一步之遙
——美國最強火箭40年難修正果

□ 潘樂天

一步之遙
——美國最強火箭40年難修正果

□ 潘樂天

發動機完成“大腦”測試

8月30日美國宇航局的工程師完成RS-25發動機飛行控制器的熱點火測試。該發動機將為新的太空發射系統提供動力，以實現最終的火星任務。

據最新消息，美國宇航局的太空發射系統（SLS）首發獵戶座“勘探任務-1”（EM-1）的日期確定為不早于2019年12月15日，“勘探任務-2”將不早于2022年6月1日。根據目前的安排，四個RS-25發動機將被整合到“太空發射系統”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試驗站對RS-25發動機飛行控制器進行了500秒的熱點火試驗。該控制器是發動機的“大腦”，為發動機提供運行和內部健康診斷精度的控制，實現RS-25發動機和SLS之間的通信聯絡。在發射和飛行過程中，控制器與SLS飛行計算機通信，接收關鍵命令并返回發動機健康狀態數據，以確保發動機正常運行。控制器監控發動機的健康狀況時可以通過調節發動機的推力和燃油混合比進行封閉環式管理。此次測試安裝的RS-25發動機控制器大小和室內大冰箱近似，點火方式和時間同實際發射完全一樣。

據稱，最新的發動機控制器可以完成135次航天飛機任務。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液體發動機辦公室航空電子子系統經理拉斯·艾布拉姆斯稱，“你不能把昨天的硬件用到今天的發動機之上，特別是許多航天飛機時代的引擎控制器零件已經停產了。這個引擎需要最新的控制系統，包括發動機執行器、傳感器、連接器和線束等,以滿足SLS的規格和要求。”

今年3月，美國宇航局測試了SLS發動機的第一個飛行控制器單元。該機構在5月底進行第二次飛行控制器單元的夏季測試，隨后又進行了三次額外測試。經過對今年3月和5月的兩次測試數據的審查，兩個控制器被指定用于RS-25發動機。在尼斯進行的RS-25試驗是由美國宇航局、洛克達因公司和衛星空間服務公司的工程師和操作員共同完成的。洛克達因是RS-25的主承包商。衛星空間服務是斯坦尼斯的設施和操作的主承包商。這一系列飛行控制器的測試，是為SLS飛往深空進行無人“勘探任務-1”（EM-1）的必要準備工作。

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

▲ 洛克達因技師檢查發動機控制裝置。該控制裝置是RS-25火箭發動機控制裝置的現代化版本，它的任務是控制發動機的推力和燃油混合比，以及監控發動機的工作狀況，作用類似于車載電腦

每一個SLS火箭發射是四個RS-25發動機同時點火，和一對固體火箭助推器一起工作。美宇航局預計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器協同工作，它的總推力將超過363.2萬千克。RS-25發動機以前是用于航天任務的主引擎，經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動機改裝的關鍵部件。據稱，SLS重型運載火箭芯級采用四臺RS-25發動機，該發動機由洛克達因公司生產，是歷史上第一臺可重復使用火箭發動機，也是最可靠、試驗次數最多的大型火箭發動機之一。RS-25發動機性能穩定，作為航天飛機的主發動機時，任務成功率達到100%。

壓敏涂料“透視”助推器分離

器的分離進行評估。該模型是在4馬赫（時速約4939千米）的Block 1B飛行器上進行測試的。蘭利SLS空氣動力學小組執行聯合負責人大衛·皮埃塔克稱，“這是一個重要的氣動試驗，以確保助推器完全分離時不會對任務構成危害。” 空氣動力試驗數據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機。

蘭利的配置氣動分部研究員考特尼·溫斯基稱，“我們對所有推進器可能掉落的位置進行了測試。”SLS空氣動力學小組執行聯合負責人安伯·法瓦瑞表示，固體火箭助推器在SLS的側面像極粗短的翅膀，在系統動力學方面對火箭運行的影響巨大。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和分離的圖像，它能夠提供更多的數據，包括分離方式和流動路徑的影響。”

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

焊接錯位首飛后移

蘭利研究中心除了測試火箭助推器的分離，整體規劃風洞還測試一個類似的SLS模型，這是一個無人飛行試驗。溫斯基表示，這一輪涂料測試“使用高壓空氣模擬SLS排氣，讓我們有機會用計算流體動力學來驗證非常復雜的流動方向。”它依賴超級計算機進行數據結構和數值分析，以便于分析和解決問題。風洞試驗有助于通過計算來補充和驗證數據，同時也可以發現無法預料的結果。

▲ RS-25火箭發動機點火測試

“該火箭必須以每小時約28163千米的速度到達預定軌道，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，“因此我們必須進行大量的風洞地面測試，測量火箭沖破大氣層達到軌道的氣動數據。”發射之后，工程師們會繼續監測火箭在實際發射條件下的性能。

航天飛機主發動機（SSME）是洛克達因為航天飛機設計的主發動機，在公司內部稱為 RS-25。SSME是目前世界最大的分級燃燒氫氧發動機。為了達到SLS火箭所需的推力，RS-25發動機的功率級必須達到109%，而以往航天飛機的發射功率級為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號登月火箭更強大。據稱，在過去40年中，RS-25發動機已經在斯坦尼斯進行過無數次試驗。

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

好事多磨，由于裝配設施的主要焊接機的安裝錯位，液態氫罐的焊接部位變得易碎，在此后不到一周的時間，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-1”時間表不得不一推再推，原定于2018年第四季度首飛已經是不可能的事了。

責任編輯：陳彩連