2019年美國SLS重型運載火箭研制進(jìn)展

張綠云

（北京航天長征科技信息研究所）

2019年，在政府提出提前登月的政策背景下，美國國家航空航天局（NASA）對深空探索領(lǐng)域進(jìn)行了重新規(guī)劃，以“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭為主要運載工具，實現(xiàn)2024年載人登月和2028年的月球可持續(xù)探索目標(biāo)。在過去的一年中，NASA采取多項措施以加速SLS火箭的研制，主要完成了SLS首飛箭芯級組裝、發(fā)動機(jī)試車、分系統(tǒng)試驗、預(yù)算調(diào)整等工作。

1 政策背景

2019年3月26日，美國副總統(tǒng)彭斯在國家航天委員會（NSC）第5次會議上提出提前4年實現(xiàn)載人登月的目標(biāo)，要求NASA“使用一切必要手段”確保任務(wù)取得成功。隨后，NASA開始研究相關(guān)計劃和預(yù)算需求，于2019年5月發(fā)布了《飛向月球：NASA月球探索戰(zhàn)略計劃》，以《航天政策1號令》為指導(dǎo)，通過商業(yè)伙伴和國際合作途徑重返月球，為載人探火奠定基礎(chǔ)。

在該戰(zhàn)略計劃中，NASA將載人重返月球定名為“阿爾忒彌斯”（Artemis）計劃，計劃分為兩個階段。第一階段講求速度，在2024年通過SLS火箭、“獵戶座”（Orion）飛船、載人著陸系統(tǒng)（HLS）以及縮減版“月球軌道平臺-門戶”（LOP-G）等關(guān)鍵系統(tǒng)將航天員送入月球南極；第二階段講求可持續(xù)性，建成LOP-G，并發(fā)展載人著陸系統(tǒng)的可重復(fù)使用性能，在2028年實現(xiàn)對月球的長期可持續(xù)探索。其中，SLS火箭作為唯一可以將“獵戶座”載人飛船送往月球、火星等深空目的地的運載火箭，是“阿爾忒彌斯”計劃不可或缺的重要組成部分，計劃用于完成阿爾忒彌斯－1～8共8次關(guān)鍵任務(wù)的發(fā)射，包括1次無人試飛、1次載人繞月飛行試驗、1次載貨飛行和5次載人登月任務(wù)。

“阿爾忒彌斯”計劃2019－2028年任務(wù)規(guī)劃

2 SLS簡介

SLS為美國新一代重型運載火箭，于2010年開始研制，以安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性為設(shè)計理念，將用于執(zhí)行包括火星登陸在內(nèi)的載人航天探索任務(wù)。

SLS火箭包括SLS－1型、SLS－1B型和SLS－2型，其設(shè)計具有靈活性和擴(kuò)展性，不同構(gòu)型采用相同的芯級，以相對高效、低成本的方式滿足近地軌道及以遠(yuǎn)區(qū)域不同目的地的人員和貨物的運輸需求。SLS－1型采用五段式固體助推器、通用芯級和過渡型低溫上面級（ICPS），最大直徑8.4m，全箭高度98.2m，可實現(xiàn)70t低地球軌道（LEO）運載能力和26t月球附近空間運載能力。系統(tǒng)通過月球任務(wù)演示驗證后，項目采用探索上面級（EUS）替換ICPS組成SLS－1B型，全箭高度110.9m，LEO運載能力105t，月球附近空間運載能力37t。SLS－2型在SLS－1B型的基礎(chǔ)上使用先進(jìn)助推器替代五段式固體助推器，全箭高度111.3m，可實現(xiàn)130t的LEO運載能力。

NASA公布的SLS火箭構(gòu)型圖

3 SLS重要進(jìn)展

2019年，NASA在SLS－1型的首飛準(zhǔn)備工作方面取得了重大進(jìn)展，計劃2020年末至2021年初進(jìn)行，而SLS－1B和SLS－2型的研制工作也在同步進(jìn)行當(dāng)中，保障后續(xù)探索任務(wù)的順利進(jìn)行。

修改財年預(yù)算，追加研制經(jīng)費

2019年3月，NASA發(fā)布了《2020財年預(yù)算案》，為深空探索系統(tǒng)領(lǐng)域申請了50.217億美元，而探索系統(tǒng)研制下的SLS火箭和“探索地面系統(tǒng)”（EGS）項目分別為17.754億美元和4.001億美元。由于美國政府提出了提前登月的目標(biāo)，NASA隨即發(fā)布《NASA 2020財年預(yù)算修正案》，要求在新財年追加16億美元的研制經(jīng)費，主要滿足新的戰(zhàn)略目標(biāo)所需要的SLS火箭、“獵戶座”飛船、LOP-G以及載人著陸系統(tǒng)的研制需求。除了計劃用于載人著陸系統(tǒng)的10億美元之外，剩余絕大部分經(jīng)費計劃用于SLS和“獵戶座”飛船項目。

經(jīng)過國會兩院的審議，最終，NASA在深空探索系統(tǒng)項目上獲得的經(jīng)費超過60億美元，相比2019財年撥款額超出了約10億美元。其中，SLS火箭獲得25.859億美元，遠(yuǎn)超最初申請預(yù)算，也超出了2019年21.5億美元的實際撥款額；EGS項目獲得5.9億美元，與2019年的實際撥款持平。

改變組裝方式，完成首飛箭芯級組裝

在美國國家航天委員會第5次會議上，委員會主席彭斯提出了美國提前登月的目標(biāo)，也指示NASA“使用一切必要手段”確保登月任務(wù)的成功。為此，NASA開始研究如何加快SLS火箭的研制。其中之一便是，將芯級組裝方式由垂直組裝改為水平組裝，并在芯級前段（前裙、氧箱和箱間段的組合體）和氫箱，以及與發(fā)動機(jī)段的組裝上得以應(yīng)用，在開展發(fā)動機(jī)段研制工作的同時進(jìn)行芯級組裝，提高了工作效率。

12月9日，在米丘德裝配廠舉辦的首個“阿爾忒彌斯任務(wù)日”（簡稱登月日）活動上，NASA局長吉姆·布萊登斯汀正式宣布：“第一臺全球最大的運載火箭SLS芯級的制造、組裝工作已經(jīng)完成，成為2024年載人登月的重要里程碑。”組裝完成的火箭芯級長65m、直徑8.4m，由前裙、氧箱、箱間段、氫箱、發(fā)動機(jī)段、4臺RS－25發(fā)動機(jī)以及航電系統(tǒng)組成，將用于阿爾忒彌斯－1環(huán)月之旅。

盡管研制過程中問題重重，但依托全美國44個州的包含波音公司（Boeing）、航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）等1100多家大小企業(yè)的通力合作，以及米丘德裝配廠最尖端的制造設(shè)備和焊接工裝，NASA最終在2019年底之前完成了首枚火箭芯級的制造。

首枚SLS火箭芯級

完成改裝發(fā)動機(jī)試驗，芯級發(fā)動機(jī)進(jìn)入新一輪研制階段

SLS芯級采用RS－25發(fā)動機(jī)，由美國航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司研制，最早用于美國航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)。航天飛機(jī)退役之后，NASA計劃將庫存的16臺可重復(fù)使用RS－25D用于前4次SLS火箭飛行任務(wù)，而從第5次任務(wù)開始采用改進(jìn)后的一次性RS－25發(fā)動機(jī)。

2019年4月，NASA在斯坦尼斯航天中心A－1試車臺成功完成了編號為2062的RS－25飛行用發(fā)動機(jī)的熱試車，標(biāo)志著RS－25D的試車工作全部完成。2015年初，NASA啟動芯級發(fā)動機(jī)的試車工作，歷經(jīng)51個月，共完成了32次研制用和飛行用RS－25發(fā)動機(jī)的系列試車，時長總計14754s，完成了17個新型控制器的驗收試驗以及縱向耦合振動（POGO）蓄壓器和主燃燒室等關(guān)鍵組件的性能試驗。另外，NASA持續(xù)驗證了發(fā)動機(jī)的最大推力，目前已將其最大推力提高到額定推力的113%，且在該推力下的持續(xù)點火時長達(dá)到430s。

目前，NASA已經(jīng)與航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司簽訂了后續(xù)研制合同，為后續(xù)的SLS任務(wù)研制一次性RS－25發(fā)動機(jī)，相關(guān)工作已經(jīng)啟動。

開展全方位的系統(tǒng)試驗，確保SLS首飛及后續(xù)任務(wù)的成功

2019年，除了芯級組裝工作之外，NASA開展了全方位的系統(tǒng)試驗，包括芯級操作試驗、貯箱結(jié)構(gòu)試驗、活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)運演練、39B發(fā)射工位的噪聲抑制系統(tǒng)試驗、推進(jìn)劑輸送試驗，以及“獵戶座”飛船高空逃逸試驗，為保障SLS首飛及后續(xù)飛行任務(wù)的成功奠定了基礎(chǔ)。

8月下旬，NASA技術(shù)人員在斯坦尼斯航天中心B－2試車臺通過起吊設(shè)備成功完成了“探路者”（Pathfinder）全尺寸芯級模擬件的起豎與安裝，驗證了起吊等輔助設(shè)備以及B－2試車臺的性能，并對芯級試車前的相關(guān)操作流程進(jìn)行了演練，為芯級飛行件的交付和試車奠定了基礎(chǔ)。之后，該模擬件通過“飛馬座”（Pegasus）駁船運抵肯尼迪航天中心，并轉(zhuǎn)運至航天器裝配大樓（VAB）。在裝配大樓內(nèi)，芯級模擬件由運輸車水平移至轉(zhuǎn)運通道，通過兩臺吊車使其垂直進(jìn)入3號高跨間，并完成了系列反向操作流程。

芯級模擬件操作演練

為了驗證貯箱等結(jié)構(gòu)的性能，2019年NASA在馬歇爾航天飛行中心開展了多次芯級氧箱、氫箱、發(fā)動機(jī)段，以及箱間段的結(jié)構(gòu)試驗。其中，于12月完成的氫箱試驗是有史以來最大的一次火箭子級增壓貯箱受控破壞性試驗。試驗過程中，技術(shù)人員利用氮氣和大型液壓活塞給試驗貯箱施加一定的載荷，貯箱在2.6倍以上預(yù)期飛行應(yīng)力作用下運行了5h，之后出現(xiàn)斷裂點，進(jìn)而爆裂。波音公司測試與評估部門鑒定試驗經(jīng)理丹尼稱，貯箱開始出現(xiàn)斷裂點的相對位置與波音公司分析團(tuán)隊預(yù)測的位置相同，而且預(yù)測的載荷值與實際載荷的誤差僅有3%。這些預(yù)測值相對于實際測試值的準(zhǔn)確性證明了氫箱結(jié)構(gòu)模型的有效性，也增強(qiáng)了技術(shù)人員對后續(xù)任務(wù)所需貯箱設(shè)計的信心。

芯級氫箱受控破壞性試驗

7月，NASA進(jìn)行了“上升中止2”（AA2）“獵戶座”飛船高空逃逸試驗，共飛行約3min。點火起飛約50s后，試驗件到達(dá)約9.5km高度，發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）的中止發(fā)動機(jī)點火啟動，將飛船從火箭上拉離，以模擬應(yīng)急逃逸情形。在到達(dá)遠(yuǎn)離火箭的安全空域后，姿控發(fā)動機(jī)調(diào)整方向，拋塔發(fā)動機(jī)成功啟動，逃逸塔與飛船分離。

此外，在“探索地面系統(tǒng)”建設(shè)方面，NASA也開展了多項系統(tǒng)試驗。6月，在成功完成了包括臍帶臂擺臂試驗、環(huán)境控制系統(tǒng)試驗、液壓試驗、氮氣與氦氣試驗、電氣試驗以及模態(tài)試驗等在內(nèi)的系列關(guān)鍵試驗之后，1號活動發(fā)射平臺（ML1）進(jìn)入轉(zhuǎn)運演練階段，路線為火箭裝配大樓至39B發(fā)射工位，時長10h，通過2號履帶式運輸車完成。之后，該平臺在發(fā)射工位接受了最終試驗和檢測，包括噴水降噪系統(tǒng)水流試驗、低溫推進(jìn)劑流量評估試驗，以及電氣與臍帶系統(tǒng)檢測等。10月，NASA在39B發(fā)射工位完成了第7次即最后一次SLS噪聲抑制系統(tǒng)試驗，共有1703.4m3的水流入活動發(fā)射平臺和發(fā)射工位，再一次檢驗了該系統(tǒng)在火箭點火和起飛階段的噪聲及振動抑制性能。此外，NASA的“探索地面系統(tǒng)”團(tuán)隊還成功完成了液氫/液氧低溫推進(jìn)劑從推進(jìn)劑儲罐經(jīng)管道到達(dá)活動發(fā)射平臺臍帶設(shè)施的輸送試驗，各相關(guān)地面系統(tǒng)運行良好，再次對39B發(fā)射工位地面系統(tǒng)以及活動發(fā)射平臺的性能進(jìn)行了驗證，為SLS首飛奠定了基礎(chǔ)。

活動發(fā)射平臺轉(zhuǎn)運演練

明確探索上面級研制方案，系統(tǒng)可靠性和研制進(jìn)度或是主要考量因素

盡管在2020財年預(yù)算案中并未給擬用于SLS－1B和SLS－2型火箭的探索上面級申請研制經(jīng)費，但是隨著提前登月目標(biāo)的提出，在參議院撥款委員會的支持下，終版撥款法案擬為該探索上面級提供3億美元的研制經(jīng)費。按照任務(wù)安排，NASA擬從第4次SLS任務(wù)開始使用探索上面級，來滿足質(zhì)量和體積更大的有效載荷或人貨混運的月球或火星等深空運輸需求。

目前，NASA已經(jīng)啟動相關(guān)研制工作。11月，NASA在其官網(wǎng)上發(fā)布了探索上面級的研制方案，長17.6m，直徑8.4m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量為13.1t，加注后的質(zhì)量為113.4t，將采用4臺RL－10液氫/液氧發(fā)動機(jī)，推力可達(dá)到431.5kN，其月球軌道運載能力為37t。

在探索上面級的研制上，NASA最初選擇由波音公司負(fù)責(zé)，但因進(jìn)度問題于2017年向工業(yè)界發(fā)出了探索上面級替代方案的建議征詢，以期降低成本?；诖?，藍(lán)色起源公司（Blue Origin）和波音公司分別提出了采用1臺BE－3U發(fā)動機(jī)和4臺RL－10發(fā)動機(jī)的上面級方案。考慮到前者無法滿足所需的運載能力，需對相關(guān)地面設(shè)施進(jìn)行很大程度地適應(yīng)性改進(jìn)，且新型發(fā)動機(jī)存在很大的風(fēng)險；而相反，因為過渡型低溫上面級的研制，波音公司具備豐富的研制經(jīng)驗和可用的基礎(chǔ)設(shè)施，且RL－10發(fā)動機(jī)成熟可靠。因此，雖然前者具備很大的成本優(yōu)勢，但NASA最終選擇了波音公司的研制方案。這或許可以說明，對于政府主導(dǎo)的深空載人探索項目而言，系統(tǒng)成熟度與可靠性以及項目進(jìn)度一直都是最主要的考量因素。

計劃發(fā)布批量采購合同，降低SLS研制成本

10月16日，NASA發(fā)布消息稱，NASA將與波音公司簽訂批量采購合同，計劃在今后1年時間內(nèi)完成合同的簽訂，將涉及多達(dá)10枚的SLS芯級和8枚探索上面級的生產(chǎn)制造，以保證后續(xù)20年代多達(dá)10次的“阿爾忒彌斯”任務(wù)需求。目前，為了確保阿爾忒彌斯－3登月任務(wù)，NASA已經(jīng)向波音公司提供了用于支持第三枚SLS芯級生產(chǎn)制造的初步研制經(jīng)費和授權(quán)，并要求波音公司著手準(zhǔn)備所需基礎(chǔ)設(shè)施，為批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

波音公司眼下的合同包括阿爾忒彌斯－1和阿爾忒彌斯－2任務(wù)所需的SLS芯級飛行件、結(jié)構(gòu)試驗件、芯級先期探路型號，以及首臺探索上面級。與設(shè)計、研制、試驗和評估階段所造芯級的生產(chǎn)成本相比，通過吸取首次制造過程中得到的經(jīng)驗教訓(xùn)，并借助批量采購，新舉措有望大大降低產(chǎn)品制造成本。在12月召開的NASA員工大會上，局長吉姆·布萊登斯汀表示，目前SLS的成本約為16億美元，而批量生產(chǎn)方式有望將其成本降至8億～9億美元。

4 SLS展望

首先，NASA將全力保障SLS芯級“初試”工作。目前，SLS首飛箭芯級的制造和組裝工作已經(jīng)全部完成，即將通過“飛馬座”駁船運至斯坦尼斯航天中心，在B－2試車臺上開展為期5～6個月的“初試”，包括芯級安裝、芯級加注與增壓等初始試驗和功能檢測，以及時長8min的4臺RS－25發(fā)動機(jī)聯(lián)合試車，模擬飛行任務(wù)中芯級點火、上升到關(guān)機(jī)的全過程，以驗證發(fā)動機(jī)、貯箱、燃料管路、閥門、增壓系統(tǒng)以及航電、電纜等各系統(tǒng)的性能。

其次，根據(jù)《NASA月球探索戰(zhàn)略計劃》，為實現(xiàn)2024年載人登月目標(biāo)，NASA將需要改變現(xiàn)有內(nèi)部和外部政策、程序和流程，包括法律/采購、預(yù)算/資源、人力資源、管理機(jī)構(gòu)等。2019年，NASA對其載人探測與運行任務(wù)部進(jìn)行了人事調(diào)整，由前國防部主管航天政策的道格·羅偉羅任新的副局長。后續(xù)，NASA將繼續(xù)在項目管理上開展相關(guān)工作，為探索項目提供保障。

最后，為保障后續(xù)任務(wù)的順利進(jìn)行，NASA將在確保SLS首飛的同時持續(xù)推進(jìn)后續(xù)SLS火箭的研制工作。目前，已經(jīng)完成了第二枚SLS芯級貯箱的焊接以及固體助推器的澆鑄工作，芯級及其他組件的制造和組裝仍將是后續(xù)工作重點。此外，航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司將啟動一次性RS－25發(fā)動機(jī)研制，為第4次之后的SLS任務(wù)提供芯級發(fā)動機(jī)；基于研制方案和近3億美元的研制經(jīng)費，NASA將推進(jìn)探索上面級的研制工作。而在地面系統(tǒng)建設(shè)方面，基于2019年的建設(shè)合同，NASA將在未來的2年時間內(nèi)完成肯尼迪航天中心第二個活動發(fā)射平臺的設(shè)計、建造、測試以及試車工作。