文/ 張綠云 曲晶

2021年4月29日，花掉美國(guó)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(gè)芯級(jí)飛行件終于運(yùn)抵肯尼迪航天中心的垂直組裝大樓。地面系統(tǒng)團(tuán)隊(duì)和工程承包商將把它同兩枚五段式固體助推器、過(guò)渡型低溫上面級(jí)和獵戶座飛船組裝到一起。完成檢測(cè)后，箭船組合體隨后會(huì)被轉(zhuǎn)運(yùn)到39B發(fā)射工位，以做“阿爾忒彌斯”1繞月任務(wù)最后的測(cè)試。

▲ SLS火箭芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火

3月19日，美國(guó)宇航局開(kāi)展了SLS重型運(yùn)載火箭芯級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)中，4臺(tái)RS-25氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)達(dá)到8分鐘19秒，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)預(yù)期的約4分鐘，標(biāo)志著SLS重型火箭的研制邁進(jìn)了一大步，進(jìn)入首飛箭的總裝與試驗(yàn)階段，而對(duì)于“阿爾忒彌斯”探月計(jì)劃來(lái)說(shuō)也是一個(gè)極其關(guān)鍵的里程碑事件。

去年1月，美國(guó)宇航局和波音公司通過(guò)飛馬座駁船將SLS首飛箭芯級(jí)轉(zhuǎn)移至斯坦尼斯航天中心，并將其安裝在B-2試車臺(tái)上，開(kāi)始進(jìn)行芯級(jí)系列試驗(yàn)。受到疫情、惡劣天氣以及技術(shù)問(wèn)題的影響，試驗(yàn)過(guò)程持續(xù)了14個(gè)月的時(shí)間。

▲4臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行擺動(dòng)試車畫(huà)面

芯級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)終得圓滿

3月17日，美國(guó)宇航局組織項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)始芯級(jí)通電，并順利完成貯箱、管路預(yù)冷以及液氧和液氫推進(jìn)劑加注，在加注完成之后，團(tuán)隊(duì)持續(xù)進(jìn)行液氫補(bǔ)加和液氧溫度控制。19日按照預(yù)定計(jì)劃，4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火8分19秒，在7秒內(nèi)推力達(dá)到7120千牛，并進(jìn)行了3次不同時(shí)長(zhǎng)的噴管擺動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)推力水平調(diào)節(jié)。在點(diǎn)火試驗(yàn)進(jìn)行到60秒左右時(shí)，4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在液壓推力矢量控制系統(tǒng)的作用下進(jìn)行了第一次噴管擺動(dòng)，時(shí)長(zhǎng)約30秒,推力水平從額定功率的109%降至95%；在點(diǎn)火進(jìn)行到2分10秒左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了第二次噴管擺動(dòng)，在實(shí)際飛行中此時(shí)將實(shí)現(xiàn)火箭的偏航與俯仰，擺動(dòng)時(shí)長(zhǎng)2分左右；在點(diǎn)火進(jìn)行到7分30秒左右時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了第三次噴管擺動(dòng)，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)20秒左右。

從美國(guó)宇航局公布的視頻可以看到，整個(gè)點(diǎn)火試驗(yàn)過(guò)程中噴管以圓周形擺動(dòng)，且擺動(dòng)速度非?？?。這是因?yàn)?，?xiàng)目團(tuán)隊(duì)給地面點(diǎn)火試驗(yàn)設(shè)置了更為嚴(yán)格的程序，以獲得更全面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

美國(guó)宇航局官員對(duì)本次試驗(yàn)感到非常高興，稱這是近10年來(lái)SLS項(xiàng)目中最重要的里程碑。在試驗(yàn)完成后，波音SLS項(xiàng)目經(jīng)理約翰·香農(nóng)表示，本次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了所有的目標(biāo)，芯級(jí)試驗(yàn)得到了A+評(píng)分。

▲SLS火箭構(gòu)型圖

失敗是成功之母

為了確保4臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合點(diǎn)火試車的成功，美國(guó)宇航局在此之前做了充分的準(zhǔn)備工作，共計(jì)7項(xiàng)試驗(yàn)內(nèi)容，包括芯級(jí)模態(tài)試驗(yàn)、電子系統(tǒng)試驗(yàn)、失效保護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)、主要推進(jìn)系統(tǒng)組件試驗(yàn)、推力矢量控制系統(tǒng)、倒計(jì)時(shí)演練以及推進(jìn)劑加注試驗(yàn)，逐步驗(yàn)證芯級(jí)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(wù)的能力需求。

前6項(xiàng)試驗(yàn)進(jìn)展順利，但在第7次推進(jìn)劑加注試驗(yàn)暴露出了一些技術(shù)問(wèn)題，包括液氫前置閥故障、液氧溫度過(guò)高、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)序等問(wèn)題。而隨著4個(gè)前置閥離合器的更換、液氧加注流程的修改以及閥門(mén)關(guān)閉時(shí)序的重新設(shè)置，美國(guó)宇航局在今年1月16日進(jìn)行了首次芯級(jí)點(diǎn)火試驗(yàn)。在點(diǎn)火進(jìn)行到1分左右時(shí)，2號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔助動(dòng)力單元相關(guān)的液壓系統(tǒng)數(shù)值超出了設(shè)定的極限值，飛行計(jì)算機(jī)自動(dòng)終止了試驗(yàn)。不過(guò)，這樣保守的終止流程設(shè)計(jì)僅限于芯級(jí)地面試驗(yàn)，而對(duì)于實(shí)際飛行任務(wù)，如果發(fā)生類似問(wèn)題，會(huì)充分發(fā)揮芯級(jí)輔助動(dòng)力單元的冗余能力，實(shí)現(xiàn)火箭正常飛行。而發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)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(yàn)的正常進(jìn)行。隨后，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了數(shù)據(jù)分析、發(fā)動(dòng)機(jī)吹除、試驗(yàn)臺(tái)檢修、發(fā)動(dòng)機(jī)熱防護(hù)系統(tǒng)微小修復(fù)，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)控制邏輯參數(shù)的重置以及電氣線束這一儀器問(wèn)題的修復(fù)等工作。

▲SLS火箭芯級(jí)示意圖

解讀美國(guó)新一代重型運(yùn)載火箭

SLS為美國(guó)新一代載人重型運(yùn)載火箭，將用于執(zhí)行包括火星登陸在內(nèi)的載人航天深空探索任務(wù)。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(jí)構(gòu)型，由芯級(jí)、2枚五段式固體助推器和過(guò)渡型低溫上面級(jí)（ICPS）組成，可實(shí)現(xiàn)70噸近地軌道運(yùn)載能力以及27噸深空運(yùn)載能力。在SLS-1型通過(guò)月球任務(wù)演示驗(yàn)證后，美國(guó)宇航局將在其基礎(chǔ)上，采用探索上面級(jí)（EUS）替換過(guò)渡型低溫上面級(jí)，并對(duì)固體助推器進(jìn)行改進(jìn)，形成SLS-1B型，將近地軌道運(yùn)載能力和深空運(yùn)載能力分別提高到105噸和38噸。SLS-2型在SLS-1B型的基礎(chǔ)上使用先進(jìn)液體助推器替代五段式固體助推器，可實(shí)現(xiàn)130噸的近地軌道運(yùn)載能力和46噸的深空運(yùn)載能力。

SLS芯級(jí)是通用型，適用于SLS-1、SLS-1B和SLS-2三 種 構(gòu) 型，長(zhǎng)64.6米，直徑8.4米，結(jié)構(gòu)質(zhì)量85.3噸。芯級(jí)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)段、氫箱、箱間段、氧箱和前裙組成，分為10個(gè)主要圓柱形筒段、4個(gè)圓底以及7個(gè)連接環(huán)。其中，每一個(gè)筒段由8個(gè)不同長(zhǎng)度和高度的鋁板制造而成；采用4臺(tái)RS－25氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；安裝3臺(tái)飛行計(jì)算機(jī)和箭上大部分電子設(shè)備，外部噴涂黃色熱防護(hù)涂層；設(shè)計(jì)飛行時(shí)間約500秒，飛行高度162千米。

RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)包括RS-25D可重復(fù)使用和RS-25E一次性使用發(fā)動(dòng)機(jī)，前者是在原航天飛機(jī)項(xiàng)目下庫(kù)存的16臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，主要采用新型控制器、燃?xì)獍l(fā)生器以及熱防護(hù)技術(shù)等，計(jì)劃用于前4次SLS飛行任務(wù)；而后者為一次性使用發(fā)動(dòng)機(jī)，將采用基于熱等靜壓、3D打印等先進(jìn)制造工藝制造而成的POGO蓄壓器、主燃燒室等37個(gè)全新的組件，計(jì)劃用于支持第五次SLS及其后續(xù)發(fā)射任務(wù)。

五段式固體助推器將用于SLS-1和SLS-1B型，由原航天飛機(jī)四段式固體助推器改進(jìn)而來(lái)，改用無(wú)石棉隔熱材料，增大噴管以適應(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。助推器長(zhǎng)54米，直徑3.7米，單枚結(jié)構(gòu)質(zhì)量100.5噸，加注后質(zhì)量達(dá)726噸，真空比沖267.4秒，以聚丁二烯丙烯腈（PBAN）為推進(jìn)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(duì)于SLS-2型，美國(guó)宇航局在2012年啟動(dòng)了先進(jìn)助推器工程驗(yàn)證和風(fēng)險(xiǎn)降低項(xiàng)目，旨在尋找更先進(jìn)的助推器替代方案。目前，該先進(jìn)助推器還處在方案選擇和技術(shù)攻關(guān)（如復(fù)合材料殼體等）階段。

▲ 芯級(jí)RS-25氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)

▲完成組裝后豎立在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上的固體助推器

▲ 過(guò)渡型低溫上面級(jí)

過(guò)渡型低溫上面級(jí)將用于SLS-1型，由德?tīng)査?火箭低溫二子級(jí)改進(jìn)而來(lái)，氧箱直徑4米，氫箱直徑5米，分別用氮?dú)夂蜌錃庠鰤?，氧箱通過(guò)箱間桁架（V形支桿）吊掛在氫箱下方。該子級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量3.5噸，推進(jìn)劑最大加注量為27噸，使用單臺(tái)RL10B-2膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力為110千牛，最長(zhǎng)工作時(shí)間為1125秒。而對(duì)于SLS-1B和SLS-2型，美國(guó)宇航局從2014年開(kāi)始考慮采用新的探索上面級(jí)（EUS），在2020年通過(guò)了關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審。EUS上面級(jí)主要包括前適配器、氫箱、箱間結(jié)構(gòu)、氧箱、設(shè)備架和推進(jìn)結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)17.6米，最大直徑8.4米，采用4臺(tái)RL10C-3氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，推力433千牛。

大大推動(dòng)了探月計(jì)劃的進(jìn)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(yùn)輸系統(tǒng)，是美國(guó)阿爾忒彌斯探月計(jì)劃的重要組成部分。SLS火箭的研制進(jìn)度直接影響著該探月計(jì)劃的順利實(shí)施，而作為該火箭的研制難點(diǎn)，芯級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)試驗(yàn)的成功無(wú)疑大大推動(dòng)了阿爾忒彌斯探月計(jì)劃的進(jìn)程。

自2011年9月公布研制方案以來(lái)，美國(guó)宇航局在SLS新一代重型運(yùn)載火箭研制上已經(jīng)花費(fèi)了9年多時(shí)間，而導(dǎo)致其進(jìn)度緩慢的最主要的原因就在于芯級(jí)的研制速度。在2014年7月完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審后，直到2018年才結(jié)束主要組件的生產(chǎn)制造，之后的芯級(jí)組裝和綜合性系列性能評(píng)估試驗(yàn)都耗時(shí)一年多時(shí)間。不過(guò)，隨著芯級(jí)4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)這一關(guān)鍵里程碑的圓滿完成，SLS首飛日期可期。

接下來(lái)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將花費(fèi)一個(gè)月左右的時(shí)間對(duì)芯級(jí)飛行件進(jìn)行檢修，之后將其船運(yùn)至肯尼迪航天中心，與已經(jīng)組裝完成的五段式固體助推器以及準(zhǔn)備就緒的過(guò)渡型低溫上面級(jí)、級(jí)間段、支架、獵戶座飛船等進(jìn)行總裝，計(jì)劃在2022年初進(jìn)行阿爾忒彌斯1無(wú)人繞月飛行任務(wù)。

為深空探索任務(wù)的可靠性奠定了基礎(chǔ)

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

雖然耗時(shí)一年多，但是芯級(jí)系列試驗(yàn)作為一項(xiàng)綜合性的試驗(yàn)，通過(guò)在地面對(duì)實(shí)際飛行環(huán)境下的芯級(jí)運(yùn)行進(jìn)行模擬，給芯級(jí)這一全新、大尺寸火箭子級(jí)的硬件、軟件性能檢驗(yàn)與改進(jìn)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。芯級(jí)系列試驗(yàn)中暴露出了液氫/液氧前置閥組件失效、液氧加注流程不當(dāng)、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)序、電氣線束等儀器故障以及CAPU液壓系統(tǒng)等多方面的問(wèn)題，所有這些都給設(shè)計(jì)人員提供了產(chǎn)品改進(jìn)的機(jī)會(huì)。隨著這些問(wèn)題的解決，芯級(jí)順利通過(guò)全時(shí)長(zhǎng)點(diǎn)火試驗(yàn)。芯級(jí)在本次更嚴(yán)苛運(yùn)行環(huán)境下的表現(xiàn)，以及在推力調(diào)節(jié)、頻率響應(yīng)、貯箱增壓系統(tǒng)熱動(dòng)力學(xué)、推力矢量控制等方面積累的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)為芯級(jí)的可靠性認(rèn)證奠定了基礎(chǔ)，也為后續(xù)的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了支撐。

雖然，SLS火箭的最后一個(gè)“大件”已抵達(dá)肯尼迪航天中心，但美國(guó)宇航局相關(guān)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(shuō)這是SLS首次經(jīng)歷各大組件裝配和射前處理步驟。“我們無(wú)疑會(huì)碰到一些難題，所以就本年度末之前發(fā)射而言我們并沒(méi)有多少進(jìn)度儲(chǔ)備?！?/p>