形支桿。后適配器主結(jié)構(gòu)與前適配器相似，高1.8m，直徑8.4m，采用鋁鋰合金材料。V形支桿交疊排列支撐液氧貯箱。箱間結(jié)構(gòu)也是增壓系統(tǒng)、增壓箱、計(jì)算機(jī)硬件和天線的支撐結(jié)構(gòu)。

液氧貯箱直徑5.5m，可貯存95m3液氧（-183℃）。箱體采用鋁鋰合金材料，內(nèi)裝液氧水平感應(yīng)系統(tǒng)。推進(jìn)結(jié)構(gòu)連接在旋壓成型的箱底上，設(shè)備架與氧箱后法蘭相接。

設(shè)備架由平板和支架組成，與液氧貯箱法蘭相連。平板采用鋁鋰合金材料，用于支撐航電和推進(jìn)系統(tǒng)。其中，航電系統(tǒng)包括飛行計(jì)算機(jī)、制導(dǎo)和RL10C-3發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)；推進(jìn)系統(tǒng)包括軌道機(jī)動反控制系統(tǒng)和肼燃料貯箱。

推進(jìn)結(jié)構(gòu)包括連接在液氧貯箱箱底的橫梁和支桿，用于支撐RL10C-3發(fā)動機(jī)。橫梁和支桿都由高強(qiáng)鋁合金制成。

級間段用于連接上面級和芯級，為鋁鋰合金正交網(wǎng)格筒段。該部段承受芯級以上結(jié)構(gòu)的全部質(zhì)量，約181.4t。上面級和芯級的分離系統(tǒng)置于該部段中。

NASA已與航空噴氣-洛克達(dá)因公司簽訂了金額1.74億美元的合同，航空噴氣-洛克達(dá)因公司需在2024年1月29日前完成研制、測試、驗(yàn)證和交付，為SLS火箭第2次、第3次飛行提供10臺RL10C-3發(fā)動機(jī)（其中2臺為備用）。使用該型發(fā)動機(jī)可以縮短SLS改進(jìn)型號的研制時(shí)間，同時(shí)避免研制新型發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的高額研制成本。發(fā)動機(jī)交付后，NASA將進(jìn)行單機(jī)試驗(yàn)和4臺發(fā)動機(jī)首次聯(lián)合試驗(yàn)，驗(yàn)證發(fā)動機(jī)的兼容性和功能性。2017年1月，“探索上面級”通過了初步設(shè)計(jì)評審。

其他

SLS-1型火箭級間段整體呈圓錐形，下部直徑8.4m，上部直徑5m，用于連接芯級和過渡型低溫上面級。該結(jié)構(gòu)件通過招標(biāo)的方式轉(zhuǎn)給承包商美國特利丹布朗工程公司（Teledyne Technologies Inc.）生產(chǎn)。2017年8月，用于EM-1任務(wù)的級間段已焊接完成，并已從先進(jìn)焊接和制造設(shè)施轉(zhuǎn)移至國家先進(jìn)制造中心噴涂熱防護(hù)層，2個(gè)設(shè)施都位于馬歇爾航天中心內(nèi)。

飛行用“獵戶座”（Orion）飛船支架已裝配完畢，目前正在進(jìn)行次級載荷、電纜、航電設(shè)備的安裝工作。2017年7月，飛船支架試驗(yàn)件已由“超級古柏”飛機(jī)運(yùn)往洛馬公司（LM），與“獵戶座”集成進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。

3 任務(wù)規(guī)劃新進(jìn)展

SLS超大的起飛質(zhì)量、載荷容積和特性能量（C3）為科學(xué)任務(wù)提供了更多的可能。NASA考慮將SLS應(yīng)用于木衛(wèi)二多次飛越任務(wù)中，該任務(wù)用于觀測木衛(wèi)二并調(diào)查其是否適宜居住，科學(xué)家認(rèn)為木衛(wèi)二上有巨大的地下海洋，水量為地球水量的2倍之多。如果使用宇宙神-5（Atlas-5）火箭執(zhí)行該任務(wù)，則需要利用金星-地球-地球重力輔助軌道，將耗時(shí)7～8年；而使用SLS則可在3年內(nèi)直接轉(zhuǎn)移至木星，相應(yīng)的返回任務(wù)也可提早完成。提前返回有助于更好地利用飛越任務(wù)的數(shù)據(jù)，避免延遲著陸任務(wù)。后續(xù)的木衛(wèi)二著陸器任務(wù)也可使用SLS火箭，通過重力輔助軌道發(fā)射16t有效載荷。

SLS大直徑整流罩（8.4m或10m直徑）可以容納大孔徑（16米級）空間望遠(yuǎn)鏡，技術(shù)人員就可使用超高對比分光鏡觀測行星，實(shí)現(xiàn)2013年提出的NASA天體物理路線圖的目標(biāo)。該項(xiàng)目的方案評估為未來科學(xué)和載人探索系統(tǒng)在深空的合作創(chuàng)造了機(jī)會。

此外，SLS未來不僅可以執(zhí)行超出現(xiàn)有火箭能力范疇的任務(wù)，一些小型實(shí)驗(yàn)也可作為次要載荷受益于SLS。在首飛任務(wù)中，SLS將搭載13顆立方體衛(wèi)星，包括載人探索和操作任務(wù)理事會先進(jìn)探索系統(tǒng)部的“月球冰立方”（Lunar IceCube）等，驗(yàn)證了SLS廣闊的應(yīng)用前景。

2017年，特朗普簽署了其就任后的首項(xiàng)航天政策指令，明確表示美國將重返月球，并最終實(shí)現(xiàn)載人探火，但具體時(shí)間表尚未透露。

4 小結(jié)

提前布局，尊重火箭研制規(guī)律

重型運(yùn)載火箭的起飛質(zhì)量一般在2000t以上，近地軌道運(yùn)載能力大多在100t以上，具有推力水平高、結(jié)構(gòu)尺寸大、控制系統(tǒng)復(fù)雜的特點(diǎn)，給火箭研制提出了更高的要求。在研制期間需開展大量技術(shù)攻關(guān)與試驗(yàn)驗(yàn)證工作，因此需要一定的研制周期。雖然SLS的研制有前期良好的基礎(chǔ)，但從研制進(jìn)程來看，首飛時(shí)間也一推再推，從最初的2017年推遲至2019年。從其研制周期看，SLS火箭仍需要9～10年的時(shí)間。

注重部件通用化設(shè)計(jì)，降低研制和發(fā)射成本

部件的通用化設(shè)計(jì)有利于減小研制難度和風(fēng)險(xiǎn)，降低研制和發(fā)射成本，成為各國未來發(fā)展新型重型運(yùn)載火箭的有效途徑。在SLS最初方案中，SLS-1B型和SLS-2型所采用的“探索上面級”原計(jì)劃配備1臺百噸級J-2X發(fā)動機(jī)，后來方案調(diào)整采用4臺RL10C-3發(fā)動機(jī)。RL10C-3發(fā)動機(jī)是德爾他-4火箭和宇宙神-5火箭末級發(fā)動機(jī)的改進(jìn)型，也計(jì)劃用于新型主力火箭“火神”（Vulcan）的末級，開始向系列化方向發(fā)展。

采用承包商制度，打造創(chuàng)新且靈活的管理模式

美國SLS重型運(yùn)載火箭的研制采用了承包商管理制度，項(xiàng)目決策權(quán)在總統(tǒng)和國會，NASA負(fù)責(zé)項(xiàng)目計(jì)劃，而火箭研制的實(shí)施者為各個(gè)承包商。SLS芯級、固體助推器、上面級等模塊分別由波音公司、軌道-ATK公司、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）等不同的公司負(fù)責(zé)研制生產(chǎn)，并運(yùn)輸至肯尼迪航天中心，再由合同的提出方NASA組織聯(lián)合發(fā)射中心人員對承包商產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)收，待驗(yàn)收通過后會轉(zhuǎn)入總裝廠房進(jìn)行下一階段工作。承包商制度責(zé)權(quán)更加分明，研制流程更加靈活，同時(shí)還有助于減少總裝測試時(shí)間，縮短發(fā)射周期。但是由于承包商比較分散，可能會增加研制以及運(yùn)輸?shù)某杀竞惋L(fēng)險(xiǎn)。