□ 潘樂天

一步之遙
——美國最強(qiáng)火箭40年難修正果

□ 潘樂天

發(fā)動(dòng)機(jī)完成“大腦”測試

8月30日美國宇航局的工程師完成RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)飛行控制器的熱點(diǎn)火測試。該發(fā)動(dòng)機(jī)將為新的太空發(fā)射系統(tǒng)提供動(dòng)力，以實(shí)現(xiàn)最終的火星任務(wù)。

據(jù)最新消息，美國宇航局的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）首發(fā)獵戶座“勘探任務(wù)-1”（EM-1）的日期確定為不早于2019年12月15日，“勘探任務(wù)-2”將不早于2022年6月1日。根據(jù)目前的安排，四個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)將被整合到“太空發(fā)射系統(tǒng)”的核心部件，在2018年5月15日前交付米秋德裝配廠安裝。

▲ 焊工在大型液氧儲罐內(nèi)焊接裂縫

美國宇航局在美國密西西比州的斯坦尼斯航天中心的A-1試驗(yàn)站對RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)飛行控制器進(jìn)行了500秒的熱點(diǎn)火試驗(yàn)。該控制器是發(fā)動(dòng)機(jī)的“大腦”，為發(fā)動(dòng)機(jī)提供運(yùn)行和內(nèi)部健康診斷精度的控制，實(shí)現(xiàn)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)和SLS之間的通信聯(lián)絡(luò)。在發(fā)射和飛行過程中，控制器與SLS飛行計(jì)算機(jī)通信，接收關(guān)鍵命令并返回發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，以確保發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行?？刂破鞅O(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況時(shí)可以通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和燃油混合比進(jìn)行封閉環(huán)式管理。此次測試安裝的RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)控制器大小和室內(nèi)大冰箱近似，點(diǎn)火方式和時(shí)間同實(shí)際發(fā)射完全一樣。

據(jù)稱，最新的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器可以完成135次航天飛機(jī)任務(wù)。美國宇航局表示，該測試表明美國向人類深空探測邁出重要一步。

美國宇航局馬歇爾宇航中心的SLS液體發(fā)動(dòng)機(jī)辦公室航空電子子系統(tǒng)經(jīng)理拉斯·艾布拉姆斯稱，“你不能把昨天的硬件用到今天的發(fā)動(dòng)機(jī)之上，特別是許多航天飛機(jī)時(shí)代的引擎控制器零件已經(jīng)停產(chǎn)了。這個(gè)引擎需要最新的控制系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行器、傳感器、連接器和線束等,以滿足SLS的規(guī)格和要求。”

今年3月，美國宇航局測試了SLS發(fā)動(dòng)機(jī)的第一個(gè)飛行控制器單元。該機(jī)構(gòu)在5月底進(jìn)行第二次飛行控制器單元的夏季測試，隨后又進(jìn)行了三次額外測試。經(jīng)過對今年3月和5月的兩次測試數(shù)據(jù)的審查，兩個(gè)控制器被指定用于RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。在尼斯進(jìn)行的RS-25試驗(yàn)是由美國宇航局、洛克達(dá)因公司和衛(wèi)星空間服務(wù)公司的工程師和操作員共同完成的。洛克達(dá)因是RS-25的主承包商。衛(wèi)星空間服務(wù)是斯坦尼斯的設(shè)施和操作的主承包商。這一系列飛行控制器的測試，是為SLS飛往深空進(jìn)行無人“勘探任務(wù)-1”（EM-1）的必要準(zhǔn)備工作。

作為定于 2019 年展開的 EM-1探索任務(wù)的一部分，無人駕駛的獵戶座太空艙及其服務(wù)模塊，將被美國宇航局的 SLS 發(fā)射到月球軌道外 6.4萬千米的太空飛行三周時(shí)間。新火箭將首次攜無人獵戶座飛船進(jìn)入月球軌道，“勘探任務(wù)-2”將負(fù)責(zé)運(yùn)送載人獵戶座。美國宇航局為SLS規(guī)劃了未來20年一系列雄心勃勃的任務(wù)，將人類送抵更加遙遠(yuǎn)的太空，其最終目標(biāo)是在本世紀(jì)30年代將航天員送上火星表面。

▲ 洛克達(dá)因技師檢查發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置。該控制裝置是RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置的現(xiàn)代化版本，它的任務(wù)是控制發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和燃油混合比，以及監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀況，作用類似于車載電腦

每一個(gè)SLS火箭發(fā)射是四個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火，和一對固體火箭助推器一起工作。美宇航局預(yù)計(jì)RS-25將會提供約合90.8萬千克的推力，如果與一對固體火箭推進(jìn)器協(xié)同工作，它的總推力將超過363.2萬千克。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)以前是用于航天任務(wù)的主引擎，經(jīng)改造后能為新型重型SLS火箭提供所需的額外功率，而新的飛行控制器是發(fā)動(dòng)機(jī)改裝的關(guān)鍵部件。據(jù)稱，SLS重型運(yùn)載火箭芯級采用四臺RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)由洛克達(dá)因公司生產(chǎn)，是歷史上第一臺可重復(fù)使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，也是最可靠、試驗(yàn)次數(shù)最多的大型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)之一。RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)性能穩(wěn)定，作為航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，任務(wù)成功率達(dá)到100%。

壓敏涂料“透視”助推器分離

器的分離進(jìn)行評估。該模型是在4馬赫（時(shí)速約4939千米）的Block 1B飛行器上進(jìn)行測試的。蘭利SLS空氣動(dòng)力學(xué)小組執(zhí)行聯(lián)合負(fù)責(zé)人大衛(wèi)·皮埃塔克稱，“這是一個(gè)重要的氣動(dòng)試驗(yàn)，以確保助推器完全分離時(shí)不會對任務(wù)構(gòu)成危害。” 空氣動(dòng)力試驗(yàn)數(shù)據(jù)對第一級火箭助推器分離很有幫助，這些信息有助于確定在軌分離的時(shí)機(jī)。

蘭利的配置氣動(dòng)分部研究員考特尼·溫斯基稱，“我們對所有推進(jìn)器可能掉落的位置進(jìn)行了測試。”SLS空氣動(dòng)力學(xué)小組執(zhí)行聯(lián)合負(fù)責(zé)人安伯·法瓦瑞表示，固體火箭助推器在SLS的側(cè)面像極粗短的翅膀，在系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方面對火箭運(yùn)行的影響巨大。溫斯基說，“壓敏涂料使工程師獲得分離過程中模型空氣流動(dòng)和分離的圖像，它能夠提供更多的數(shù)據(jù)，包括分離方式和流動(dòng)路徑的影響。”

與此同時(shí)，美國宇航局在弗吉尼亞州的蘭利研究中心用壓敏涂料，對火箭的中部左側(cè)和右側(cè)固體火箭助推

焊接錯(cuò)位首飛后移

蘭利研究中心除了測試火箭助推器的分離，整體規(guī)劃風(fēng)洞還測試一個(gè)類似的SLS模型，這是一個(gè)無人飛行試驗(yàn)。溫斯基表示，這一輪涂料測試“使用高壓空氣模擬SLS排氣，讓我們有機(jī)會用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)來驗(yàn)證非常復(fù)雜的流動(dòng)方向?！彼蕾嚦売?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)值分析，以便于分析和解決問題。風(fēng)洞試驗(yàn)有助于通過計(jì)算來補(bǔ)充和驗(yàn)證數(shù)據(jù)，同時(shí)也可以發(fā)現(xiàn)無法預(yù)料的結(jié)果。

▲ RS-25火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測試

“該火箭必須以每小時(shí)約28163千米的速度到達(dá)預(yù)定軌道，以跨音速和低超音速穿越地球厚厚的低層大氣層，”皮埃塔克說，“因此我們必須進(jìn)行大量的風(fēng)洞地面測試，測量火箭沖破大氣層達(dá)到軌道的氣動(dòng)數(shù)據(jù)?！卑l(fā)射之后，工程師們會繼續(xù)監(jiān)測火箭在實(shí)際發(fā)射條件下的性能。

航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)（SSME）是洛克達(dá)因?yàn)楹教祜w機(jī)設(shè)計(jì)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，在公司內(nèi)部稱為 RS-25。SSME是目前世界最大的分級燃燒氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。為了達(dá)到SLS火箭所需的推力，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)的功率級必須達(dá)到109%，而以往航天飛機(jī)的發(fā)射功率級為104.5%。就70噸的Block 1配置而言，助推器需要提供381.4萬千克的起飛推力，比美國宇航局土星5號登月火箭更強(qiáng)大。據(jù)稱，在過去40年中，RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)在斯坦尼斯進(jìn)行過無數(shù)次試驗(yàn)。

9月份初，液態(tài)氧飛行罐已經(jīng)在新奧爾良州的米秋德裝配廠完成垂直裝配中心機(jī)器人焊接。液態(tài)氧罐經(jīng)過檢查后，被移到另一塊區(qū)域進(jìn)行塞孔焊接，以填補(bǔ)攪拌摩擦焊接過程留下的空洞。引擎、液態(tài)氫罐、內(nèi)罐和液態(tài)氧罐將連接在一起形成約64.6米高的核心結(jié)構(gòu)，這將是SLS火箭的支柱。作為核心結(jié)構(gòu)的主要承包商，波音公司正在焊接液態(tài)氫罐結(jié)構(gòu)——這是SLS和獵戶座第一次集成飛行的最后一個(gè)核心構(gòu)件。液態(tài)氫和液態(tài)氧罐能裝733000加侖推進(jìn)劑，以保證四個(gè)RS-25引擎能產(chǎn)生90.8萬千克以上的推力。RS-25提供的推力可以提供的動(dòng)力是10艘尼米茲級航母以30節(jié)的速度航行所需要電力的兩倍。

好事多磨，由于裝配設(shè)施的主要焊接機(jī)的安裝錯(cuò)位，液態(tài)氫罐的焊接部位變得易碎，在此后不到一周的時(shí)間，裝配廠工人就損壞了核心級液氧罐的后穹窿部分。這些安裝問題使得“勘探任務(wù)-1”時(shí)間表不得不一推再推，原定于2018年第四季度首飛已經(jīng)是不可能的事了。

責(zé)任編輯：陳彩連