2019年美國SLS重型運(yùn)載火箭研制進(jìn)展

張綠云

（北京航天長征科技信息研究所）

2019年，在政府提出提前登月的政策背景下，美國國家航空航天局（NASA）對(duì)深空探索領(lǐng)域進(jìn)行了重新規(guī)劃，以“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭為主要運(yùn)載工具，實(shí)現(xiàn)2024年載人登月和2028年的月球可持續(xù)探索目標(biāo)。在過去的一年中，NASA采取多項(xiàng)措施以加速SLS火箭的研制，主要完成了SLS首飛箭芯級(jí)組裝、發(fā)動(dòng)機(jī)試車、分系統(tǒng)試驗(yàn)、預(yù)算調(diào)整等工作。

1 政策背景

2019年3月26日，美國副總統(tǒng)彭斯在國家航天委員會(huì)（NSC）第5次會(huì)議上提出提前4年實(shí)現(xiàn)載人登月的目標(biāo)，要求NASA“使用一切必要手段”確保任務(wù)取得成功。隨后，NASA開始研究相關(guān)計(jì)劃和預(yù)算需求，于2019年5月發(fā)布了《飛向月球：NASA月球探索戰(zhàn)略計(jì)劃》，以《航天政策1號(hào)令》為指導(dǎo)，通過商業(yè)伙伴和國際合作途徑重返月球，為載人探火奠定基礎(chǔ)。

在該戰(zhàn)略計(jì)劃中，NASA將載人重返月球定名為“阿爾忒彌斯”（Artemis）計(jì)劃，計(jì)劃分為兩個(gè)階段。第一階段講求速度，在2024年通過SLS火箭、“獵戶座”（Orion）飛船、載人著陸系統(tǒng)（HLS）以及縮減版“月球軌道平臺(tái)-門戶”（LOP-G）等關(guān)鍵系統(tǒng)將航天員送入月球南極；第二階段講求可持續(xù)性，建成LOP-G，并發(fā)展載人著陸系統(tǒng)的可重復(fù)使用性能，在2028年實(shí)現(xiàn)對(duì)月球的長期可持續(xù)探索。其中，SLS火箭作為唯一可以將“獵戶座”載人飛船送往月球、火星等深空目的地的運(yùn)載火箭，是“阿爾忒彌斯”計(jì)劃不可或缺的重要組成部分，計(jì)劃用于完成阿爾忒彌斯－1～8共8次關(guān)鍵任務(wù)的發(fā)射，包括1次無人試飛、1次載人繞月飛行試驗(yàn)、1次載貨飛行和5次載人登月任務(wù)。

“阿爾忒彌斯”計(jì)劃2019－2028年任務(wù)規(guī)劃

2 SLS簡介

SLS為美國新一代重型運(yùn)載火箭，于2010年開始研制，以安全性、經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性為設(shè)計(jì)理念，將用于執(zhí)行包括火星登陸在內(nèi)的載人航天探索任務(wù)。

SLS火箭包括SLS－1型、SLS－1B型和SLS－2型，其設(shè)計(jì)具有靈活性和擴(kuò)展性，不同構(gòu)型采用相同的芯級(jí)，以相對(duì)高效、低成本的方式滿足近地軌道及以遠(yuǎn)區(qū)域不同目的地的人員和貨物的運(yùn)輸需求。SLS－1型采用五段式固體助推器、通用芯級(jí)和過渡型低溫上面級(jí)（ICPS），最大直徑8.4m，全箭高度98.2m，可實(shí)現(xiàn)70t低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力和26t月球附近空間運(yùn)載能力。系統(tǒng)通過月球任務(wù)演示驗(yàn)證后，項(xiàng)目采用探索上面級(jí)（EUS）替換ICPS組成SLS－1B型，全箭高度110.9m，LEO運(yùn)載能力105t，月球附近空間運(yùn)載能力37t。SLS－2型在SLS－1B型的基礎(chǔ)上使用先進(jìn)助推器替代五段式固體助推器，全箭高度111.3m，可實(shí)現(xiàn)130t的LEO運(yùn)載能力。

NASA公布的SLS火箭構(gòu)型圖

3 SLS重要進(jìn)展

2019年，NASA在SLS－1型的首飛準(zhǔn)備工作方面取得了重大進(jìn)展，計(jì)劃2020年末至2021年初進(jìn)行，而SLS－1B和SLS－2型的研制工作也在同步進(jìn)行當(dāng)中，保障后續(xù)探索任務(wù)的順利進(jìn)行。

修改財(cái)年預(yù)算，追加研制經(jīng)費(fèi)

2019年3月，NASA發(fā)布了《2020財(cái)年預(yù)算案》，為深空探索系統(tǒng)領(lǐng)域申請(qǐng)了50.217億美元，而探索系統(tǒng)研制下的SLS火箭和“探索地面系統(tǒng)”（EGS）項(xiàng)目分別為17.754億美元和4.001億美元。由于美國政府提出了提前登月的目標(biāo)，NASA隨即發(fā)布《NASA 2020財(cái)年預(yù)算修正案》，要求在新財(cái)年追加16億美元的研制經(jīng)費(fèi)，主要滿足新的戰(zhàn)略目標(biāo)所需要的SLS火箭、“獵戶座”飛船、LOP-G以及載人著陸系統(tǒng)的研制需求。除了計(jì)劃用于載人著陸系統(tǒng)的10億美元之外，剩余絕大部分經(jīng)費(fèi)計(jì)劃用于SLS和“獵戶座”飛船項(xiàng)目。

經(jīng)過國會(huì)兩院的審議，最終，NASA在深空探索系統(tǒng)項(xiàng)目上獲得的經(jīng)費(fèi)超過60億美元，相比2019財(cái)年撥款額超出了約10億美元。其中，SLS火箭獲得25.859億美元，遠(yuǎn)超最初申請(qǐng)預(yù)算，也超出了2019年21.5億美元的實(shí)際撥款額；EGS項(xiàng)目獲得5.9億美元，與2019年的實(shí)際撥款持平。

改變組裝方式，完成首飛箭芯級(jí)組裝

在美國國家航天委員會(huì)第5次會(huì)議上，委員會(huì)主席彭斯提出了美國提前登月的目標(biāo)，也指示NASA“使用一切必要手段”確保登月任務(wù)的成功。為此，NASA開始研究如何加快SLS火箭的研制。其中之一便是，將芯級(jí)組裝方式由垂直組裝改為水平組裝，并在芯級(jí)前段（前裙、氧箱和箱間段的組合體）和氫箱，以及與發(fā)動(dòng)機(jī)段的組裝上得以應(yīng)用，在開展發(fā)動(dòng)機(jī)段研制工作的同時(shí)進(jìn)行芯級(jí)組裝，提高了工作效率。

12月9日，在米丘德裝配廠舉辦的首個(gè)“阿爾忒彌斯任務(wù)日”（簡稱登月日）活動(dòng)上，NASA局長吉姆·布萊登斯汀正式宣布：“第一臺(tái)全球最大的運(yùn)載火箭SLS芯級(jí)的制造、組裝工作已經(jīng)完成，成為2024年載人登月的重要里程碑。”組裝完成的火箭芯級(jí)長65m、直徑8.4m，由前裙、氧箱、箱間段、氫箱、發(fā)動(dòng)機(jī)段、4臺(tái)RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)以及航電系統(tǒng)組成，將用于阿爾忒彌斯－1環(huán)月之旅。

盡管研制過程中問題重重，但依托全美國44個(gè)州的包含波音公司（Boeing）、航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）等1100多家大小企業(yè)的通力合作，以及米丘德裝配廠最尖端的制造設(shè)備和焊接工裝，NASA最終在2019年底之前完成了首枚火箭芯級(jí)的制造。

首枚SLS火箭芯級(jí)

完成改裝發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)，芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入新一輪研制階段

SLS芯級(jí)采用RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)，由美國航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司研制，最早用于美國航天飛機(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)。航天飛機(jī)退役之后，NASA計(jì)劃將庫存的16臺(tái)可重復(fù)使用RS－25D用于前4次SLS火箭飛行任務(wù)，而從第5次任務(wù)開始采用改進(jìn)后的一次性RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)。

2019年4月，NASA在斯坦尼斯航天中心A－1試車臺(tái)成功完成了編號(hào)為2062的RS－25飛行用發(fā)動(dòng)機(jī)的熱試車，標(biāo)志著RS－25D的試車工作全部完成。2015年初，NASA啟動(dòng)芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的試車工作，歷經(jīng)51個(gè)月，共完成了32次研制用和飛行用RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)的系列試車，時(shí)長總計(jì)14754s，完成了17個(gè)新型控制器的驗(yàn)收試驗(yàn)以及縱向耦合振動(dòng)（POGO）蓄壓器和主燃燒室等關(guān)鍵組件的性能試驗(yàn)。另外，NASA持續(xù)驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力，目前已將其最大推力提高到額定推力的113%，且在該推力下的持續(xù)點(diǎn)火時(shí)長達(dá)到430s。

目前，NASA已經(jīng)與航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司簽訂了后續(xù)研制合同，為后續(xù)的SLS任務(wù)研制一次性RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)，相關(guān)工作已經(jīng)啟動(dòng)。

開展全方位的系統(tǒng)試驗(yàn)，確保SLS首飛及后續(xù)任務(wù)的成功

2019年，除了芯級(jí)組裝工作之外，NASA開展了全方位的系統(tǒng)試驗(yàn)，包括芯級(jí)操作試驗(yàn)、貯箱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)演練、39B發(fā)射工位的噪聲抑制系統(tǒng)試驗(yàn)、推進(jìn)劑輸送試驗(yàn)，以及“獵戶座”飛船高空逃逸試驗(yàn)，為保障SLS首飛及后續(xù)飛行任務(wù)的成功奠定了基礎(chǔ)。

8月下旬，NASA技術(shù)人員在斯坦尼斯航天中心B－2試車臺(tái)通過起吊設(shè)備成功完成了“探路者”（Pathfinder）全尺寸芯級(jí)模擬件的起豎與安裝，驗(yàn)證了起吊等輔助設(shè)備以及B－2試車臺(tái)的性能，并對(duì)芯級(jí)試車前的相關(guān)操作流程進(jìn)行了演練，為芯級(jí)飛行件的交付和試車奠定了基礎(chǔ)。之后，該模擬件通過“飛馬座”（Pegasus）駁船運(yùn)抵肯尼迪航天中心，并轉(zhuǎn)運(yùn)至航天器裝配大樓（VAB）。在裝配大樓內(nèi)，芯級(jí)模擬件由運(yùn)輸車水平移至轉(zhuǎn)運(yùn)通道，通過兩臺(tái)吊車使其垂直進(jìn)入3號(hào)高跨間，并完成了系列反向操作流程。

芯級(jí)模擬件操作演練

為了驗(yàn)證貯箱等結(jié)構(gòu)的性能，2019年NASA在馬歇爾航天飛行中心開展了多次芯級(jí)氧箱、氫箱、發(fā)動(dòng)機(jī)段，以及箱間段的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。其中，于12月完成的氫箱試驗(yàn)是有史以來最大的一次火箭子級(jí)增壓貯箱受控破壞性試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，技術(shù)人員利用氮?dú)夂痛笮鸵簤夯钊o試驗(yàn)貯箱施加一定的載荷，貯箱在2.6倍以上預(yù)期飛行應(yīng)力作用下運(yùn)行了5h，之后出現(xiàn)斷裂點(diǎn)，進(jìn)而爆裂。波音公司測(cè)試與評(píng)估部門鑒定試驗(yàn)經(jīng)理丹尼稱，貯箱開始出現(xiàn)斷裂點(diǎn)的相對(duì)位置與波音公司分析團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)的位置相同，而且預(yù)測(cè)的載荷值與實(shí)際載荷的誤差僅有3%。這些預(yù)測(cè)值相對(duì)于實(shí)際測(cè)試值的準(zhǔn)確性證明了氫箱結(jié)構(gòu)模型的有效性，也增強(qiáng)了技術(shù)人員對(duì)后續(xù)任務(wù)所需貯箱設(shè)計(jì)的信心。

芯級(jí)氫箱受控破壞性試驗(yàn)

7月，NASA進(jìn)行了“上升中止2”（AA2）“獵戶座”飛船高空逃逸試驗(yàn)，共飛行約3min。點(diǎn)火起飛約50s后，試驗(yàn)件到達(dá)約9.5km高度，發(fā)射中止系統(tǒng)（LAS）的中止發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，將飛船從火箭上拉離，以模擬應(yīng)急逃逸情形。在到達(dá)遠(yuǎn)離火箭的安全空域后，姿控發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)整方向，拋塔發(fā)動(dòng)機(jī)成功啟動(dòng)，逃逸塔與飛船分離。

此外，在“探索地面系統(tǒng)”建設(shè)方面，NASA也開展了多項(xiàng)系統(tǒng)試驗(yàn)。6月，在成功完成了包括臍帶臂擺臂試驗(yàn)、環(huán)境控制系統(tǒng)試驗(yàn)、液壓試驗(yàn)、氮?dú)馀c氦氣試驗(yàn)、電氣試驗(yàn)以及模態(tài)試驗(yàn)等在內(nèi)的系列關(guān)鍵試驗(yàn)之后，1號(hào)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)（ML1）進(jìn)入轉(zhuǎn)運(yùn)演練階段，路線為火箭裝配大樓至39B發(fā)射工位，時(shí)長10h，通過2號(hào)履帶式運(yùn)輸車完成。之后，該平臺(tái)在發(fā)射工位接受了最終試驗(yàn)和檢測(cè)，包括噴水降噪系統(tǒng)水流試驗(yàn)、低溫推進(jìn)劑流量評(píng)估試驗(yàn)，以及電氣與臍帶系統(tǒng)檢測(cè)等。10月，NASA在39B發(fā)射工位完成了第7次即最后一次SLS噪聲抑制系統(tǒng)試驗(yàn)，共有1703.4m3的水流入活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)和發(fā)射工位，再一次檢驗(yàn)了該系統(tǒng)在火箭點(diǎn)火和起飛階段的噪聲及振動(dòng)抑制性能。此外，NASA的“探索地面系統(tǒng)”團(tuán)隊(duì)還成功完成了液氫/液氧低溫推進(jìn)劑從推進(jìn)劑儲(chǔ)罐經(jīng)管道到達(dá)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)臍帶設(shè)施的輸送試驗(yàn)，各相關(guān)地面系統(tǒng)運(yùn)行良好，再次對(duì)39B發(fā)射工位地面系統(tǒng)以及活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的性能進(jìn)行了驗(yàn)證，為SLS首飛奠定了基礎(chǔ)。

活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)演練

明確探索上面級(jí)研制方案，系統(tǒng)可靠性和研制進(jìn)度或是主要考量因素

盡管在2020財(cái)年預(yù)算案中并未給擬用于SLS－1B和SLS－2型火箭的探索上面級(jí)申請(qǐng)研制經(jīng)費(fèi)，但是隨著提前登月目標(biāo)的提出，在參議院撥款委員會(huì)的支持下，終版撥款法案擬為該探索上面級(jí)提供3億美元的研制經(jīng)費(fèi)。按照任務(wù)安排，NASA擬從第4次SLS任務(wù)開始使用探索上面級(jí)，來滿足質(zhì)量和體積更大的有效載荷或人貨混運(yùn)的月球或火星等深空運(yùn)輸需求。

目前，NASA已經(jīng)啟動(dòng)相關(guān)研制工作。11月，NASA在其官網(wǎng)上發(fā)布了探索上面級(jí)的研制方案，長17.6m，直徑8.4m，結(jié)構(gòu)質(zhì)量為13.1t，加注后的質(zhì)量為113.4t，將采用4臺(tái)RL－10液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，推力可達(dá)到431.5kN，其月球軌道運(yùn)載能力為37t。

在探索上面級(jí)的研制上，NASA最初選擇由波音公司負(fù)責(zé)，但因進(jìn)度問題于2017年向工業(yè)界發(fā)出了探索上面級(jí)替代方案的建議征詢，以期降低成本。基于此，藍(lán)色起源公司（Blue Origin）和波音公司分別提出了采用1臺(tái)BE－3U發(fā)動(dòng)機(jī)和4臺(tái)RL－10發(fā)動(dòng)機(jī)的上面級(jí)方案。考慮到前者無法滿足所需的運(yùn)載能力，需對(duì)相關(guān)地面設(shè)施進(jìn)行很大程度地適應(yīng)性改進(jìn)，且新型發(fā)動(dòng)機(jī)存在很大的風(fēng)險(xiǎn)；而相反，因?yàn)檫^渡型低溫上面級(jí)的研制，波音公司具備豐富的研制經(jīng)驗(yàn)和可用的基礎(chǔ)設(shè)施，且RL－10發(fā)動(dòng)機(jī)成熟可靠。因此，雖然前者具備很大的成本優(yōu)勢(shì)，但NASA最終選擇了波音公司的研制方案。這或許可以說明，對(duì)于政府主導(dǎo)的深空載人探索項(xiàng)目而言，系統(tǒng)成熟度與可靠性以及項(xiàng)目進(jìn)度一直都是最主要的考量因素。

計(jì)劃發(fā)布批量采購合同，降低SLS研制成本

10月16日，NASA發(fā)布消息稱，NASA將與波音公司簽訂批量采購合同，計(jì)劃在今后1年時(shí)間內(nèi)完成合同的簽訂，將涉及多達(dá)10枚的SLS芯級(jí)和8枚探索上面級(jí)的生產(chǎn)制造，以保證后續(xù)20年代多達(dá)10次的“阿爾忒彌斯”任務(wù)需求。目前，為了確保阿爾忒彌斯－3登月任務(wù)，NASA已經(jīng)向波音公司提供了用于支持第三枚SLS芯級(jí)生產(chǎn)制造的初步研制經(jīng)費(fèi)和授權(quán)，并要求波音公司著手準(zhǔn)備所需基礎(chǔ)設(shè)施，為批量生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

波音公司眼下的合同包括阿爾忒彌斯－1和阿爾忒彌斯－2任務(wù)所需的SLS芯級(jí)飛行件、結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件、芯級(jí)先期探路型號(hào)，以及首臺(tái)探索上面級(jí)。與設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)和評(píng)估階段所造芯級(jí)的生產(chǎn)成本相比，通過吸取首次制造過程中得到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，并借助批量采購，新舉措有望大大降低產(chǎn)品制造成本。在12月召開的NASA員工大會(huì)上，局長吉姆·布萊登斯汀表示，目前SLS的成本約為16億美元，而批量生產(chǎn)方式有望將其成本降至8億～9億美元。

4 SLS展望

首先，NASA將全力保障SLS芯級(jí)“初試”工作。目前，SLS首飛箭芯級(jí)的制造和組裝工作已經(jīng)全部完成，即將通過“飛馬座”駁船運(yùn)至斯坦尼斯航天中心，在B－2試車臺(tái)上開展為期5～6個(gè)月的“初試”，包括芯級(jí)安裝、芯級(jí)加注與增壓等初始試驗(yàn)和功能檢測(cè)，以及時(shí)長8min的4臺(tái)RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合試車，模擬飛行任務(wù)中芯級(jí)點(diǎn)火、上升到關(guān)機(jī)的全過程，以驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)、貯箱、燃料管路、閥門、增壓系統(tǒng)以及航電、電纜等各系統(tǒng)的性能。

其次，根據(jù)《NASA月球探索戰(zhàn)略計(jì)劃》，為實(shí)現(xiàn)2024年載人登月目標(biāo)，NASA將需要改變現(xiàn)有內(nèi)部和外部政策、程序和流程，包括法律/采購、預(yù)算/資源、人力資源、管理機(jī)構(gòu)等。2019年，NASA對(duì)其載人探測(cè)與運(yùn)行任務(wù)部進(jìn)行了人事調(diào)整，由前國防部主管航天政策的道格·羅偉羅任新的副局長。后續(xù)，NASA將繼續(xù)在項(xiàng)目管理上開展相關(guān)工作，為探索項(xiàng)目提供保障。

最后，為保障后續(xù)任務(wù)的順利進(jìn)行，NASA將在確保SLS首飛的同時(shí)持續(xù)推進(jìn)后續(xù)SLS火箭的研制工作。目前，已經(jīng)完成了第二枚SLS芯級(jí)貯箱的焊接以及固體助推器的澆鑄工作，芯級(jí)及其他組件的制造和組裝仍將是后續(xù)工作重點(diǎn)。此外，航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司將啟動(dòng)一次性RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)研制，為第4次之后的SLS任務(wù)提供芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；基于研制方案和近3億美元的研制經(jīng)費(fèi)，NASA將推進(jìn)探索上面級(jí)的研制工作。而在地面系統(tǒng)建設(shè)方面，基于2019年的建設(shè)合同，NASA將在未來的2年時(shí)間內(nèi)完成肯尼迪航天中心第二個(gè)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)的設(shè)計(jì)、建造、測(cè)試以及試車工作。