美國重型火箭推進系統試驗能力建設研究

陳允宗（北京航天科技信息研究所）

自20世紀60年代以來，美國先后研制出土星－5（Saturn－5）重型運載火箭和航天飛機，實現了載人登月，天地往返。為滿足上述航天運載器研制過程中對推進系統試驗能力的要求，美國建成了一批世界領先的火箭推進系統試驗設施。這些試驗設施不僅為土星－5重型運載火箭和航天飛機研制提供了試驗能力保障，也為其后續航天工業能力發展奠定了堅實基礎。

進入21世紀，美國政府提出了重返月球的戰略目標，進而實現載人探測火星計劃，提出“航天發射系統”（SLS）重型運載火箭研制計劃。在推進系統試驗能力建設方面，美國國家航空航天局（NASA）通過在原有試驗設施基礎上改建或新建試驗設施，來滿足SLS火箭的推進系統研制試驗需求。

1 美國重型火箭推進系統試驗設施布局

在土星－5重型運載火箭研制期間，美國為加快研制進度，采取并行試驗方法，在加利福尼亞州的圣蘇珊娜試驗場、薩克拉門托和愛德華茲空軍基地，田納西州的阿諾德工程發展中心，阿拉巴馬州的馬歇爾航天飛行中心，密西西比州的密西西比試驗設施（斯坦尼斯航天中心前身）建設了多處推進系統試驗設施。事實證明，這種做法對于保障火箭推進系統研制進度確實發揮了積極作用。例如，F－1發動機在愛德華茲空軍基地和馬歇爾航天飛行中心開展并行試驗，使一子級推進系統試驗進度提前了2個月。

NASA將涉及到大型部段運輸的試驗設施一般都安排在美國東南部臨近肯尼迪航天中心發射場和米丘德總裝廠的地區，如密西西比試驗設施和馬歇爾航天飛行中心就分別位于密西西比州西南部和阿拉巴馬州亨茨維爾。這兩處試驗設施與火箭總裝廠和發射場之間具有便利的陸路和水路運輸條件。在20世紀70年代，NASA在研制航天飛機期間，再次將航天飛機氫氧主推進系統試驗安排在斯坦尼斯航天中心。

美國重型火箭推進系統試驗設施地理分布圖

美國重型火箭推進系統試驗設施表

進入21世紀，美國的重型運載火箭推進系統試驗主要依托斯坦尼斯航天中心，該中心為美國重型火箭推進系統研制提供了關鍵的試驗能力支持。自美國開展SLS重型運載火箭研制項目以來，該中心已完成J－2X和RS－25發動機的多次點火試車，為重型火箭研制提供了必要的試驗保障。在大型固體助推器研制中，SLS火箭的五段式固體助推器試驗選擇在猶他州軌道-ATK公司的固體推進系統試驗設施進行。

本文將關注美國現有重型運載火箭推進系統試驗能力，重點研究斯坦尼斯航天中心、馬歇爾航天飛行中心和軌道-ATK公司猶他州固體助推器試驗設施等推進系統試驗設施。

2 斯坦尼斯航天中心的重型火箭推進系統試驗設施

美國斯坦尼斯航天中心是NASA最大的航天推進系統試驗中心，從事火箭推進系統試驗與研制、材料研發、羽流研究等。1961年10月25日，NASA宣布在密西西比州建設美國火箭試驗基地，并將該基地命名為“NASA密西西比試驗操作場地”。隨后，該基地經歷多次更名，先后于1965年7月1日更名為“密西西比試驗設施”，1974年6月14日更名為“國家航天技術實驗室”。直至1988年5月20日，NASA為紀念約翰·C·斯坦尼斯，將該基地更名為“約翰·C·斯坦尼斯航天中心”并沿用至今。1996年5月30日，NASA將斯坦尼斯航天中心指定為美國火箭推進試驗的主導中心，負責管理運營NASA火箭發動機試驗工作。

該中心地處密西西比州的西南部漢考克郡，鄰近路易斯安娜州，距新奧爾良市約72km，地處偏遠，人煙稀少，土地遼闊，可容納大型的火箭推進系統試驗設施，適宜相應的試驗操作；其水路運輸條件便于火箭子級和推進劑的運輸。該中心的大型火箭試驗設施與建筑物集中在占地54.6km2的區域內；周邊是面積約507km2的噪音緩沖帶。這為推進系統試驗提供了有效的噪音緩沖和屏蔽。盡管如此，在土星－5火箭研制期間，由于在此進行火箭試車，NASA接到了160起因噪音問題引起的投訴，其中18起以經濟賠償的方式解決，總計39405美元。

斯坦尼斯航天中心的地理位置

斯坦尼斯航天中心擁有全尺寸火箭發動機試驗設施、組件和小型發動機試驗設施以及材料試驗設施。其中的A綜合試驗設施和B綜合試驗設施為大型推進系統試驗設施，能夠完成全尺寸、液體火箭發動機及火箭子級系統試車。

A綜合試驗設施

A綜合試驗設施具有2個獨立工位，代號分別為“A－1”和“A－2”，均為立式試車工位。A綜合試驗設施始建于1963年，1966年完工。1966年4月23日，土星－5火箭二子級S－2首次在A－2工位靜態點火試車。A綜合試驗設施在20世紀70年代初“阿波羅”（Apollo）計劃期間，一直用于土星－5火箭二子級S－2及其J－2發動機的試車與驗收，直至1970年10月30日A－2工位完成最后一次土星－5火箭二子級點火試車；20世紀70年代至2009年，A綜合試驗設施用于航天飛機主發動機試車；近年，A綜合試驗設施開始用于SLS重型火箭芯級發動機RS－25與上面級發動機J－2X的試車。

斯坦尼斯航天中心的A―1（左）和A―2（右）試車工位

A－1和A－2這2個試車工位均為鋼筋混凝土結構，高約60.96m，靜態點火試驗的最大試驗件直徑可達10.06m，耐受溫度達3315.56℃。每個試驗臺的設計最大動態載荷499t（垂直向上）、771t（反向）和317t（水平）。A－1和A－2試車工位可為發動機試車提供液氫/液氧推進劑，以及用于吹掃或增壓的氦氣、氫氣和氮氣。A綜合試驗設施還包括1個試驗控制中心、多個觀察掩體以及技術支持系統。

A－1試車工位具備火箭子級、主推進系統及單臺發動機海平面試車條件，可進行穩態點火試車。試車臺向地下延伸15.24m，火焰導流裝置冷卻水流量為6.31m3/s。該工位最初是為試驗土星－5火箭二子級S－2而設計，后期為適應X－33發動機及氣動塞式噴管發動機的預研試車曾接受改造。A－2工位是立式高空試車工位，可模擬19.8km高度的高空環境。

B綜合試驗設施

斯坦尼斯航天中心的B―2試車工位

B綜合試驗設施為雙工位，立式靜態點火試車臺，高124.05m，工位代號為“B－1”和“B－2”。每個試車工位都可以試驗直徑10.06m的試驗件，可承受最大動態載荷4989t（垂直向上）、3855t（反沖）和2721t（水平），而現有結構無法支撐最大設計極限。B－1試車工位曾用于航天飛機主發動機單機試驗。B－2試車工位曾用于土星－5火箭一子級試車。土星－5火箭一子級于1970年9月30日在B－2試車工位完成最后一次點火試車，B－2試驗臺曾在2001年進行“德爾他”（Delta）通用芯級試車。

3 馬歇爾航天飛行中心的重型火箭推進系統試驗設施

馬歇爾航天飛行中心位于美國阿拉巴馬州亨茨維爾，是NASA的大型研究試驗設施。該中心成立于1961年7月1日，其早期建筑、土地、航天項目、資產與人員來自美國空軍導彈局。馮·布勞恩博士是馬歇爾航天飛行中心的第一位主任。數十年來，馬歇爾航天飛行中心在NASA許多重大項目中發揮了關鍵作用，如“阿波羅”探月工程、航天飛機的研制與運營，以及“國際空間站”的建設及相關科學研究。該中心在航天運輸系統研制、微重力研究及先進制造技術方面肩負著引領整個NASA的使命。

馬歇爾航天飛行中心位于占地161km2的紅石兵工廠軍事管制區內。該中心擁有50多個試驗設施，主要分布在1.6km2的區域內，分為東部、西部和北部3個試驗區。東部試驗區主要用于發動機組件和分系統試驗，建有靜態試驗塔；西部試驗區主要用于全系統試驗，建有先進發動機試驗設施和F-1發動機試驗臺；北部試驗區用于氣動學研究和氣/流體動態試驗。該中心能夠完成從小型組件到全套發動機系統等多種火箭及航天運輸技術試驗。憑借雄厚的工程技術實力，該中心在航天運輸系統的研究、評估、完善、分析、設計、研制、試驗和驗證技術方面占據領先地位。

先進發動機試驗設施

先進發動機試驗設施位于馬歇爾西部試驗區，原名“S－1C級靜態試車臺”，編號為“4670號建筑”，高123.44m。1964年，馬歇爾航天飛行中心為研制和試驗土星－5火箭第一級S－1C而建設了該試驗臺。在1965年4月-1966年8月，該試驗臺完成了18次S－1C級試車。1974年，為適應航天飛機外貯箱結構驗證試驗需求，馬歇爾航天飛行中心改造了該試驗臺。1980年，航天飛機外貯箱試驗工作完成。1986年，該試驗臺再次接受改造，并更名為“先進發動機試驗設施”。1998年，試驗臺為了進行宇宙神－5（Atlas－5）火箭RD－180發動機試驗而再次接受改造。

先進發動機試驗設施

先進發動機試驗設施高123.75m（含起重吊臂高度），主體結構高81.38m。試驗臺地基固定在地下約14m的基巖上。試驗臺可為3401t推力的火箭級進行靜態點火試車。經過改進，該試驗臺的試驗能力可滿足高51.82m、直徑12.19m、推力達5443t的火箭級試車需求。該試驗臺的控制由西部試驗區4674號掩體提供。目前，先進發動機試驗設施具有2個立式工位，1#工位可為試驗件提供液氧/液氫，設計試驗推力170t；2#工位可為試驗件提供液氧/煤油，設計試驗推力408t。該設施具備發動機整機和火箭級全系統評估和研究能力，曾用于評估驗證推進技術和大型火箭發動機，是世界上為數不多的大型液體火箭推進系統試驗設施之一。

F―1發動機試驗臺

F－1發動機試驗臺是一個立式發動機點火試車臺，高72.8m，底面積427m2。試驗臺的地基固定在地下12m處的基巖上。該試驗臺可以完成680t推力的液氧/煤油發動機靜態點火試車。該試驗臺經過改造可以試驗1360t推力水平的發動機。試驗臺具有一個導流板，采用水冷卻。水流量為511m3/min，水壓0.862MPa。

靜態試驗塔（4572號設施）

1951年，馬歇爾航天飛行中心建成靜態試驗塔，編號4572號建筑。最初用于試驗陸軍“朱庇特”導彈。因結構外觀又得名“T-塔”。初期設計試驗最大推力226t。1961年，該設施經過改造后用于試驗土星－1和土星－1B級，設計試驗推力達725t。隨后，該試驗設施更名為“S－1B靜態試驗臺”，又名“推進與結構試驗設施”。該試驗臺西側用于試驗S－1級，東側用于試驗S－1B級。該試驗臺對10個S－1級進行了24次試驗，對12個S－1B級進行了32次試驗。西側試驗臺還曾進行F－1發動機試車。截至1968年7月，該試驗臺完成了75次F－1發動機試車。1984年該試驗臺的西側再次接受改造，以滿足航天飛機固體火箭助推器的結構試驗要求。自1951年建成投入使用以來，該試驗設施累計完成649次試驗。目前，42.67m高的試驗設施入選美國國家歷史地標建筑，現名為“危險結構試驗設施”。

4 猶他州軌道-ATK公司的重型火箭推進系統試驗設施

軌道-ATK公司普羅蒙特利設施位于猶他州大鹽湖北部的藍克里克谷，占地78km2，現為軌道-ATK公司航天系統分部的組成部分，主要從事固體火箭發動機的制造、試驗和運輸。20世紀50年代中期，錫奧克爾化學公司為擴大導彈制造與試驗能力購買了這塊土地，并在此建設了火箭制造與試驗設施。1956年，這里首次進行固體火箭發動機試車。自1958年起，錫奧克爾公司經歷多次重組并購。1974年，錫奧克爾公司獲得航天飛機可重復使用固體助推器制造合同，在此開展相關研制試驗。此外，軌道-ATK公司普羅蒙特利設施還為導彈系統和其他運載火箭制造發動機，導彈包括“和平衛士”、“三叉戟”等，航天運輸系統包括航天飛機、“德爾他”火箭等。軌道-ATK公司普羅蒙特利的生產活動與雇員情況隨合同而變化，一般情況下，雇員在3000～5000名。

T－97試驗設施

軌道-ATK公司普羅蒙特利擁有兩處固體火箭發動機試車工位，分別為T－24和T－97。其中，僅T－97能支持五段式固體助推器的靜態試車。T－97試驗設施于1987年10月17日建設完工，2002年為適應NASA重型火箭五段式固體助推器試車要求接受改造，成為世界上最大、最先進的固體火箭發動機試驗設施，設計可試驗推力1814t的大型固體火箭發動機。該試驗臺曾為美國航天飛機試驗固體助推器進行熱點火試車。為研制SLS重型運載火箭，該試驗設施自2009年9月起用于五段式固體助推器點火試車。

5 結論

重型運載火箭推進系統試驗設施選址是重大的永久性投資，若在建成后才發現選址不當，則為時已晚，難以補救。選址決策的正確與否，影響著重型運載火箭推進系統試驗設施的應用與后續發展。通過分析美國重型運載火箭推進系統試驗設施的選址情況，發現運輸問題、振動噪音以及水資源供給問題是推進系統試驗設施選址時須考慮的3個問題。

土星-5運載火箭發射

1）運輸問題。對于一般的重型運載火箭推進系統試驗設施選址而言，運輸是必須考慮的問題。重型運載火箭結構尺寸大，例如土星－5火箭芯級直徑10.1m。若不能妥善解決大尺寸火箭部段在制造廠、試驗設施和發射場之間的運輸問題，就無法順利完成重型火箭的研制和試驗。美國重型運載火箭推進系統試驗設施大多選擇建在美國東南部臨近肯尼迪航天中心的地區，例如斯坦尼斯航天中心和馬歇爾航天飛行中心就分別建在密西西比州西南部和阿拉巴馬州亨茨維爾。這兩處試驗設施與制造廠和發射場之間具有便利的陸路和水路運輸條件，這為大尺寸的試驗件運輸提供了良好的解決方案。

2）噪音問題。重型運載火箭推進系統試驗設施在選址方面還要考慮大推力發動機試車的振動噪音問題。美國土星－5火箭芯級由5臺F－1發動機提供動力，芯級試車時的推力可達3579t。土星－5火箭的推進系統試驗最初在馬歇爾航天飛行中心完成，但試車產生巨大的振動和噪音給附近的居民造成困擾。20世紀60年代中后期，NASA建成斯坦尼斯航天中心試車設施，從此，土星－5火箭的主要試車任務就從馬歇爾航天飛行中心轉移到斯坦尼斯航天中心。斯坦尼斯航天中心人煙稀少，周邊還有507km2的噪音緩沖帶，這為推進系統試驗提供了有效的噪音緩沖和保護屏蔽。

3）水資源供給問題。在推進系統試驗設施選址時還要考慮水資源供應問題。水是重型運載火箭推進系統試驗所必需的資源，尤其是大型推進系統試車要消耗大量的冷卻水。美國斯坦尼斯航天中心位于亞熱帶地區，雨量充沛，年均降水量超過1270mm。此處豐沛的水資源也是確保其歷經半個多世紀的發展成為美國主要的推進系統試驗設施的必要條件之一。該中心A－2工位試車時，火焰導流器冷卻水流量為13.88m3/s。為保證試車用水需求，該中心從主河道取水，配套建設了容積2.5×105m3的蓄水池。