美國SLS重型運載火箭最新進展分析

任奇野 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

“航天發射系統”（SLS）為美國新一代重型運載火箭，將用于執行近地軌道及以遠區域深空探索任務。該項目于2011年啟動，已通過關鍵設計評審（CDR），火箭各主要部段正在開展制造、試驗工作。項目開展至今，雖然遭遇諸多工程技術挑戰，但也取得了穩步進展。

1 引言

特朗普就任美國總統后，于2017年6月下令重建國家航天委員會，任命副總統彭斯為委員會主席。10月5日，彭斯在該委員會第一次會議期間宣布要重振美國航天的未來，包括載人登月和建立永久性月球基地，并指示美國國家航空航天局（NASA）制定載人探月規劃，將月球作為火星等深空任務的“踏腳石、訓練場及加強商業和國際合作的場所”。彭斯還指出，“美國將在人類重返月球開展長期探測方面發揮領導作用，隨后再對火星和其他目的地進行載人探測?！迸硭沟奶嶙h得到了軌道-ATK公司、美國太空探索技術公司（SpaceX）等業內巨頭的支持。12月11日，特朗普在白宮簽署航天政策指令，宣布美國航天員將重返月球并最終前往火星。

作為執行美國載人深空探測任務的新一代重型運載火箭，SLS將在重返月球計劃中繼續發揮重要的運輸作用。SLS火箭共有3種構型：SLS-1、SLS-1B和SLS-2。目前，NASA正在開展火箭各部段的制造、試驗等工作，計劃在2019年底實現首次“探索任務”（EM-1）。SLS-1型將采用五段式固體助推器、通用芯級和過渡型低溫上面級（ICPS），可實現70t近地軌道運載能力和30t月球軌道運載能力。后續通過采用“探索上面級”（EUS）替換過渡型低溫上面級形成SLS-1B，近地軌道運載能力將達105t，月球軌道運載能力達40t。在SLS-1B的基礎上，再通過使用先進助推器替代五段式固體助推器，可以實現130t的近地軌道運載能力。

2 SLS重型火箭最新進展

RS-25發動機

SLS火箭3種構型都采用RS-25作為通用芯級發動機，每個芯級安裝4臺發動機，在火箭上升段為芯級提供推力，每臺發動機可以產生約2320kN的真空推力，總推力約8900kN。RS-25由航天飛機主發動機（SSME）改進而來，現有庫存18臺，其中2臺作為研制用發動機，16臺為飛行用發動機。SLS火箭前4次飛行計劃使用庫存的16臺可重復使用的RS-25D發動機，自第5次任務開始，將采用改進后的一次性使用RS-25E發動機，改進后的發動機性能與RS-25D相當。NASA已向航空噴氣-洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）授出11.6億美元合同，將可重復使用RS-25D發動機改為一次性使用發動機，并進行熱試車。改進后的發動機精簡了零部件和焊接點，推力可達到額定功率的109%，成本降低30%。

SLS火箭各構型設計

為滿足SLS性能需求，NASA從2015年1月對改進后的發動機進行了熱試車，重點對新型控制器及防熱材料進行了試驗。2017年，NASA共進行了8次飛行控制器試驗，每次點火持續時間500s。截至2017年12月31日，SLS首飛用4臺發動機已完成飛行準備工作，即將與芯級集成，為發射前的最終測試做準備。之后，4臺發動機將在改裝后的B-2試驗臺上進行聯合試車。

RS-25發動機熱點火試車情況

芯級

SLS芯級是目前世界上最大的火箭推進級，高64.6m，直徑8.4m，由波音公司制造。主要分為5部分：前裙段、液氧貯箱、箱間段、液氫貯箱和發動機段。各部分通過環狀連接件連接以保證強度，芯級結構主要材料采用鋁合金2219。

芯級前裙段為芯級與上面級的接口，主要用于安裝包括飛行計算機在內的火箭電子設備。前裙結構內有由發動機艙段延伸至前裙的氣態氧增壓管路，殼體上設有氣態氧排氣管路安裝點和開口。SLS-1型和SLS-1B型的接口及臍帶開口設計相同。

液氧貯箱位于前裙與箱間段之間，可貯存742m3低溫液氧（-183℃）。液氧貯箱由2個箱底、2個Y型環和2個筒段組成，筒段內表面為正交網格，液氧貯箱內還裝有推進劑感應器及防晃板。

箱間段用于連接芯級液氧貯箱和液氫貯箱，是芯級厚度最大的結構，也是芯級唯一一個采用螺栓連接的部段。部段內有由發動機艙段延伸至液氫貯箱的氣態氫增壓管路。火箭航電設備放置于箱間段內壁擱板上。五段式固體助推器與芯級的上連接點位于箱間段上。

液氫貯箱位于箱間段和發動機艙段之間，直徑8.4m，高度超過39.6m，可貯存2033m3液氫（-253℃）。液氫貯箱由2個箱底、2個Y型環和5個筒段組成，每個筒段高6.7m、質量4.1t，箱底則由12塊鋁合金瓜瓣焊接而成。箱體外部光滑，內壁為正交網格。箱底和筒段經攪拌摩擦焊工藝焊接在一起后，通過塞焊消除攪拌摩擦焊匙孔并修復焊接缺陷。匙孔的直徑約25mm。液氫貯箱內壁還裝有推進劑感應器。

發動機艙段內置4臺RS-25發動機、氫氧輸送管路、主推進系統部件、推力矢量控制部件和航電部件。五段式固體助推器與芯級的下部連接點位于發動機艙段上。發動機筒段內表面采用三角形網格。

截至2017年12月31日，用于EM-1任務的5個芯級部段飛行件已制造完畢，計劃在2018年秋天完成芯級組裝，并運往斯坦尼斯準備于2019年初進行芯級首次試驗。發動機艙段試驗件已于2017年5月安裝在馬歇爾航天中心結構試驗臺上。液氫貯箱、液氧貯箱、箱間段試驗件計劃于2018年運往該中心進行結構試驗。

五段式固體火箭發動機性能參數

五段式固體助推器

SLS-1型和SLS-1B型火箭配備的五段式助推器由軌道-ATK公司[后由諾格公司（Northrop Grumman）收購]研制并生產，繼承了航天飛機固體助推器的很多硬件和設計，如：前裙、金屬外殼、尾裙和推力矢量控制系統。改進之處在于：采用無石棉隔熱層，增大噴管直徑以適應更大的內部壓力，采用新的控制設備和推進劑藥柱等。芯級和助推器的連接點也比航天飛機外貯箱的連接點更低。相比于航天飛機四段式固體助推器，該助推器的推力提高了20%，比沖提高了24%。

2015-2016年，五段式固體火箭助推器完成了2次全工況地面鑒定試驗QM-1和QM-2，測試助推器在極限溫度條件下的性能。QM-1為高溫極值試驗，助推器加熱至32℃后持續點火2min，共產生約16014kN推力，試驗過程中，助推器內部溫度高達3093℃。在QM-2試驗中，助推器冷卻至4.4℃后點火，試驗時長126s，內部溫度達3300℃，助推器尾焰速度達到馬赫數3。低溫試驗是SLS-1首飛前固體助推器進行的最后一次全工況點火試驗。

RL10B-2發動機性能參數

現階段，SLS-1型火箭首飛使用的固體火箭助推器已進入全面生產階段。所有發動機部段制造完成后，將運至肯尼迪航天中心與前裙和尾裙集成，并安裝在芯級兩側。2017年10月，助推器航電系統完成了系統級鑒定試驗。

過渡型低溫上面級

過渡型低溫上面級是SLS-1型二子級，由德爾他-4（Delta-4）火箭低溫二子級改進而來。過渡型低溫上面級高13.7m，最大直徑5.0m，總質量約31t，結構質量約3.5t，推進劑最大加注量約為27t，采用單臺RL10B-2發動機提供動力。液氧貯箱直徑4m，液氫貯箱直徑5m，分別用氮氣和氫氣增壓，液氧貯箱通過箱間桁架（V形支桿）吊掛在液氫貯箱下方。為滿足SLS要求，波音公司還對過渡型低溫上面級進行了微小的改進，包括：增加液氫貯箱長度，增加姿控氦氣瓶以及調整航電系統設計。

2012年7月，NASA與波音公司簽訂為期8年、金額1.75億美元的合同，要求波音公司在2016年9月30日前完成德爾他-4火箭低溫二子級的改進工作。2017年7月，過渡型低溫上面級飛行件已在卡納維拉爾角空軍基地完成最終測試和檢查，并運抵肯尼迪航天中心準備與其他部段集成。

“探索上面級”

NASA從2014年開始考慮調整SLS第2次飛行任務EM-2的上面級，改用新的“探索上面級”?！疤剿魃厦婕墶遍L18.3m，推進劑最大加注量為129t。其結構主要包括：前適配器、液氫貯箱、箱間結構、液氧貯箱、設備架和推進結構。

前適配器為鋁鋰合金正交網格筒段，高1.8m，直徑8.4m，用于連接飛船和“探索上面級”液氫貯箱。筒段采用攪拌摩擦焊工藝。內部裝有液氫貯箱增壓管路、氫氣通風管道和地面接口配線。

液氫貯箱直徑8.4m，可貯存295m3液氫（-253℃），主結構包括采用攪拌摩擦焊接技術連接起來的2個鋁鋰合金橢圓拱底和1個正交網格筒段。液氫貯箱內裝有先進的燃料水平感應系統和防晃板。為保持貯箱低溫條件，同時防止貯箱結冰，箱體外附有橙色泡沫防護層。

箱間結構為液氫貯箱和液氧貯箱的連接結構，包括后適配器和金屬V形支桿。后適配器主結構與前適配器相似，高1.8m，直徑8.4m，采用鋁鋰合金材料。V形支桿交疊排列支撐液氧貯箱。箱間結構也是增壓系統、增壓箱、計算機硬件和天線的支撐結構。

液氧貯箱直徑5.5m，可貯存95m3液氧（-183℃）。箱體采用鋁鋰合金材料，內裝液氧水平感應系統。推進結構連接在旋壓成型的箱底上，設備架與氧箱后法蘭相接。

設備架由平板和支架組成，與液氧貯箱法蘭相連。平板采用鋁鋰合金材料，用于支撐航電和推進系統。其中，航電系統包括飛行計算機、制導和RL10C-3發動機控制系統；推進系統包括軌道機動反控制系統和肼燃料貯箱。

推進結構包括連接在液氧貯箱箱底的橫梁和支桿，用于支撐RL10C-3發動機。橫梁和支桿都由高強鋁合金制成。

級間段用于連接上面級和芯級，為鋁鋰合金正交網格筒段。該部段承受芯級以上結構的全部質量，約181.4t。上面級和芯級的分離系統置于該部段中。

NASA已與航空噴氣-洛克達因公司簽訂了金額1.74億美元的合同，航空噴氣-洛克達因公司需在2024年1月29日前完成研制、測試、驗證和交付，為SLS火箭第2次、第3次飛行提供10臺RL10C-3發動機（其中2臺為備用）。使用該型發動機可以縮短SLS改進型號的研制時間，同時避免研制新型發動機所產生的高額研制成本。發動機交付后，NASA將進行單機試驗和4臺發動機首次聯合試驗，驗證發動機的兼容性和功能性。2017年1月，“探索上面級”通過了初步設計評審。

其他

SLS-1型火箭級間段整體呈圓錐形，下部直徑8.4m，上部直徑5m，用于連接芯級和過渡型低溫上面級。該結構件通過招標的方式轉給承包商美國特利丹布朗工程公司（Teledyne Technologies Inc.）生產。2017年8月，用于EM-1任務的級間段已焊接完成，并已從先進焊接和制造設施轉移至國家先進制造中心噴涂熱防護層，2個設施都位于馬歇爾航天中心內。

飛行用“獵戶座”（Orion）飛船支架已裝配完畢，目前正在進行次級載荷、電纜、航電設備的安裝工作。2017年7月，飛船支架試驗件已由“超級古柏”飛機運往洛馬公司（LM），與“獵戶座”集成進行結構試驗。

3 任務規劃新進展

SLS超大的起飛質量、載荷容積和特性能量（C3）為科學任務提供了更多的可能。NASA考慮將SLS應用于木衛二多次飛越任務中，該任務用于觀測木衛二并調查其是否適宜居住，科學家認為木衛二上有巨大的地下海洋，水量為地球水量的2倍之多。如果使用宇宙神-5（Atlas-5）火箭執行該任務，則需要利用金星-地球-地球重力輔助軌道，將耗時7～8年；而使用SLS則可在3年內直接轉移至木星，相應的返回任務也可提早完成。提前返回有助于更好地利用飛越任務的數據，避免延遲著陸任務。后續的木衛二著陸器任務也可使用SLS火箭，通過重力輔助軌道發射16t有效載荷。

SLS大直徑整流罩（8.4m或10m直徑）可以容納大孔徑（16米級）空間望遠鏡，技術人員就可使用超高對比分光鏡觀測行星，實現2013年提出的NASA天體物理路線圖的目標。該項目的方案評估為未來科學和載人探索系統在深空的合作創造了機會。

此外，SLS未來不僅可以執行超出現有火箭能力范疇的任務，一些小型實驗也可作為次要載荷受益于SLS。在首飛任務中，SLS將搭載13顆立方體衛星，包括載人探索和操作任務理事會先進探索系統部的“月球冰立方”（Lunar IceCube）等，驗證了SLS廣闊的應用前景。

2017年，特朗普簽署了其就任后的首項航天政策指令，明確表示美國將重返月球，并最終實現載人探火，但具體時間表尚未透露。

4 小結

提前布局，尊重火箭研制規律

重型運載火箭的起飛質量一般在2000t以上，近地軌道運載能力大多在100t以上，具有推力水平高、結構尺寸大、控制系統復雜的特點，給火箭研制提出了更高的要求。在研制期間需開展大量技術攻關與試驗驗證工作，因此需要一定的研制周期。雖然SLS的研制有前期良好的基礎，但從研制進程來看，首飛時間也一推再推，從最初的2017年推遲至2019年。從其研制周期看，SLS火箭仍需要9～10年的時間。

注重部件通用化設計，降低研制和發射成本

部件的通用化設計有利于減小研制難度和風險，降低研制和發射成本，成為各國未來發展新型重型運載火箭的有效途徑。在SLS最初方案中，SLS-1B型和SLS-2型所采用的“探索上面級”原計劃配備1臺百噸級J-2X發動機，后來方案調整采用4臺RL10C-3發動機。RL10C-3發動機是德爾他-4火箭和宇宙神-5火箭末級發動機的改進型，也計劃用于新型主力火箭“火神”（Vulcan）的末級，開始向系列化方向發展。

采用承包商制度，打造創新且靈活的管理模式

美國SLS重型運載火箭的研制采用了承包商管理制度，項目決策權在總統和國會，NASA負責項目計劃，而火箭研制的實施者為各個承包商。SLS芯級、固體助推器、上面級等模塊分別由波音公司、軌道-ATK公司、聯合發射聯盟公司（ULA）等不同的公司負責研制生產，并運輸至肯尼迪航天中心，再由合同的提出方NASA組織聯合發射中心人員對承包商產品進行驗收，待驗收通過后會轉入總裝廠房進行下一階段工作。承包商制度責權更加分明，研制流程更加靈活，同時還有助于減少總裝測試時間，縮短發射周期。但是由于承包商比較分散，可能會增加研制以及運輸的成本和風險。