試車成功，SLS重型火箭向前邁出一大步

文/ 張綠云 曲晶

2021年4月29日，花掉美國宇航局約200億美元的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭的首個芯級飛行件終于運抵肯尼迪航天中心的垂直組裝大樓。地面系統(tǒng)團隊和工程承包商將把它同兩枚五段式固體助推器、過渡型低溫上面級和獵戶座飛船組裝到一起。完成檢測后，箭船組合體隨后會被轉運到39B發(fā)射工位，以做“阿爾忒彌斯”1繞月任務最后的測試。

▲ SLS火箭芯級發(fā)動機點火

3月19日，美國宇航局開展了SLS重型運載火箭芯級動力系統(tǒng)試驗。本次試驗中，4臺RS-25氫氧發(fā)動機點火時長達到8分鐘19秒，遠遠超過項目團隊預期的約4分鐘，標志著SLS重型火箭的研制邁進了一大步，進入首飛箭的總裝與試驗階段，而對于“阿爾忒彌斯”探月計劃來說也是一個極其關鍵的里程碑事件。

去年1月，美國宇航局和波音公司通過飛馬座駁船將SLS首飛箭芯級轉移至斯坦尼斯航天中心，并將其安裝在B-2試車臺上，開始進行芯級系列試驗。受到疫情、惡劣天氣以及技術問題的影響，試驗過程持續(xù)了14個月的時間。

▲4臺RS-25發(fā)動機進行擺動試車畫面

芯級點火試驗終得圓滿

3月17日，美國宇航局組織項目團隊開始芯級通電，并順利完成貯箱、管路預冷以及液氧和液氫推進劑加注，在加注完成之后，團隊持續(xù)進行液氫補加和液氧溫度控制。19日按照預定計劃，4臺發(fā)動機同時點火8分19秒，在7秒內推力達到7120千牛，并進行了3次不同時長的噴管擺動以及發(fā)動機推力水平調節(jié)。在點火試驗進行到60秒左右時，4臺發(fā)動機在液壓推力矢量控制系統(tǒng)的作用下進行了第一次噴管擺動，時長約30秒,推力水平從額定功率的109%降至95%；在點火進行到2分10秒左右時，發(fā)動機進行了第二次噴管擺動，在實際飛行中此時將實現(xiàn)火箭的偏航與俯仰，擺動時長2分左右；在點火進行到7分30秒左右時，發(fā)動機進行了第三次噴管擺動，持續(xù)時長20秒左右。

從美國宇航局公布的視頻可以看到，整個點火試驗過程中噴管以圓周形擺動，且擺動速度非?？?。這是因為，項目團隊給地面點火試驗設置了更為嚴格的程序，以獲得更全面的試驗數(shù)據。

美國宇航局官員對本次試驗感到非常高興，稱這是近10年來SLS項目中最重要的里程碑。在試驗完成后，波音SLS項目經理約翰·香農表示，本次試驗實現(xiàn)了所有的目標，芯級試驗得到了A+評分。

▲SLS火箭構型圖

失敗是成功之母

為了確保4臺RS-25發(fā)動機聯(lián)合點火試車的成功，美國宇航局在此之前做了充分的準備工作，共計7項試驗內容，包括芯級模態(tài)試驗、電子系統(tǒng)試驗、失效保護系統(tǒng)試驗、主要推進系統(tǒng)組件試驗、推力矢量控制系統(tǒng)、倒計時演練以及推進劑加注試驗，逐步驗證芯級及其各分系統(tǒng)的性能，使其可滿足“阿爾忒彌斯”1及后續(xù)登月任務的能力需求。

前6項試驗進展順利，但在第7次推進劑加注試驗暴露出了一些技術問題，包括液氫前置閥故障、液氧溫度過高、閥門關閉時序等問題。而隨著4個前置閥離合器的更換、液氧加注流程的修改以及閥門關閉時序的重新設置，美國宇航局在今年1月16日進行了首次芯級點火試驗。在點火進行到1分左右時，2號發(fā)動機的輔助動力單元相關的液壓系統(tǒng)數(shù)值超出了設定的極限值，飛行計算機自動終止了試驗。不過，這樣保守的終止流程設計僅限于芯級地面試驗，而對于實際飛行任務，如果發(fā)生類似問題，會充分發(fā)揮芯級輔助動力單元的冗余能力，實現(xiàn)火箭正常飛行。而發(fā)動機點火工作1.5秒后傳感器提示的儀器故障，因其控制系統(tǒng)的冗余能力，并未影響到試驗的正常進行。隨后，項目團隊開展了數(shù)據分析、發(fā)動機吹除、試驗臺檢修、發(fā)動機熱防護系統(tǒng)微小修復，并進行了計算機控制邏輯參數(shù)的重置以及電氣線束這一儀器問題的修復等工作。

▲SLS火箭芯級示意圖

解讀美國新一代重型運載火箭

SLS為美國新一代載人重型運載火箭，將用于執(zhí)行包括火星登陸在內的載人航天深空探索任務。SLS火箭包括SLS-1型（載人/載貨）、SLS-1B型（載人/載貨）和SLS-2型（載人/載貨）。

SLS-1型為兩級構型，由芯級、2枚五段式固體助推器和過渡型低溫上面級（ICPS）組成，可實現(xiàn)70噸近地軌道運載能力以及27噸深空運載能力。在SLS-1型通過月球任務演示驗證后，美國宇航局將在其基礎上，采用探索上面級（EUS）替換過渡型低溫上面級，并對固體助推器進行改進，形成SLS-1B型，將近地軌道運載能力和深空運載能力分別提高到105噸和38噸。SLS-2型在SLS-1B型的基礎上使用先進液體助推器替代五段式固體助推器，可實現(xiàn)130噸的近地軌道運載能力和46噸的深空運載能力。

SLS芯級是通用型，適用于SLS-1、SLS-1B和SLS-2三 種 構 型，長64.6米，直徑8.4米，結構質量85.3噸。芯級主要由發(fā)動機段、氫箱、箱間段、氧箱和前裙組成，分為10個主要圓柱形筒段、4個圓底以及7個連接環(huán)。其中，每一個筒段由8個不同長度和高度的鋁板制造而成；采用4臺RS－25氫氧發(fā)動機；安裝3臺飛行計算機和箭上大部分電子設備，外部噴涂黃色熱防護涂層；設計飛行時間約500秒，飛行高度162千米。

RS-25發(fā)動機包括RS-25D可重復使用和RS-25E一次性使用發(fā)動機，前者是在原航天飛機項目下庫存的16臺RS-25發(fā)動機基礎上改進而成，主要采用新型控制器、燃氣發(fā)生器以及熱防護技術等，計劃用于前4次SLS飛行任務；而后者為一次性使用發(fā)動機，將采用基于熱等靜壓、3D打印等先進制造工藝制造而成的POGO蓄壓器、主燃燒室等37個全新的組件，計劃用于支持第五次SLS及其后續(xù)發(fā)射任務。

五段式固體助推器將用于SLS-1和SLS-1B型，由原航天飛機四段式固體助推器改進而來，改用無石棉隔熱材料，增大噴管以適應更大的內部壓力，采用新的控制設備和推進劑藥柱等。助推器長54米，直徑3.7米，單枚結構質量100.5噸，加注后質量達726噸，真空比沖267.4秒，以聚丁二烯丙烯腈（PBAN）為推進劑，可提供32000千牛的推力，在前2分鐘的飛行中為SLS火箭提供75%的推力。對于SLS-2型，美國宇航局在2012年啟動了先進助推器工程驗證和風險降低項目，旨在尋找更先進的助推器替代方案。目前，該先進助推器還處在方案選擇和技術攻關（如復合材料殼體等）階段。

▲ 芯級RS-25氫氧發(fā)動機

▲完成組裝后豎立在活動發(fā)射平臺上的固體助推器

▲ 過渡型低溫上面級

過渡型低溫上面級將用于SLS-1型，由德爾塔4火箭低溫二子級改進而來，氧箱直徑4米，氫箱直徑5米，分別用氮氣和氫氣增壓，氧箱通過箱間桁架（V形支桿）吊掛在氫箱下方。該子級結構質量3.5噸，推進劑最大加注量為27噸，使用單臺RL10B-2膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機，真空推力為110千牛，最長工作時間為1125秒。而對于SLS-1B和SLS-2型，美國宇航局從2014年開始考慮采用新的探索上面級（EUS），在2020年通過了關鍵設計評審。EUS上面級主要包括前適配器、氫箱、箱間結構、氧箱、設備架和推進結構，長17.6米，最大直徑8.4米，采用4臺RL10C-3氫氧發(fā)動機，推力433千牛。

大大推動了探月計劃的進程

SLS重型火箭是目前唯一可以將獵戶座載人飛船送入月球軌道的運輸系統(tǒng)，是美國阿爾忒彌斯探月計劃的重要組成部分。SLS火箭的研制進度直接影響著該探月計劃的順利實施，而作為該火箭的研制難點，芯級動力系統(tǒng)試驗的成功無疑大大推動了阿爾忒彌斯探月計劃的進程。

自2011年9月公布研制方案以來，美國宇航局在SLS新一代重型運載火箭研制上已經花費了9年多時間，而導致其進度緩慢的最主要的原因就在于芯級的研制速度。在2014年7月完成關鍵設計評審后，直到2018年才結束主要組件的生產制造，之后的芯級組裝和綜合性系列性能評估試驗都耗時一年多時間。不過，隨著芯級4臺發(fā)動機點火試驗這一關鍵里程碑的圓滿完成，SLS首飛日期可期。

接下來，項目團隊將花費一個月左右的時間對芯級飛行件進行檢修，之后將其船運至肯尼迪航天中心，與已經組裝完成的五段式固體助推器以及準備就緒的過渡型低溫上面級、級間段、支架、獵戶座飛船等進行總裝，計劃在2022年初進行阿爾忒彌斯1無人繞月飛行任務。

為深空探索任務的可靠性奠定了基礎

按照目前的安排，SLS重型運載火箭將主要用于支持美國的載人探月、載人登陸火星等深空探索任務。對于載人運載火箭，可靠性始終是需要考慮的第一要素。2019年，美國宇航局最終決定要進行芯級動力系統(tǒng)試驗也是基于航天員安全的考慮。而本次點火試驗的圓滿完成以及前期完成的系列準備工作都為未來的載人深空探索任務的可靠性奠定了基礎。

雖然耗時一年多，但是芯級系列試驗作為一項綜合性的試驗，通過在地面對實際飛行環(huán)境下的芯級運行進行模擬，給芯級這一全新、大尺寸火箭子級的硬件、軟件性能檢驗與改進提供了數(shù)據基礎。芯級系列試驗中暴露出了液氫/液氧前置閥組件失效、液氧加注流程不當、閥門關閉時序、電氣線束等儀器故障以及CAPU液壓系統(tǒng)等多方面的問題，所有這些都給設計人員提供了產品改進的機會。隨著這些問題的解決，芯級順利通過全時長點火試驗。芯級在本次更嚴苛運行環(huán)境下的表現(xiàn)，以及在推力調節(jié)、頻率響應、貯箱增壓系統(tǒng)熱動力學、推力矢量控制等方面積累的相關試驗數(shù)據為芯級的可靠性認證奠定了基礎，也為后續(xù)的設計改進提供了支撐。

雖然，SLS火箭的最后一個“大件”已抵達肯尼迪航天中心，但美國宇航局相關官員稱，該箭要在年底前發(fā)射“有難度”，他表示“該箭首次在肯尼迪航天中心走流程”，意思是說這是SLS首次經歷各大組件裝配和射前處理步驟?！拔覀儫o疑會碰到一些難題，所以就本年度末之前發(fā)射而言我們并沒有多少進度儲備?！?/p>