（北京航天長征科技信息研究所）

美國“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭研制進(jìn)展

Development of U.S. Space Launch System Heavy Rocket

解曉芳 才滿瑞（北京航天長征科技信息研究所）

2016年8月18日，世界上最大的重型運載火箭—在研的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）成功進(jìn)行了RS—25芯級發(fā)動機(jī)熱點火試車。美國以舉國之力研制這枚超級火箭的目的是將航天員送往更遠(yuǎn)的太空，進(jìn)入到月球附近，并成為人類深空探測的基石?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”將于2018年實現(xiàn)首飛，屆時，它將把載有航天員的“獵戶座”（Orion）飛船送入太空，最終目的地是火星。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”項目自2011年9月對外發(fā)布方案以來已經(jīng)取得多項進(jìn)展。目前，用于載人深空探索的“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭進(jìn)展順利，遍布全美的車間、廠房和試驗臺正在對火箭相關(guān)的硬件進(jìn)行焊接、組裝和測試，包括芯級主發(fā)動機(jī)和固體助推器的熱點火試驗、飛行用結(jié)構(gòu)件的制造生產(chǎn)等?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”項目還在2015年10月通過了關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR）?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”將以安全性、可負(fù)擔(dān)性和可持續(xù)性為目標(biāo)，實現(xiàn)人類歷史上最大的載人/機(jī)器人航天運輸能力。

1 “航天發(fā)射系統(tǒng)”項目概況

隨著人類探索太空的不斷深入，美國航空航天局（NASA）將未來的探索目標(biāo)瞄準(zhǔn)了更加遙遠(yuǎn)的深空。美國在21世紀(jì)初制定了重返月球的“星座”計劃，盡管該計劃于2010年初被宣布停止，但是美國航空航天局并沒有終止重型火箭的研發(fā)進(jìn)程。2010年4月，奧巴馬總統(tǒng)提出了新的載人火星探索構(gòu)想并得到政府批準(zhǔn)。2011年9月，美國航空航天局正式對外公布了美國新型重型運載火箭—“航天發(fā)射系統(tǒng)”方案。

2015年8月，美國航空航天局對外發(fā)布了火星探索路線圖，將人類登陸火星計劃分為3個階段：即“地球依賴”階段、“地月試驗場”階段和“地球獨立”階段?！暗厍蛞蕾嚒彪A段主要以“國際空間站”為平臺，繼續(xù)收集“國際空間站”技術(shù)試驗信息，為深空探索任務(wù)做準(zhǔn)備?！暗卦略囼瀳觥彪A段主要發(fā)展深空運輸基礎(chǔ)設(shè)施，進(jìn)入地月空間開展一系列試驗，驗證人類火星探索任務(wù)所需要的能力。“地球獨立”階段將發(fā)射載人飛船進(jìn)入火星軌道，最終實現(xiàn)航天員登陸火星表面，開展科學(xué)技術(shù)研究。為實現(xiàn)這些目標(biāo)，分階段研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭成為美國載人火星探索計劃最重要的組成部分之一。

美國航空航天局從一開始就采取漸進(jìn)式、分階段方式研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”火箭有3個基準(zhǔn)構(gòu)型，分別為：航天發(fā)射系統(tǒng)-1、1B和2。其中，航天發(fā)射系統(tǒng)-1為初始型號， 低地球軌道（LEO）運載能力為70t，而改進(jìn)的航天發(fā)射系統(tǒng)-1B和最終的航天發(fā)射系統(tǒng)-2低地球軌道運載能力分別達(dá)到105t 和130t。

航天發(fā)射系統(tǒng)-1全長98.2m，起飛質(zhì)量2500t，起飛推力約39000kN，由4臺RS-25液氫/液氧芯級主發(fā)動機(jī)和2個五段式固體火箭助推器組成。芯級高64.6m，直徑8.4m，可以容納952t的推進(jìn)劑，容積居世界之首。五段式固體助推器高54m，直徑3.7m，推進(jìn)劑質(zhì)量約680t。芯級和助推器的發(fā)動機(jī)都繼承了航天飛機(jī)項目的硬件。航天發(fā)射系統(tǒng)-1B分載人型和載貨型兩種，芯級和捆綁助推器與航天發(fā)射系統(tǒng)-1相同，將采用由4臺RL-10C發(fā)動機(jī)組成的探索上面級（EUS）。 航天發(fā)射系統(tǒng)-2將延用航天發(fā)射系統(tǒng)-1B的芯級和上面級，新研先進(jìn)固體或液體捆綁助推器，以將運載能力提高到130t。

航天發(fā)射系統(tǒng)-1火箭將于2018年9月執(zhí)行首飛任務(wù)，即探索任務(wù)-1（EM-1），發(fā)射“獵戶座”飛船執(zhí)行無人繞月飛行，測試箭船的整體性能。探索任務(wù)-2任務(wù)計劃在2021年左右進(jìn)行，將首次發(fā)射載人的“獵戶座”飛船進(jìn)行繞月飛行，飛到人類以前從未達(dá)到的更遠(yuǎn)深空并返回地球，為載人火星任務(wù)做準(zhǔn)備?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”火箭的后續(xù)任務(wù)和有效載荷尚未確定，多種方案現(xiàn)處于研究階段，其中包括載人登陸小行星和對木衛(wèi)二進(jìn)行機(jī)器人科學(xué)考察。

2 “航天發(fā)射系統(tǒng)”研制進(jìn)展

關(guān)鍵里程碑事件

“航天發(fā)射系統(tǒng)”項目按照美國航空航天局系統(tǒng)工程/項目壽命周期管理，所有事項劃分為7個遞進(jìn)階段，分別為：概念探索（A前階段），概念研究和技術(shù)開發(fā)（階段A）、初步設(shè)計和技術(shù)完善（階段B），詳細(xì)設(shè)計和制造（階段C），系統(tǒng)組裝、集成、試驗和投產(chǎn)（階段D）、運行使用與維護(hù)（階段E）與退役處理（階段F）。自2011年美國公布“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭方案后，“航天發(fā)射系統(tǒng)”項目已完成了前4個階段，并通過了系統(tǒng)需求評審（SRR）、系統(tǒng)定義評審（SDR）、初步設(shè)計評審（PDR）和關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR）等關(guān)鍵里程碑。

2015年10月，航天發(fā)射系統(tǒng)-1型火箭順利通過關(guān)鍵設(shè)計評審（CDR）。評審中，來自美國航空航天局、工業(yè)界的高級工程師和宇航專家組成的13個評審小組對總共1088份文件和154G的數(shù)據(jù)進(jìn)行了評審，認(rèn)為火箭的設(shè)計在技術(shù)上正確、有效、成熟，可以繼續(xù)進(jìn)行全尺寸生產(chǎn)、組裝、集成和試驗。除內(nèi)部評審?fù)猓ＴO(shè)評審委員會還進(jìn)行了獨立評審，評審專家認(rèn)為火箭技術(shù)設(shè)計良好、性能余度大，符合既定目標(biāo)和預(yù)設(shè)的進(jìn)度和成本要求，可通過關(guān)鍵設(shè)計評審。這意味著“航天發(fā)射系統(tǒng)”項目又完成一項關(guān)鍵里程碑事件，可順利進(jìn)入系統(tǒng)組裝、集成、試驗和投產(chǎn)（階段D）。這也是美國航空航天局繼航天飛機(jī)后首次進(jìn)行重型火箭的關(guān)鍵設(shè)計評審。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”項目在完成火箭的制造、組裝和試驗后將于2017年進(jìn)行設(shè)計鑒定（DC），即按照初始設(shè)計評估制造完成的火箭。此外，首飛前的里程碑事件還包括系統(tǒng)集成評審（SIR）、試驗準(zhǔn)備評審（TRR）、運行使用準(zhǔn)備評審（ORR）和飛行準(zhǔn)備評審（FRR）。

芯級

“航天發(fā)射系統(tǒng)”芯級是目前世界上最大的火箭推進(jìn)級，高64.6m，直徑8.4m。芯級由波音公司在位于新奧爾良州的美國航空航天局米丘德工廠進(jìn)行生產(chǎn)制造。芯級主要分為5部分：氧箱（容積為742m）、氫箱（容積為2032m）、前裙段、箱間段和發(fā)動機(jī)段。各部分通過環(huán)狀連接件連接以保證強(qiáng)度。

芯級的焊接工裝建設(shè)已取得顯著進(jìn)展，箱段、箱底和環(huán)狀結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)在進(jìn)行中。米丘德工廠的垂直組裝中心（VAC）已完成安裝，該工裝高51.8m，寬23.8m，是世界上最大的航天運載器焊接工裝。此外，米丘德工廠還安裝了另外5臺先進(jìn)的焊接工裝，焊接工作于2015年底啟動。所有芯級結(jié)構(gòu)件（含樣件、試驗件和飛行件）的焊接工作將于2016年夏全部完成，為“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭2018年首飛做準(zhǔn)備。

為確保芯級能夠承受火箭起飛時和飛行過程中的載荷，美國航空航天局專門為“航天發(fā)射系統(tǒng)”芯級修建了4座新的結(jié)構(gòu)試驗臺，分別用于芯級氫箱、氧箱、級間段和發(fā)動機(jī)段的試驗。氫箱和氧箱的試驗臺編號分別為4693號和4697號。4693號試驗臺由兩座高約65.53m的高塔組成，耗用鋼材2150t，在原土星-5（Satum-5）火箭F-1發(fā)動機(jī)的試驗臺基座上建造，用于測試56m高的液氫貯箱，目前已封頂。4697號試驗臺位于馬歇爾航天中心西試驗區(qū)，高約26m，將使用692t鋼材，用于測試“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭的液氧貯箱和前裙段。測試時，貯箱將垂直放置，通過加注液氮進(jìn)行壓力測試。

4693號試驗臺

2016年，美國航空航天局又在馬歇爾航天中心結(jié)構(gòu)和環(huán)境測試實驗室啟動了箱間段試驗臺和發(fā)動機(jī)段試驗臺鋼結(jié)構(gòu)的修建，2個試驗臺高度分別達(dá)到18.9m和15.2m，計劃用于“航天發(fā)射系統(tǒng)”芯級箱間段和發(fā)動機(jī)段的載荷測試。試驗臺上裝有液壓缸，可以模擬火箭發(fā)射和飛行的結(jié)構(gòu)載荷。新型試驗臺預(yù)計2016年底完工，2017年可進(jìn)行貯箱的結(jié)構(gòu)試驗。

RS—25主發(fā)動機(jī)

“航天發(fā)射系統(tǒng)”三種構(gòu)型都將采用RS-25發(fā)動機(jī)作為芯級主發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)由洛克·達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）生產(chǎn)，是歷史上第一臺可重復(fù)使用火箭發(fā)動機(jī)，也是最可靠、試驗次數(shù)最多的大型火箭發(fā)動機(jī)之一。它曾用作航天飛機(jī)的主發(fā)動機(jī)，特點是性能穩(wěn)定，可靠性高，任務(wù)成功率達(dá)到100%，可靠性達(dá)0.9996。在航天飛機(jī)135次任務(wù)和相關(guān)發(fā)動機(jī)試驗中，RS-25發(fā)動機(jī)共計進(jìn)行了106s的熱點火。

RS-25發(fā)動機(jī)將在“航天發(fā)射系統(tǒng)”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，達(dá)到額定值的109%?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”項目目前有16臺飛行用RS-25發(fā)動機(jī)和2臺試驗用發(fā)動機(jī)，分別用于“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭的前4次飛行任務(wù)和所需的發(fā)動機(jī)改進(jìn)。

過去幾年，發(fā)動機(jī)的改進(jìn)工作主要圍繞“航天發(fā)射系統(tǒng)”性能需求展開。0525號試驗型發(fā)動機(jī)在2015年8月前完成了首輪7次熱點火試驗，總時長超過3000s。關(guān)鍵目標(biāo)包括：①確定推進(jìn)劑入口條件和啟動程序；②確定接口條件改進(jìn)，包括新的底部熱環(huán)境；③硬件驗收試驗和含流體動力在內(nèi)的延壽；④新型控制器和軟件的研發(fā)和鑒定。

基于試驗和模型數(shù)據(jù)，首輪熱點火試驗取得成功。試驗數(shù)據(jù)中未出現(xiàn)故障，也未出現(xiàn)發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)情況。第二輪試驗將使用 2059號飛行發(fā)動機(jī)，該發(fā)動機(jī)將用于“航天發(fā)射系統(tǒng)”的第二次飛行。試驗計劃在2016年進(jìn)行，在此之前還將開展EM-2飛行任務(wù)中使用的發(fā)動機(jī)組件試驗，測試飛行用發(fā)動機(jī)的新型控制器。

后續(xù)飛行任務(wù)所用發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)工作也將重啟。美國航空航天局于2015年11月向洛克·達(dá)因公司授出11.6億美元的合同，重新啟動RS-25主發(fā)動機(jī)的研制工作。根據(jù)合同，洛克·達(dá)因公司需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，將其改為一次性使用發(fā)動機(jī)，成本將更低，推力可達(dá)到額定功率的111%。擴(kuò)展合同包括生產(chǎn)6臺新型發(fā)動機(jī)，用于“航天發(fā)射系統(tǒng)”后續(xù)飛行任務(wù)。

助推器

航天發(fā)射系統(tǒng)-1、1B型火箭配備了2臺五段式固體助推器，由軌道-阿連特技術(shù)系統(tǒng)公司（簡稱軌道-ATK公司）研制生產(chǎn)。單枚助推器質(zhì)量726t，推進(jìn)劑為聚丁二烯丙烯晴（PBAN）。兩枚助推器共產(chǎn)生約16000kN的推力，可為“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭提供75%的推力。該助推器是世界上最大的固體火箭助推器，由航天飛機(jī)原四段式固體助推器改裝而來，繼承了很多結(jié)構(gòu)和設(shè)計技術(shù)，新改進(jìn)的部分包括：改用無石棉隔熱材料，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。芯級和助推器的連接點也比航天飛機(jī)外貯箱的連接點更低。相對于航天飛機(jī)的四段式助推器，該助推器的推力提高了20%，比沖提高了24%。

2016年6月28日，五段式固體助推器進(jìn)行第二次鑒定試驗

2016年6月28日，固體助推器的低溫極值試驗即第二次鑒定試驗（QM-2）在軌道-ATK公司的試驗場內(nèi)進(jìn)行。助推器被冷卻至4.4℃之后點火，試驗時長126s，內(nèi)部溫度達(dá)到3300℃左右。530多個測量儀器為技術(shù)團(tuán)隊提供了82項鑒定目標(biāo)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，后續(xù)將用于助推器參加實際飛行前的性能分析。試驗完成后，助推器將被運送至美國航空航天局肯尼迪航天中心準(zhǔn)備首飛。

此前，五段式固體助推器曾于2015年3月11日成功完成第一次鑒定試驗（QM-1）。在這次高溫極值試驗中，助推器被加熱至32℃后進(jìn)行點火，檢驗了助推器在高溫條件下的性能。試驗完成了與發(fā)動機(jī)關(guān)鍵改進(jìn)相關(guān)（如發(fā)動機(jī)的新隔熱層、墊圈及改進(jìn)后的噴管設(shè)計）的數(shù)據(jù)收集，并通過對助推器儀器通道的監(jiān)測進(jìn)一步驗證了助推器設(shè)計符合彈道性能要求（如推力和壓力等）。

美國航空航天局還于2012年啟動了“先進(jìn)助推器工程驗證和風(fēng)險降低”（ABEDRR）項目，旨在為“航天發(fā)射系統(tǒng)”尋找更先進(jìn)的助推器替代方案。先進(jìn)助推器主要用于運載能力達(dá)130t的航天發(fā)射系統(tǒng)-2。先進(jìn)助推器比現(xiàn)有五段固體助推器推力更大，對長期的深空探索工程而言價格更合理，同時還要與“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭的通用芯級結(jié)構(gòu)相匹配。通過“先進(jìn)助推器工程驗證和風(fēng)險降低”項目，美國航空航天局對幾種先進(jìn)助推器方案進(jìn)行了研究，比較各個方案的相關(guān)性、內(nèi)在優(yōu)點和價格，已選定了4家公司的5個方案開展研究。后續(xù)，美國航空航天局將對先進(jìn)助推器設(shè)計、研發(fā)、試驗和評估（DDT&E）進(jìn)行公開競標(biāo)。

上面級

航天發(fā)射系統(tǒng)-1火箭使用由德爾他-4（Delta-4）火箭低溫二子級改進(jìn)而來的過渡型低溫上面級（ICPS），氫箱直徑5m，氧箱直徑4m，推進(jìn)劑最大加注量為27t，使用單臺RL-10B-2發(fā)動機(jī)，真空推力110kN，最長工作時間為700s。改進(jìn)工作包括加長推進(jìn)劑貯箱，增加姿控所需的肼瓶，增設(shè)電子設(shè)備等，以滿足航天發(fā)射系統(tǒng)-1火箭的載荷和工作環(huán)境要求。2015年10月，過渡型低溫上面級已完成結(jié)構(gòu)試驗件的制造。

過渡型低溫上面級（lCPS）

航天發(fā)射系統(tǒng)-1B、2火箭將使用探索型上面級（EUS），長18.3m，氫箱直徑8.4m，氧箱直徑5.5m，推進(jìn)劑最大加注量為129t，使用4臺RL-10C-1發(fā)動機(jī)，單臺推力為101kN，最長工作時間為2ks。該上面級最早將用于2021年左右的探索任務(wù)-2。

RL-10系列氫氧發(fā)動機(jī)多用于火箭的上面級，它由普惠公司于20世紀(jì)50年代研發(fā)，并在1963年首飛。該發(fā)動機(jī)參與過數(shù)百次發(fā)射，點火15000余次，累積時長2.3×106s，可靠性達(dá)0.999。該發(fā)動機(jī)曾用于“宇宙神”（Atlas）“半人馬座”（Centaur）上面級（RL-10A-4-2）、德爾他-4C上面級（RL-10B-2）以及土星-1的二子級（RL-10A-3）。

發(fā)射場

為滿足美國航空航天局以探索任務(wù)-1、2為起點的深空探索任務(wù)，在肯尼迪航天中心修建和改進(jìn)了所需的設(shè)施和地面支持設(shè)備，改進(jìn)相關(guān)的通信和控制系統(tǒng)，以進(jìn)行“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭和“獵戶座”飛船飛行硬件的準(zhǔn)備、組裝、試驗、發(fā)射和回收。目前，地面系統(tǒng)已完成移動發(fā)射車的結(jié)構(gòu)和設(shè)備改進(jìn)；在垂直組裝大樓開展發(fā)射平臺適應(yīng)性建設(shè)，為“航天發(fā)射系統(tǒng)”火箭操作提供進(jìn)出通道；在LC-39B發(fā)射工位，建設(shè)尾焰導(dǎo)流槽，完成基礎(chǔ)設(shè)施和推進(jìn)劑/供氣系統(tǒng)的改進(jìn)；安裝和升級軟件，以支持端對端發(fā)射場指令和控制系統(tǒng)應(yīng)用；以及移動運輸車的延壽和改進(jìn)。后續(xù)還將完成發(fā)射場指揮和控制系統(tǒng)（SCCS）的研發(fā)和驗證、移動發(fā)射車（ML）地面支持設(shè)備的安裝和臍帶安裝等。

3 分析

火箭系列構(gòu)型進(jìn)行局部調(diào)整

在完成航天發(fā)射系統(tǒng)-1火箭的關(guān)鍵設(shè)計評審之后，美國航空航天局對“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型火箭的構(gòu)型也進(jìn)行了調(diào)整，各型火箭均采用公共芯級以RS-25主發(fā)動機(jī)為動力。航天發(fā)射系統(tǒng)-1B將繼續(xù)采用五段式固體火箭助推器而不是原來的先進(jìn)火箭助推器，這樣有利于加快研制進(jìn)度。航天發(fā)射系統(tǒng)-1B、2火箭都將采用由4臺RL-10C發(fā)動機(jī)組成的探索型上面級，更是利用已有的成熟上面級發(fā)動機(jī)技術(shù)，不僅可以降低研制成本，還能確保高可靠飛行目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，航天發(fā)射系統(tǒng)-2將研制先進(jìn)固體或液體助推器，以替代五段式固體助推器。

航天發(fā)射系統(tǒng)—1火箭研制和試驗有序進(jìn)行

美國航空航天局已完成了航天發(fā)射系統(tǒng)-1火箭的關(guān)鍵設(shè)計評審；安裝了6臺大型焊接工裝，用于火箭芯級主要結(jié)構(gòu)件的焊接；建造了4個新的試驗臺，用于芯級貯箱、箱間段、發(fā)動機(jī)段的載荷試驗；制造完成了芯級、助推器、級間段、飛船支架等結(jié)構(gòu)件的樣件、試驗件和飛行件；開展了芯級發(fā)動機(jī)單臺熱點火試驗（7次）和固體助推器驗證試驗（3次）與鑒定試驗（2次）。后續(xù)還將開展芯級飛行用發(fā)動機(jī)單機(jī)試驗和4臺發(fā)動機(jī)聯(lián)合試驗?？夏岬虾教熘行牡陌l(fā)射場適應(yīng)性建設(shè)和改進(jìn)已完成大部分工作，所有改進(jìn)工作將于2018年初完成。

美國航空航天局陸續(xù)部署演進(jìn)型火箭的研制

美國航空航天局目前將工作重點放在航天發(fā)射系統(tǒng)-1首飛上，但與此同時也在開展演進(jìn)構(gòu)型研制的相關(guān)工作。2014年6月，美國航空航天局提出研制探索型上面級替換航天發(fā)射系統(tǒng)-1的過渡型上面級，但美國航空航天局安全辦公室和航天員辦公室反對用新上面級執(zhí)行載人任務(wù)。因此，2021年的探索任務(wù)-2（航天發(fā)射系統(tǒng)-1B首飛）將可能是一次無人試驗飛行，首次載人飛行將推遲至2023年的探索任務(wù)-3。主發(fā)動機(jī)方面，現(xiàn)有的16臺飛行用RS-25發(fā)動機(jī)僅夠前4次飛行任務(wù)，美國航空航天局已授出了后續(xù)任務(wù)使用的RS-25E發(fā)動機(jī)（一次性使用）的研制生產(chǎn)合同。最后，將研制全新的先進(jìn)固體或液體火箭助推器，實現(xiàn)最終載人火星探索目標(biāo)。