陳允宗（北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）為重新具備近地軌道和“國(guó)際空間站”載人往返運(yùn)輸能力，自2010起與美國(guó)多家航天公司合作開展“商業(yè)乘員計(jì)劃”（CCP），研制載人航天運(yùn)輸系統(tǒng)。作為NASA“商業(yè)乘員計(jì)劃”的組成部分，波音公司（Boeing）與NASA簽訂了價(jià)值近50億美元的協(xié)議，用于CST-100“星際客船”（Starliner）的研制與試驗(yàn)。CST-100“星際客船”由乘員艙和服務(wù)艙組成，其乘員艙設(shè)計(jì)可重復(fù)使用10次。為發(fā)射CST-100“星際客船”，美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）專門研制了宇宙神-5 N22（Atlas-5 N22）火箭，其中“N”代表“無整流罩”，第一個(gè)“2”代表一子級(jí)捆綁的2個(gè)固體火箭助推器，第二個(gè)“2”代表“半人馬座”（Centaur）上面級(jí)采用2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。

美國(guó)東部時(shí)間2019年12月20日清晨，宇宙神-5 N22火箭從卡納維拉爾角空軍基地起飛，執(zhí)行首次軌道飛行試驗(yàn)（OFT-1）任務(wù)，成功將CST-100“星際客船”送入預(yù)定軌道。然而，CST-100“星際客船”在箭船分離后因飛船內(nèi)部的任務(wù)時(shí)鐘錯(cuò)誤偏離軌道，無法與空間站交會(huì)。其乘員艙在美國(guó)東部時(shí)間22日07:58:02著陸白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)。CST-100“星際客船”原定8天的首次軌道飛行試驗(yàn)被迫縮短到2天。

1 任務(wù)情況

發(fā)射情況

宇宙神-5 N22火箭在卡納維拉爾角空軍基地使用第41號(hào)航天發(fā)射綜合設(shè)施（SLC-41）執(zhí)行本次任務(wù)，采用“簡(jiǎn)潔發(fā)射工位”（clean pad）操作方案，即火箭在垂直總裝設(shè)施（VIF）起豎火箭一子級(jí)，捆綁助推器，組裝上面級(jí)和飛船，在發(fā)射前用活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)將箭船組合體運(yùn)往相距548m的發(fā)射工位。這種操作方式與航天飛機(jī)在肯尼迪航天中心的操作類似。發(fā)射工位上只進(jìn)行低溫推進(jìn)劑的加注和最終檢查，可在1天內(nèi)完成發(fā)射。

從2019年11月4日開始，ULA公司在垂直總裝設(shè)施內(nèi)組裝火箭，先在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上起豎火箭一子級(jí)，然后安裝2個(gè)固體助推器，隨后吊裝“半人馬座”上面級(jí)，之后對(duì)火箭進(jìn)行系列發(fā)射前檢查；11月19日，ULA公司、波音公司和NASA進(jìn)行任務(wù)演練，模擬倒計(jì)時(shí)程序；11月21日，飛船吊裝到火箭上。

發(fā)射倒計(jì)時(shí)操作

12月18日，宇宙神-5 N22火箭轉(zhuǎn)運(yùn)到卡納維拉爾角空軍基地第41號(hào)航天發(fā)射綜合設(shè)施。19日19:16，火箭發(fā)射倒計(jì)時(shí)啟動(dòng)，開始加注液氫和液氧（火箭一子級(jí)此前已完成煤油燃料加注）。在發(fā)射前幾分鐘，火箭再次接受檢查，確認(rèn)所有系統(tǒng)運(yùn)行正常后，T-4min內(nèi)置暫停解除，倒計(jì)時(shí)繼續(xù)。

起飛前3s，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RD-180點(diǎn)火并將推力調(diào)節(jié)到390t，然后2個(gè)固體助推器點(diǎn)火；美國(guó)東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間06:36:43，火箭從發(fā)射工位起飛。

為與空間站軌道匹配，火箭朝東北轉(zhuǎn)向。在起飛后66s，火箭超越音速。由航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）研制的2個(gè)固體助推器點(diǎn)火工作90多秒，為火箭初始爬升段提供額外的推力。2個(gè)固體火箭助推器殼體在T+2min22s分離，落入大西洋。

火箭因液體推進(jìn)劑消耗而變得更輕。此時(shí)，RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)按制導(dǎo)計(jì)算機(jī)指令節(jié)流，確保飛船的過載限制在3.5G左右。在T+4min29s，火箭一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉，6s后與二子級(jí)分離。在T+4min41s，CST-100“星際客船”前部對(duì)接機(jī)構(gòu)的上升段保護(hù)罩分成兩部分拋離；在T+4min45s，“半人馬座”上面級(jí)的2臺(tái)RL10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，產(chǎn)生總計(jì)20t推力。

在本次無人試飛中，飛船的發(fā)射中止發(fā)動(dòng)機(jī)不工作。緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（EDS）設(shè)置了中止“觸發(fā)”功能。緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在發(fā)射期間監(jiān)視關(guān)鍵參數(shù)，可在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)發(fā)出中止命令，將飛船推離火箭。

T+5min5s，即“半人馬座”上面級(jí)點(diǎn)火工作初期，飛船底部的氣動(dòng)裙段被釋放并墜落。ULA公司和波音公司在2016年研制設(shè)計(jì)了氣動(dòng)裙段，以解決在風(fēng)洞試驗(yàn)期間發(fā)現(xiàn)的氣動(dòng)力學(xué)問題。該結(jié)構(gòu)長(zhǎng)1.8m，安裝在“半人馬座”的頂部，在發(fā)射過程中它緊靠CST-100“星際客船”底部。

“半人馬座”上面級(jí)RL10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作7min多，將CST-100“星際客船”加速到臨近進(jìn)入地球穩(wěn)定軌道所需的速度。本次任務(wù)采用了乘員友好的淺軌跡，星箭在遠(yuǎn)地點(diǎn)181km、近地點(diǎn)72km、傾角51.6°的亞軌道分離。分離軌道近地點(diǎn)仍處于地球大氣層內(nèi)。這意味著CST-100“星際客船”此時(shí)無需額外機(jī)動(dòng)就可再入大氣層并返回地球。

火箭發(fā)射飛行任務(wù)圖

飛船的在軌操作與著陸

箭船分離后，CST-100“星際客船”因機(jī)載系統(tǒng)誤讀導(dǎo)致其計(jì)時(shí)系統(tǒng)故障，未能在正確的時(shí)刻啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，偏離了航向。美國(guó)東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間20日07:40，飛船被探測(cè)到處于穩(wěn)定軌道。后來證實(shí)，飛船當(dāng)時(shí)處于187km×222km的軌道上。NASA和波音公司曾試圖發(fā)送命令使飛船重回正軌，但因飛船當(dāng)時(shí)所在位置是2顆“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）切換通信信號(hào)的地方，而未能阻止飛船進(jìn)行錯(cuò)誤機(jī)動(dòng)。20日08:55，任務(wù)控制人員發(fā)現(xiàn)飛船消耗了過多的燃料，無法到達(dá)“國(guó)際空間站”。20日09:00，NASA舉行新聞發(fā)布會(huì)稱該問題不是由運(yùn)載火箭引起的，而是飛船的任務(wù)時(shí)鐘錯(cuò)誤造成的。飛船如果有機(jī)組人員，則可避免該錯(cuò)誤。NASA在后續(xù)的新聞發(fā)布會(huì)上稱：任務(wù)時(shí)鐘差了11h。NASA和波音公司重新制定飛行計(jì)劃，將試驗(yàn)任務(wù)從8天減少到2天。

22日，飛船執(zhí)行離軌操作并進(jìn)入地球大氣層，隨后成功展開降落傘。22日07:58:02，乘員艙利用安全氣囊成功降落在白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)。

任務(wù)有效載荷

本次試驗(yàn)為CST-100“星際客船”的首次無人試飛，配備了穿著波音公司定制飛行服的仿人測(cè)試裝置（ATD）。該裝置被命名為“羅西”（Rosie）。乘員艙配重與載人任務(wù)相同，攜帶了約270kg物資和設(shè)備，包括史努比毛絨玩具和送給61號(hào)遠(yuǎn)征隊(duì)航天員的節(jié)日禮物。由于無法與“國(guó)際空間站”對(duì)接，這些貨物未能送達(dá)。

宇宙神-5 N22火箭組成

2 宇宙神-5 N22火箭

宇宙神-5 N22火箭為二級(jí)結(jié)構(gòu)，安裝CST-100“星際客船”后全長(zhǎng)約52m?；鸺蛔蛹?jí)采用俄羅斯進(jìn)口RD-180液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)提供推力，外部捆綁2枚AJ-60A固體助推器；火箭二子級(jí)采用2臺(tái)RL10A-4-2氫/氧發(fā)動(dòng)機(jī)，故被稱作“雙發(fā)動(dòng)機(jī)型‘半人馬座’上面級(jí)”。

一子級(jí)

火箭一子級(jí)為通用助推器芯級(jí)（CBC），高32m，直徑3.8m，加注液氧/煤油，采用RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)。RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙推力室，推力390t，可連續(xù)節(jié)流，具備控制氣門致動(dòng)和推力矢量平衡架的液壓系統(tǒng)。芯級(jí)貯箱采用鋁合金網(wǎng)格壁板、旋壓成型鋁合金箱底以及箱間裙段。

固體火箭助推器

火箭一子級(jí)外捆綁2枚AJ-60A固體火箭助推器，以獲得足夠的推力。AJ-60A由航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司研制，直徑1.58m、高20m、推力約為172t，采用環(huán)氧石墨復(fù)合材料殼體。固體助推器通過推力器實(shí)現(xiàn)分離。

400系列級(jí)間適配器

火箭利用400系列級(jí)間適配器實(shí)現(xiàn)一子級(jí)和二子級(jí)的連接，并為二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和一子級(jí)貯箱頂部之間留出安全的空間。

雙發(fā)動(dòng)機(jī)型“半人馬座”上面級(jí)

雙發(fā)動(dòng)機(jī)型“半人馬座”上面級(jí)直徑3.1m、高12.7m，推進(jìn)劑為液氫/液氧，貯箱采用內(nèi)壓穩(wěn)定設(shè)計(jì)，材料為抗腐蝕不銹鋼。宇宙神-5系列火箭在宇宙神-5 N22火箭之前的型號(hào)都在“半人馬座”上面級(jí)上采用單臺(tái)RL10C-1發(fā)動(dòng)機(jī)，其推力為10t。為執(zhí)行CST-100“星際客船”發(fā)射任務(wù)，宇宙神-5 N22火箭在“半人馬座”上面級(jí)上采用了2臺(tái)RL10A-4-2發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力為20t。雙發(fā)動(dòng)機(jī)“半人馬座”上面級(jí)的低溫貯箱采用氦吹掃隔熱毯、防輻射屏和閉孔發(fā)泡材料實(shí)現(xiàn)隔熱。

CST-100“星際客船”發(fā)射任務(wù)采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)“半人馬座”上面級(jí)的主要目的是改善上升段軌跡。ULA公司負(fù)責(zé)CST-100“星際客船”計(jì)劃的任務(wù)經(jīng)理卡萊布·韋斯說：“上面級(jí)采用2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)可獲得額外的推力，實(shí)現(xiàn)較淺的軌跡。如果我們不得不中止載人任務(wù)時(shí)，這種較淺軌跡將更加安全。我們?cè)谲壍涝O(shè)計(jì)時(shí)，可以利用額外的推力來提升乘員安全。”

“半人馬座”上面級(jí)自1962年投入使用，共完成255次發(fā)射任務(wù)，其中168次任務(wù)是采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)。早期“宇宙神”火箭家族曾采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)型“半人馬座”上面級(jí)執(zhí)行過100多次發(fā)射任務(wù)，上一次是宇宙神-2AS火箭在2001年8月31日采用雙發(fā)動(dòng)機(jī)型“半人馬座”上面級(jí)執(zhí)行類星體-15（SDS-15）發(fā)射任務(wù)。

緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是監(jiān)測(cè)火箭，探查威脅乘員安全的故障情況，提前向乘員發(fā)送信號(hào)，確保乘員能夠及時(shí)中止任務(wù)逃逸。乘員還能利用該系統(tǒng)的界面在飛船內(nèi)啟動(dòng)任務(wù)中止程序。為創(chuàng)造安全的中止環(huán)境，緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可關(guān)閉上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)或芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。如果地面或執(zhí)行飛行任務(wù)的乘員認(rèn)為條件允許，可以命令緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不執(zhí)行中止操作。因宇宙神-5 N22火箭為一次性使用火箭，緊急監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只監(jiān)測(cè)危害乘員安全的事件。

運(yùn)載火箭適配器和氣動(dòng)裙段

運(yùn)載火箭適配器（LVA）為CST-100“星際客船”與火箭提供結(jié)構(gòu)連接。運(yùn)載火箭適配器使用桁架結(jié)構(gòu)和金屬環(huán)將飛船連接到“半人馬座”上面級(jí)上。

氣動(dòng)裙段為金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)1.8m，可延長(zhǎng)CST-100“星際客船”的氣動(dòng)力學(xué)表面，改善火箭氣動(dòng)力學(xué)特性、穩(wěn)定性和載荷情況，火箭一子級(jí)分離后，氣動(dòng)裙段與飛船分離。如果出現(xiàn)緊急情況，氣動(dòng)裙段可為發(fā)射中止發(fā)動(dòng)機(jī)羽流提供排放通道，幫助CST-100“星際客船”乘員艙和服務(wù)艙與火箭分離。

3 發(fā)射綜合設(shè)施的相關(guān)改造工作

對(duì)載人航天任務(wù)而言，乘員進(jìn)出塔與應(yīng)急逃生通道是發(fā)射場(chǎng)改造工作的重點(diǎn)。為發(fā)射波音公司CST-100“星際客船”，將航天員運(yùn)送到“國(guó)際空間站”， ULA公司改造了卡納維拉爾角空軍基地第41號(hào)航天發(fā)射綜合設(shè)施，專門新建了乘員進(jìn)出塔和滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)等。

新建乘員進(jìn)出塔

乘員進(jìn)出塔在發(fā)射工位附近分段建造，然后搭建在一起，形成了近60.9m高的結(jié)構(gòu)。乘員進(jìn)出擺臂連接在乘員進(jìn)出塔的12層，在發(fā)射工位甲板上方約52.4m處。該擺臂質(zhì)量約40.8t，長(zhǎng)度將近15.2m，配備了電子、數(shù)據(jù)、照明和流體等系統(tǒng)。為給航天員在登上飛船之前提供一個(gè)準(zhǔn)備過渡的空間，對(duì)航天服進(jìn)行了最后的調(diào)整，ULA公司修建了一個(gè)名為“白屋”的潔凈間，此處可防止污染物進(jìn)入飛船和航天服內(nèi)。未來，航天員可利用乘員進(jìn)出擺經(jīng)過“白屋”進(jìn)入宇宙神-5火箭上方的CST-100“星際客船”內(nèi)。

滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)

在乘員進(jìn)出塔的12層還設(shè)有“滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)”。“滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)”具備4個(gè)獨(dú)立的滑索，其上各配置了5個(gè)座位。當(dāng)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況時(shí)，“滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)”可供包括航天員和地面支持人員在內(nèi)的20名人員從塔中迅速逃脫。借助該系統(tǒng)，航天員和地面人員可以撤離到距發(fā)射工位408m以外的地方著陸。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)還考慮到航天員厚重的航天服問題，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的逃生座椅可供航天員方便進(jìn)出，同時(shí)附有易于操作的手柄，可控制向下滑動(dòng)的速度。

4 小結(jié)

“宇宙神”火箭家族已有40多年的歷史，宇宙神-5系列火箭為美國(guó)現(xiàn)役主力運(yùn)載火箭。該系列火箭具有優(yōu)良的發(fā)射記錄，自2002年8月21日首飛以來，已完成了83次發(fā)射任務(wù)，除1次部分成功外，其余全部成功。

為滿足NASA“商業(yè)乘員計(jì)劃”對(duì)于載人火箭安全性能的要求，ULA公司在以往技術(shù)基礎(chǔ)上，通過增強(qiáng)火箭性能、融合故障冗余能力、提升可靠性，成功研制出了宇宙神-5 N22火箭。雖然CST-100“星際客船”首次軌道飛行試驗(yàn)因飛船原因未能實(shí)現(xiàn)與“國(guó)際空間站”成功對(duì)接的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，但宇宙神-5 N22火箭成功實(shí)現(xiàn)首飛，火箭與CST-100“星際客船”的集成、發(fā)射和飛行操作均得到驗(yàn)證。

繼CST-100“星際客船”2019年12月22日著陸白沙導(dǎo)彈靶場(chǎng)后，NASA和波音公司開展了長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月的調(diào)查。2020年4月6日，波音公司宣布將調(diào)整計(jì)劃，增加CST-100“星際客船”第2次軌道飛行試驗(yàn)。ULA公司表示將為波音公司CST-100“星際客船”第2次軌道飛行試驗(yàn)提供支持。

ULA公司曾在2019年6月將1枚宇宙神-5 N22火箭的硬件部段運(yùn)抵卡納維拉爾角，原計(jì)劃用于CST-100“星際客船”的首次載人飛行試驗(yàn)（CFT-1）。因計(jì)劃調(diào)整，ULA公司打算用這枚火箭執(zhí)行CST-100“星際客船”第2次軌道飛行試驗(yàn)任務(wù)。ULA公司在聲明中稱：火箭硬件已在卡納維拉爾角準(zhǔn)備就緒，只待波音公司、NASA、ULA公司商定發(fā)射日期。