美國“航天發射系統”重型火箭研制進展

（北京航天長征科技信息研究所）

美國“航天發射系統”重型火箭研制進展

Development of U.S. Space Launch System Heavy Rocket

解曉芳 才滿瑞（北京航天長征科技信息研究所）

2016年8月18日，世界上最大的重型運載火箭—在研的“航天發射系統”（SLS）成功進行了RS—25芯級發動機熱點火試車。美國以舉國之力研制這枚超級火箭的目的是將航天員送往更遠的太空，進入到月球附近，并成為人類深空探測的基石。“航天發射系統”將于2018年實現首飛，屆時，它將把載有航天員的“獵戶座”（Orion）飛船送入太空，最終目的地是火星。

“航天發射系統”項目自2011年9月對外發布方案以來已經取得多項進展。目前，用于載人深空探索的“航天發射系統”重型運載火箭進展順利，遍布全美的車間、廠房和試驗臺正在對火箭相關的硬件進行焊接、組裝和測試，包括芯級主發動機和固體助推器的熱點火試驗、飛行用結構件的制造生產等。“航天發射系統”項目還在2015年10月通過了關鍵設計評審（CDR）。“航天發射系統”將以安全性、可負擔性和可持續性為目標，實現人類歷史上最大的載人/機器人航天運輸能力。

1 “航天發射系統”項目概況

隨著人類探索太空的不斷深入，美國航空航天局（NASA）將未來的探索目標瞄準了更加遙遠的深空。美國在21世紀初制定了重返月球的“星座”計劃，盡管該計劃于2010年初被宣布停止，但是美國航空航天局并沒有終止重型火箭的研發進程。2010年4月，奧巴馬總統提出了新的載人火星探索構想并得到政府批準。2011年9月，美國航空航天局正式對外公布了美國新型重型運載火箭—“航天發射系統”方案。

2015年8月，美國航空航天局對外發布了火星探索路線圖，將人類登陸火星計劃分為3個階段：即“地球依賴”階段、“地月試驗場”階段和“地球獨立”階段。“地球依賴”階段主要以“國際空間站”為平臺，繼續收集“國際空間站”技術試驗信息，為深空探索任務做準備。“地月試驗場”階段主要發展深空運輸基礎設施，進入地月空間開展一系列試驗，驗證人類火星探索任務所需要的能力。“地球獨立”階段將發射載人飛船進入火星軌道，最終實現航天員登陸火星表面，開展科學技術研究。為實現這些目標，分階段研制“航天發射系統”重型火箭成為美國載人火星探索計劃最重要的組成部分之一。

美國航空航天局從一開始就采取漸進式、分階段方式研制“航天發射系統”重型運載火箭。“航天發射系統”火箭有3個基準構型，分別為：航天發射系統-1、1B和2。其中，航天發射系統-1為初始型號， 低地球軌道（LEO）運載能力為70t，而改進的航天發射系統-1B和最終的航天發射系統-2低地球軌道運載能力分別達到105t 和130t。

航天發射系統-1全長98.2m，起飛質量2500t，起飛推力約39000kN，由4臺RS-25液氫/液氧芯級主發動機和2個五段式固體火箭助推器組成。芯級高64.6m，直徑8.4m，可以容納952t的推進劑，容積居世界之首。五段式固體助推器高54m，直徑3.7m，推進劑質量約680t。芯級和助推器的發動機都繼承了航天飛機項目的硬件。航天發射系統-1B分載人型和載貨型兩種，芯級和捆綁助推器與航天發射系統-1相同，將采用由4臺RL-10C發動機組成的探索上面級（EUS）。 航天發射系統-2將延用航天發射系統-1B的芯級和上面級，新研先進固體或液體捆綁助推器，以將運載能力提高到130t。

航天發射系統-1火箭將于2018年9月執行首飛任務，即探索任務-1（EM-1），發射“獵戶座”飛船執行無人繞月飛行，測試箭船的整體性能。探索任務-2任務計劃在2021年左右進行，將首次發射載人的“獵戶座”飛船進行繞月飛行，飛到人類以前從未達到的更遠深空并返回地球，為載人火星任務做準備。“航天發射系統”火箭的后續任務和有效載荷尚未確定，多種方案現處于研究階段，其中包括載人登陸小行星和對木衛二進行機器人科學考察。

2 “航天發射系統”研制進展

關鍵里程碑事件

“航天發射系統”項目按照美國航空航天局系統工程/項目壽命周期管理，所有事項劃分為7個遞進階段，分別為：概念探索（A前階段），概念研究和技術開發（階段A）、初步設計和技術完善（階段B），詳細設計和制造（階段C），系統組裝、集成、試驗和投產（階段D）、運行使用與維護（階段E）與退役處理（階段F）。自2011年美國公布“航天發射系統”重型火箭方案后，“航天發射系統”項目已完成了前4個階段，并通過了系統需求評審（SRR）、系統定義評審（SDR）、初步設計評審（PDR）和關鍵設計評審（CDR）等關鍵里程碑。

2015年10月，航天發射系統-1型火箭順利通過關鍵設計評審（CDR）。評審中，來自美國航空航天局、工業界的高級工程師和宇航專家組成的13個評審小組對總共1088份文件和154G的數據進行了評審，認為火箭的設計在技術上正確、有效、成熟，可以繼續進行全尺寸生產、組裝、集成和試驗。除內部評審外，常設評審委員會還進行了獨立評審，評審專家認為火箭技術設計良好、性能余度大，符合既定目標和預設的進度和成本要求，可通過關鍵設計評審。這意味著“航天發射系統”項目又完成一項關鍵里程碑事件，可順利進入系統組裝、集成、試驗和投產（階段D）。這也是美國航空航天局繼航天飛機后首次進行重型火箭的關鍵設計評審。

“航天發射系統”項目在完成火箭的制造、組裝和試驗后將于2017年進行設計鑒定（DC），即按照初始設計評估制造完成的火箭。此外，首飛前的里程碑事件還包括系統集成評審（SIR）、試驗準備評審（TRR）、運行使用準備評審（ORR）和飛行準備評審（FRR）。

芯級

“航天發射系統”芯級是目前世界上最大的火箭推進級，高64.6m，直徑8.4m。芯級由波音公司在位于新奧爾良州的美國航空航天局米丘德工廠進行生產制造。芯級主要分為5部分：氧箱（容積為742m）、氫箱（容積為2032m）、前裙段、箱間段和發動機段。各部分通過環狀連接件連接以保證強度。

芯級的焊接工裝建設已取得顯著進展，箱段、箱底和環狀結構件的生產在進行中。米丘德工廠的垂直組裝中心（VAC）已完成安裝，該工裝高51.8m，寬23.8m，是世界上最大的航天運載器焊接工裝。此外，米丘德工廠還安裝了另外5臺先進的焊接工裝，焊接工作于2015年底啟動。所有芯級結構件（含樣件、試驗件和飛行件）的焊接工作將于2016年夏全部完成，為“航天發射系統”火箭2018年首飛做準備。

為確保芯級能夠承受火箭起飛時和飛行過程中的載荷，美國航空航天局專門為“航天發射系統”芯級修建了4座新的結構試驗臺，分別用于芯級氫箱、氧箱、級間段和發動機段的試驗。氫箱和氧箱的試驗臺編號分別為4693號和4697號。4693號試驗臺由兩座高約65.53m的高塔組成，耗用鋼材2150t，在原土星-5（Satum-5）火箭F-1發動機的試驗臺基座上建造，用于測試56m高的液氫貯箱，目前已封頂。4697號試驗臺位于馬歇爾航天中心西試驗區，高約26m，將使用692t鋼材，用于測試“航天發射系統”火箭的液氧貯箱和前裙段。測試時，貯箱將垂直放置，通過加注液氮進行壓力測試。

4693號試驗臺

2016年，美國航空航天局又在馬歇爾航天中心結構和環境測試實驗室啟動了箱間段試驗臺和發動機段試驗臺鋼結構的修建，2個試驗臺高度分別達到18.9m和15.2m，計劃用于“航天發射系統”芯級箱間段和發動機段的載荷測試。試驗臺上裝有液壓缸，可以模擬火箭發射和飛行的結構載荷。新型試驗臺預計2016年底完工，2017年可進行貯箱的結構試驗。

RS—25主發動機

“航天發射系統”三種構型都將采用RS-25發動機作為芯級主發動機。該發動機由洛克·達因公司（Aerojet Rocketdyne）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。它曾用作航天飛機的主發動機，特點是性能穩定，可靠性高，任務成功率達到100%，可靠性達0.9996。在航天飛機135次任務和相關發動機試驗中，RS-25發動機共計進行了106s的熱點火。

RS-25發動機將在“航天發射系統”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，達到額定值的109%。“航天發射系統”項目目前有16臺飛行用RS-25發動機和2臺試驗用發動機，分別用于“航天發射系統”火箭的前4次飛行任務和所需的發動機改進。

過去幾年，發動機的改進工作主要圍繞“航天發射系統”性能需求展開。0525號試驗型發動機在2015年8月前完成了首輪7次熱點火試驗，總時長超過3000s。關鍵目標包括：①確定推進劑入口條件和啟動程序；②確定接口條件改進，包括新的底部熱環境；③硬件驗收試驗和含流體動力在內的延壽；④新型控制器和軟件的研發和鑒定。

基于試驗和模型數據，首輪熱點火試驗取得成功。試驗數據中未出現故障，也未出現發動機關機情況。第二輪試驗將使用 2059號飛行發動機，該發動機將用于“航天發射系統”的第二次飛行。試驗計劃在2016年進行，在此之前還將開展EM-2飛行任務中使用的發動機組件試驗，測試飛行用發動機的新型控制器。

后續飛行任務所用發動機的生產工作也將重啟。美國航空航天局于2015年11月向洛克·達因公司授出11.6億美元的合同，重新啟動RS-25主發動機的研制工作。根據合同，洛克·達因公司需對發動機進行優化，將其改為一次性使用發動機，成本將更低，推力可達到額定功率的111%。擴展合同包括生產6臺新型發動機，用于“航天發射系統”后續飛行任務。

助推器

航天發射系統-1、1B型火箭配備了2臺五段式固體助推器，由軌道-阿連特技術系統公司（簡稱軌道-ATK公司）研制生產。單枚助推器質量726t，推進劑為聚丁二烯丙烯晴（PBAN）。兩枚助推器共產生約16000kN的推力，可為“航天發射系統”重型火箭提供75%的推力。該助推器是世界上最大的固體火箭助推器，由航天飛機原四段式固體助推器改裝而來，繼承了很多結構和設計技術，新改進的部分包括：改用無石棉隔熱材料，增大噴管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。相對于航天飛機的四段式助推器，該助推器的推力提高了20%，比沖提高了24%。

2016年6月28日，五段式固體助推器進行第二次鑒定試驗

2016年6月28日，固體助推器的低溫極值試驗即第二次鑒定試驗（QM-2）在軌道-ATK公司的試驗場內進行。助推器被冷卻至4.4℃之后點火，試驗時長126s，內部溫度達到3300℃左右。530多個測量儀器為技術團隊提供了82項鑒定目標的關鍵數據，后續將用于助推器參加實際飛行前的性能分析。試驗完成后，助推器將被運送至美國航空航天局肯尼迪航天中心準備首飛。

此前，五段式固體助推器曾于2015年3月11日成功完成第一次鑒定試驗（QM-1）。在這次高溫極值試驗中，助推器被加熱至32℃后進行點火，檢驗了助推器在高溫條件下的性能。試驗完成了與發動機關鍵改進相關（如發動機的新隔熱層、墊圈及改進后的噴管設計）的數據收集，并通過對助推器儀器通道的監測進一步驗證了助推器設計符合彈道性能要求（如推力和壓力等）。

美國航空航天局還于2012年啟動了“先進助推器工程驗證和風險降低”（ABEDRR）項目，旨在為“航天發射系統”尋找更先進的助推器替代方案。先進助推器主要用于運載能力達130t的航天發射系統-2。先進助推器比現有五段固體助推器推力更大，對長期的深空探索工程而言價格更合理，同時還要與“航天發射系統”火箭的通用芯級結構相匹配。通過“先進助推器工程驗證和風險降低”項目，美國航空航天局對幾種先進助推器方案進行了研究，比較各個方案的相關性、內在優點和價格，已選定了4家公司的5個方案開展研究。后續，美國航空航天局將對先進助推器設計、研發、試驗和評估（DDT&E）進行公開競標。

上面級

航天發射系統-1火箭使用由德爾他-4（Delta-4）火箭低溫二子級改進而來的過渡型低溫上面級（ICPS），氫箱直徑5m，氧箱直徑4m，推進劑最大加注量為27t，使用單臺RL-10B-2發動機，真空推力110kN，最長工作時間為700s。改進工作包括加長推進劑貯箱，增加姿控所需的肼瓶，增設電子設備等，以滿足航天發射系統-1火箭的載荷和工作環境要求。2015年10月，過渡型低溫上面級已完成結構試驗件的制造。

過渡型低溫上面級（lCPS）

航天發射系統-1B、2火箭將使用探索型上面級（EUS），長18.3m，氫箱直徑8.4m，氧箱直徑5.5m，推進劑最大加注量為129t，使用4臺RL-10C-1發動機，單臺推力為101kN，最長工作時間為2ks。該上面級最早將用于2021年左右的探索任務-2。

RL-10系列氫氧發動機多用于火箭的上面級，它由普惠公司于20世紀50年代研發，并在1963年首飛。該發動機參與過數百次發射，點火15000余次，累積時長2.3×106s，可靠性達0.999。該發動機曾用于“宇宙神”（Atlas）“半人馬座”（Centaur）上面級（RL-10A-4-2）、德爾他-4C上面級（RL-10B-2）以及土星-1的二子級（RL-10A-3）。

發射場

為滿足美國航空航天局以探索任務-1、2為起點的深空探索任務，在肯尼迪航天中心修建和改進了所需的設施和地面支持設備，改進相關的通信和控制系統，以進行“航天發射系統”火箭和“獵戶座”飛船飛行硬件的準備、組裝、試驗、發射和回收。目前，地面系統已完成移動發射車的結構和設備改進；在垂直組裝大樓開展發射平臺適應性建設，為“航天發射系統”火箭操作提供進出通道；在LC-39B發射工位，建設尾焰導流槽，完成基礎設施和推進劑/供氣系統的改進；安裝和升級軟件，以支持端對端發射場指令和控制系統應用；以及移動運輸車的延壽和改進。后續還將完成發射場指揮和控制系統（SCCS）的研發和驗證、移動發射車（ML）地面支持設備的安裝和臍帶安裝等。

3 分析

火箭系列構型進行局部調整

在完成航天發射系統-1火箭的關鍵設計評審之后，美國航空航天局對“航天發射系統”重型火箭的構型也進行了調整，各型火箭均采用公共芯級以RS-25主發動機為動力。航天發射系統-1B將繼續采用五段式固體火箭助推器而不是原來的先進火箭助推器，這樣有利于加快研制進度。航天發射系統-1B、2火箭都將采用由4臺RL-10C發動機組成的探索型上面級，更是利用已有的成熟上面級發動機技術，不僅可以降低研制成本，還能確保高可靠飛行目標。在此基礎上，航天發射系統-2將研制先進固體或液體助推器，以替代五段式固體助推器。

航天發射系統—1火箭研制和試驗有序進行

美國航空航天局已完成了航天發射系統-1火箭的關鍵設計評審；安裝了6臺大型焊接工裝，用于火箭芯級主要結構件的焊接；建造了4個新的試驗臺，用于芯級貯箱、箱間段、發動機段的載荷試驗；制造完成了芯級、助推器、級間段、飛船支架等結構件的樣件、試驗件和飛行件；開展了芯級發動機單臺熱點火試驗（7次）和固體助推器驗證試驗（3次）與鑒定試驗（2次）。后續還將開展芯級飛行用發動機單機試驗和4臺發動機聯合試驗。肯尼迪航天中心的發射場適應性建設和改進已完成大部分工作，所有改進工作將于2018年初完成。

美國航空航天局陸續部署演進型火箭的研制

美國航空航天局目前將工作重點放在航天發射系統-1首飛上，但與此同時也在開展演進構型研制的相關工作。2014年6月，美國航空航天局提出研制探索型上面級替換航天發射系統-1的過渡型上面級，但美國航空航天局安全辦公室和航天員辦公室反對用新上面級執行載人任務。因此，2021年的探索任務-2（航天發射系統-1B首飛）將可能是一次無人試驗飛行，首次載人飛行將推遲至2023年的探索任務-3。主發動機方面，現有的16臺飛行用RS-25發動機僅夠前4次飛行任務，美國航空航天局已授出了后續任務使用的RS-25E發動機（一次性使用）的研制生產合同。最后，將研制全新的先進固體或液體火箭助推器，實現最終載人火星探索目標。