張綠云 楊開(北京航天長征科技信息研究所)

況下的安全狀態(tài)復(fù)位操作；②驗證發(fā)射倒計時過程中肯尼迪39 綜合發(fā)射設(shè)施以及發(fā)射控制中心的發(fā)射支持能力，并驗證在發(fā)射當(dāng)天與發(fā)射控制團(tuán)隊、輔助發(fā)射團(tuán)隊、第45 德爾他航天部隊東靶場、網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)計中心之間的連接能力。

次要目標(biāo)有：①驗證肯尼迪發(fā)射控制中心與馬歇爾SLS 工程支持中心、第45 航天部隊德爾他操作中心以及約翰遜飛行控制與任務(wù)評估室之間的通信、電視以及遙測接口性能；②收集“獵戶座”（Orion）飛船、SLS 火箭以及活動發(fā)射平臺發(fā)射配置下的載荷數(shù)據(jù)、低溫加注與泄出過程中產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和熱數(shù)據(jù)以及發(fā)射系統(tǒng)性能相關(guān)圖像；③驗證發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射場內(nèi)轉(zhuǎn)運、發(fā)射倒計時以及發(fā)射窗口的操作時序與流程，完成一次循環(huán)和下一個T﹣0 重置；④在計劃的飛行終止系統(tǒng)測試期間，收集有關(guān)電磁干擾和與飛行器以及第45 德爾他航天部隊東靶場系統(tǒng)的兼容性方面的數(shù)據(jù)；⑤集合并集結(jié)消防救援隊、醫(yī)療隊以及其他發(fā)射支持團(tuán)隊。

3 SLS 首飛箭加注合練故障情況與解決方案

第一、二、三次加注合練

2022 年4 月1 日，NASA 計劃開始SLS 火箭推進(jìn)劑加注合練和T﹣10s 前的倒計時演練，但因強雷電天氣而推遲到4 月3 日。不過，3 日的嘗試在加注還沒開始便被叫停，原因是活動發(fā)射平臺上的1 臺電扇出現(xiàn)斷路器故障，無法為活動發(fā)射平臺密閉區(qū)域提供正壓并阻擋有害氣體。之后，地面團(tuán)隊設(shè)置主風(fēng)扇和輔助風(fēng)扇予以解決。

4月4日7:40，NASA的阿爾忒彌斯－1（Artemis－ 1）任務(wù)團(tuán)隊再次開始SLS 首飛箭芯級與過渡型低溫上面級的低溫推進(jìn)劑加注合練，按計劃在當(dāng)天14:40 結(jié)束。但是，在加注之前，用于液氧管路冷卻的氮氣供應(yīng)中斷。在更新了液氧加注程序后，地面團(tuán)隊在10:52 重新啟動了試驗流程，計劃在18:02 結(jié)束。液氧加注過程很順利，但在進(jìn)行管路冷卻、為液氫加注做準(zhǔn)備的過程中，活動發(fā)射平臺上控制芯級排氣閥門的面板出現(xiàn)問題，NASA 在17:00 中止了加注流程。隨后，NASA 試驗隊中止加注合練，并泄出已經(jīng)加注的液氧。因為液氧加注量達(dá)到了50%，本次試驗在一定程度上驗證了加注流程。

在解決了氮氣供應(yīng)問題后，4 月14 日8:05，發(fā)射主管批準(zhǔn)了SLS 首飛箭的第三次加注合練。在液氧慢速加注過程中，液氧溫度讀數(shù)顯示高于預(yù)期值，發(fā)射控制器自動中止液氧加注。經(jīng)過近2h 的故障排除后，發(fā)射控制器恢復(fù)運行，液氧管路冷卻和加注重新啟動，在加注過程中根據(jù)需要調(diào)整泵速和打開閥門，確保溫度保持在極限值以下。在開始液氫快速加注時，壓力驟增，液氫加注自動中止。地面團(tuán)隊開始解決問題，同時暫停液氧加注。在故障得以排除后，加注流程重新啟動。不過，在隨后的液氫加注過程中，控制人員發(fā)現(xiàn)連接芯級和活動發(fā)射平臺底部的尾部服務(wù)桿出現(xiàn)泄漏，加注合練因此終止。在結(jié)束試驗之前，NASA 組織完成了上面級的推進(jìn)劑管路冷卻操作，完成了既定的試驗?zāi)繕?biāo)。本次試驗中，芯級液氧加注量達(dá)到49%，而液氫加注量為5%。

在第三次試驗之后，NASA 決定將SLS 發(fā)射系統(tǒng)運回垂直總裝大樓，以解決多個技術(shù)故障。

在這三次試驗中，主要出現(xiàn)了以下4 個技術(shù)問題。故障情況及原因與解決方案如下：

1）第二次試驗中，排氣閥未能正常打開。對此，NASA 對活動發(fā)射平臺內(nèi)的一個調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了更換。不過，工程技術(shù)人員隨后發(fā)現(xiàn)過渡型低溫上面級氦吹除壓力保持出現(xiàn)問題。隨后，NASA 將這一故障定位在上面級止回閥上。在應(yīng)對措施方面，NASA 選擇對加注作業(yè)程序進(jìn)行修改，減少下一次加注合練中上面級的推進(jìn)劑加注量，并決定在首飛箭完成測試并返回垂直總裝大樓后更換故障閥門。在更換故障閥門的過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，上面級止回閥無法正常關(guān)閉是由于上面級與活動發(fā)射平臺快速斷開裝置上已損壞的O 型橡膠密封圈松動并進(jìn)入止回閥所致。在解決方案方面，主要更換止回閥、快速斷開系統(tǒng)的地面與飛行側(cè)連接結(jié)構(gòu)以及止回閥下端的支撐硬件。

2）在第二次試驗中，試驗人員在上面級與活動發(fā)射平臺連接臍帶快速斷開裝置中的封閉區(qū)域檢測到外部空氣。該區(qū)域通過高溫氦氣進(jìn)行吹除，避免斷開裝置結(jié)冰，其設(shè)計方案為：向上滑動接觸箭體表面的面板，無密封，通過氣體正壓避免外部空氣的吸入。這一問題的產(chǎn)生可能是在采用低溫氣體濕潤機油箱的過程中吸入了空氣。在解決方案方面，主要在箭體上設(shè)置平滑的機加工表面基座，并確保上面級臍帶臂吹除裝置與這一基座的連接；增加有害氣體檢測器，可在低溫操作期間對任何潛在的泄漏進(jìn)行預(yù)測，避免出現(xiàn)錯誤警報。

3）在第三次試驗中，試驗人員在活動發(fā)射平臺上尾部服務(wù)桿吹除裝置（兩件翻蓋式結(jié)構(gòu)）中發(fā)現(xiàn)了液氫泄漏。經(jīng)過檢查，這一泄漏是由于推進(jìn)劑加注與排放管路法蘭上的螺栓松動所致。在解決方案方面，技術(shù)人員對所有接頭進(jìn)行了泄漏檢查，并重新擰緊了氫箱、氧箱與箱間段臍帶纜上的法蘭螺栓以及墊圈緊固件；作為預(yù)防措施，對尾部服務(wù)桿上的一個重型懸臂式過濾器（用于過濾吹除管路中的氮氣污染物）的位置進(jìn)行了重新設(shè)置；更新軟件，解決芯級在加注推進(jìn)劑時遇到的問題。

4）第三次試驗之后，氮氣供應(yīng)不足直接導(dǎo)致SLS 發(fā)射系統(tǒng)被移回垂直組裝大樓。在解決方案方面，氮氣供應(yīng)公司——液化空氣集團(tuán)（Air Liquide）著力升級其供應(yīng)設(shè)施，除了使用已有的蒸汽設(shè)施外，增加空氣交換器（即大型冷卻塔設(shè)施），提升液氮氣化能力，未來可滿足32h 的長時間測試需求。

第四次加注合練

美國東部時間2022 年6 月20 日，NASA 在肯尼迪航天中心39B 發(fā)射工位進(jìn)行了SLS 首飛箭的第四次推進(jìn)劑加注合練和終端倒計時演練，完成了115 項試驗?zāi)繕?biāo)。本次試驗中，芯級與上面級液氧貯箱和液氫貯箱的推進(jìn)劑加注工作全部完成，共加注2032.8m；第一部分倒計時演練也順利完成，且倒計時控制成功由地面發(fā)射時序器切換到由SLS 火箭飛行計算機控制的自動發(fā)射時序器。不過，SLS 箭上計算機隨后檢測到4 臺RS－25 芯級發(fā)動機沒有達(dá)到預(yù)定的點火溫度，在T﹣29s 時停止了倒計時流程。

經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析與評估，NASA 認(rèn)為本次試驗已經(jīng)完成了主要試驗?zāi)繕?biāo)，而其中未能成功進(jìn)行的12 項試驗?zāi)繕?biāo)（T﹣0 臍帶脫落、發(fā)動機吹除排氣參數(shù)等）也已經(jīng)在之前的試驗中基本得到了驗證。至于本應(yīng)在T﹣28s 進(jìn)行的助推器尾裙段液壓動力裝置激活試驗，NASA 于3 天后在發(fā)射工位進(jìn)行了助推器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試，對液壓動力裝置進(jìn)行了點火試驗。隨后，技術(shù)人員從動力裝置中排出了肼燃料?；谏鲜鲈u估結(jié)果，NASA 宣布SLS 首飛系統(tǒng)加注合練任務(wù)成功完成，可以開始阿爾忒彌斯－1 任務(wù)飛行準(zhǔn)備。

本次試驗中，共計出現(xiàn)了以下7 個技術(shù)故障，故障情況及解決方案如下：

1）在發(fā)射平臺尾部服務(wù)桿液氫預(yù)冷排放管路快速斷開裝置（直徑為0.1016m）的飛行板與接地板之間的空腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)液氫泄漏，且泄漏呈快速上升趨勢。在泄漏率達(dá)到極限值（4%）之前，操作員打開了氫箱頂部的排氣閥，降低了壓力，泄漏率被控制在3.9%。之后，試驗人員關(guān)閉了液氫加注與排放管路，保持預(yù)冷排放管路的開啟狀態(tài)，并進(jìn)行了加壓，結(jié)果是又檢測到液氫泄漏。隨后，工作人員對該斷開裝置進(jìn)行了加熱、冷卻操作，試圖重建密封，但仍未能成功。最后，試驗團(tuán)隊決定只進(jìn)行一次終端倒計時演練，并關(guān)閉預(yù)冷排放管路。這一措施導(dǎo)致無法完成芯級發(fā)動機預(yù)冷程序，發(fā)動機段溫度數(shù)值達(dá)不到預(yù)定值。隨后，試驗人員重新配置了地面計算機中的軟件以屏蔽發(fā)動機段的溫度數(shù)值，使得后續(xù)加注操作與倒計時演練可以繼續(xù)進(jìn)行。

經(jīng)過分析，液氫泄漏的主要原因是密封件材料的使用時長。這種特氟隆密封件從2020 年開始就安裝在箭體上，已經(jīng)超過2 年沒有進(jìn)行更換。在解決方案方面，除了對預(yù)冷排放管路臍帶斷開裝置的密封件進(jìn)行更換外，工程人員還決定更換液氫加注與排放管路快速斷開裝置的密封件，作為防止泄露的附加措施。

2）工作人員還發(fā)現(xiàn)了以下6 個技術(shù)問題：①在距離發(fā)射工位約1 英里處，支持設(shè)施中的地面氮氣系統(tǒng)上的閥門控制器出現(xiàn)故障。技術(shù)人員更換了閥門組件，不過這導(dǎo)致芯級加注比預(yù)定時間晚2h 進(jìn)行。②芯級液氧輸送管路上的加熱器出現(xiàn)故障，工程師試圖進(jìn)行控制，但加熱器仍關(guān)閉。加熱器用于對輸入芯級發(fā)動機段的液氧進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。工程師表示，該問題比較容易修復(fù)，并補充說明其可能是一個指令的問題，而不是硬件故障。③壓力值達(dá)到極限，導(dǎo)致過渡型低溫上面級（ICPS）液氧加注暫停了一段時間。④“獵戶座”飛船上的視頻播放系統(tǒng)也出現(xiàn)故障。如果這發(fā)生在發(fā)射當(dāng)天，發(fā)射團(tuán)隊可以通過備用方案予以解決，并繼續(xù)進(jìn)行倒計時。⑤助力轉(zhuǎn)向裝置電阻低于預(yù)期數(shù)據(jù)，但經(jīng)過額外的分析，該讀數(shù)并不存在問題。⑥發(fā)射工位附近煙道（用于燃燒多余氫氣）處發(fā)生了小火災(zāi)。

4 小結(jié)

盡管進(jìn)行了4 次加注合練，但NASA 并未完成全部試驗?zāi)繕?biāo)，而是基于前期芯級動力系統(tǒng)試車數(shù)據(jù)，通過了飛行準(zhǔn)備評審，這也給SLS－ 1 首飛故障埋下了伏筆。在8 月29 日進(jìn)行的首飛中，芯級一臺發(fā)動機預(yù)冷出現(xiàn)問題，而該預(yù)冷系統(tǒng)的性能并未在加注試驗中得到試驗驗證。這說明，對于運載火箭，測試目標(biāo)的全覆蓋非常重要，是保障飛行安全的必要途徑。

美國SLS 重型運載火箭在發(fā)射前經(jīng)歷了4 次加注合練，暴露出了13 個技術(shù)故障，如：活動發(fā)射平臺排氣閥門調(diào)節(jié)裝置失效、平臺箭體連接裝置密封件損壞以及材料使用超年限、液體管路螺栓松動、氮氣供應(yīng)不足等。而且，SLS 兩次發(fā)射過程中也出現(xiàn)了液氫輸送管路連接處泄漏問題。這些技術(shù)故障基本都與活動發(fā)射平臺以及地面支持系統(tǒng)相關(guān)，這也警示，在火箭產(chǎn)品設(shè)計過程中也要充分重視地面系統(tǒng)設(shè)計以及產(chǎn)品質(zhì)量。