美国“航天发射系统”重型火箭研制进展

（北京航天长征科技信息研究所）

美国“航天发射系统”重型火箭研制进展

Development of U.S. Space Launch System Heavy Rocket

解晓芳 才满瑞（北京航天长征科技信息研究所）

2016年8月18日，世界上最大的重型运载火箭—在研的“航天发射系统”（SLS）成功进行了RS—25芯级发动机热点火试车。美国以举国之力研制这枚超级火箭的目的是将航天员送往更远的太空，进入到月球附近，并成为人类深空探测的基石。“航天发射系统”将于2018年实现首飞，届时，它将把载有航天员的“猎户座”（Orion）飞船送入太空，最终目的地是火星。

“航天发射系统”项目自2011年9月对外发布方案以来已经取得多项进展。目前，用于载人深空探索的“航天发射系统”重型运载火箭进展顺利，遍布全美的车间、厂房和试验台正在对火箭相关的硬件进行焊接、组装和测试，包括芯级主发动机和固体助推器的热点火试验、飞行用结构件的制造生产等。“航天发射系统”项目还在2015年10月通过了关键设计评审（CDR）。“航天发射系统”将以安全性、可负担性和可持续性为目标，实现人类历史上最大的载人/机器人航天运输能力。

1 “航天发射系统”项目概况

随着人类探索太空的不断深入，美国航空航天局（NASA）将未来的探索目标瞄准了更加遥远的深空。美国在21世纪初制定了重返月球的“星座”计划，尽管该计划于2010年初被宣布停止，但是美国航空航天局并没有终止重型火箭的研发进程。2010年4月，奥巴马总统提出了新的载人火星探索构想并得到政府批准。2011年9月，美国航空航天局正式对外公布了美国新型重型运载火箭—“航天发射系统”方案。

2015年8月，美国航空航天局对外发布了火星探索路线图，将人类登陆火星计划分为3个阶段：即“地球依赖”阶段、“地月试验场”阶段和“地球独立”阶段。“地球依赖”阶段主要以“国际空间站”为平台，继续收集“国际空间站”技术试验信息，为深空探索任务做准备。“地月试验场”阶段主要发展深空运输基础设施，进入地月空间开展一系列试验，验证人类火星探索任务所需要的能力。“地球独立”阶段将发射载人飞船进入火星轨道，最终实现航天员登陆火星表面，开展科学技术研究。为实现这些目标，分阶段研制“航天发射系统”重型火箭成为美国载人火星探索计划最重要的组成部分之一。

美国航空航天局从一开始就采取渐进式、分阶段方式研制“航天发射系统”重型运载火箭。“航天发射系统”火箭有3个基准构型，分别为：航天发射系统-1、1B和2。其中，航天发射系统-1为初始型号， 低地球轨道（LEO）运载能力为70t，而改进的航天发射系统-1B和最终的航天发射系统-2低地球轨道运载能力分别达到105t 和130t。

航天发射系统-1全长98.2m，起飞质量2500t，起飞推力约39000kN，由4台RS-25液氢/液氧芯级主发动机和2个五段式固体火箭助推器组成。芯级高64.6m，直径8.4m，可以容纳952t的推进剂，容积居世界之首。五段式固体助推器高54m，直径3.7m，推进剂质量约680t。芯级和助推器的发动机都继承了航天飞机项目的硬件。航天发射系统-1B分载人型和载货型两种，芯级和捆绑助推器与航天发射系统-1相同，将采用由4台RL-10C发动机组成的探索上面级（EUS）。 航天发射系统-2将延用航天发射系统-1B的芯级和上面级，新研先进固体或液体捆绑助推器，以将运载能力提高到130t。

航天发射系统-1火箭将于2018年9月执行首飞任务，即探索任务-1（EM-1），发射“猎户座”飞船执行无人绕月飞行，测试箭船的整体性能。探索任务-2任务计划在2021年左右进行，将首次发射载人的“猎户座”飞船进行绕月飞行，飞到人类以前从未达到的更远深空并返回地球，为载人火星任务做准备。“航天发射系统”火箭的后续任务和有效载荷尚未确定，多种方案现处于研究阶段，其中包括载人登陆小行星和对木卫二进行机器人科学考察。

2 “航天发射系统”研制进展

关键里程碑事件

“航天发射系统”项目按照美国航空航天局系统工程/项目寿命周期管理，所有事项划分为7个递进阶段，分别为：概念探索（A前阶段），概念研究和技术开发（阶段A）、初步设计和技术完善（阶段B），详细设计和制造（阶段C），系统组装、集成、试验和投产（阶段D）、运行使用与维护（阶段E）与退役处理（阶段F）。自2011年美国公布“航天发射系统”重型火箭方案后，“航天发射系统”项目已完成了前4个阶段，并通过了系统需求评审（SRR）、系统定义评审（SDR）、初步设计评审（PDR）和关键设计评审（CDR）等关键里程碑。

2015年10月，航天发射系统-1型火箭顺利通过关键设计评审（CDR）。评审中，来自美国航空航天局、工业界的高级工程师和宇航专家组成的13个评审小组对总共1088份文件和154G的数据进行了评审，认为火箭的设计在技术上正确、有效、成熟，可以继续进行全尺寸生产、组装、集成和试验。除内部评审外，常设评审委员会还进行了独立评审，评审专家认为火箭技术设计良好、性能余度大，符合既定目标和预设的进度和成本要求，可通过关键设计评审。这意味着“航天发射系统”项目又完成一项关键里程碑事件，可顺利进入系统组装、集成、试验和投产（阶段D）。这也是美国航空航天局继航天飞机后首次进行重型火箭的关键设计评审。

“航天发射系统”项目在完成火箭的制造、组装和试验后将于2017年进行设计鉴定（DC），即按照初始设计评估制造完成的火箭。此外，首飞前的里程碑事件还包括系统集成评审（SIR）、试验准备评审（TRR）、运行使用准备评审（ORR）和飞行准备评审（FRR）。

芯级

“航天发射系统”芯级是目前世界上最大的火箭推进级，高64.6m，直径8.4m。芯级由波音公司在位于新奥尔良州的美国航空航天局米丘德工厂进行生产制造。芯级主要分为5部分：氧箱（容积为742m）、氢箱（容积为2032m）、前裙段、箱间段和发动机段。各部分通过环状连接件连接以保证强度。

芯级的焊接工装建设已取得显著进展，箱段、箱底和环状结构件的生产在进行中。米丘德工厂的垂直组装中心（VAC）已完成安装，该工装高51.8m，宽23.8m，是世界上最大的航天运载器焊接工装。此外，米丘德工厂还安装了另外5台先进的焊接工装，焊接工作于2015年底启动。所有芯级结构件（含样件、试验件和飞行件）的焊接工作将于2016年夏全部完成，为“航天发射系统”火箭2018年首飞做准备。

为确保芯级能够承受火箭起飞时和飞行过程中的载荷，美国航空航天局专门为“航天发射系统”芯级修建了4座新的结构试验台，分别用于芯级氢箱、氧箱、级间段和发动机段的试验。氢箱和氧箱的试验台编号分别为4693号和4697号。4693号试验台由两座高约65.53m的高塔组成，耗用钢材2150t，在原土星-5（Satum-5）火箭F-1发动机的试验台基座上建造，用于测试56m高的液氢贮箱，目前已封顶。4697号试验台位于马歇尔航天中心西试验区，高约26m，将使用692t钢材，用于测试“航天发射系统”火箭的液氧贮箱和前裙段。测试时，贮箱将垂直放置，通过加注液氮进行压力测试。

4693号试验台

2016年，美国航空航天局又在马歇尔航天中心结构和环境测试实验室启动了箱间段试验台和发动机段试验台钢结构的修建，2个试验台高度分别达到18.9m和15.2m，计划用于“航天发射系统”芯级箱间段和发动机段的载荷测试。试验台上装有液压缸，可以模拟火箭发射和飞行的结构载荷。新型试验台预计2016年底完工，2017年可进行贮箱的结构试验。

RS—25主发动机

“航天发射系统”三种构型都将采用RS-25发动机作为芯级主发动机。该发动机由洛克·达因公司（Aerojet Rocketdyne）生产，是历史上第一台可重复使用火箭发动机，也是最可靠、试验次数最多的大型火箭发动机之一。它曾用作航天飞机的主发动机，特点是性能稳定，可靠性高，任务成功率达到100%，可靠性达0.9996。在航天飞机135次任务和相关发动机试验中，RS-25发动机共计进行了106s的热点火。

RS-25发动机将在“航天发射系统”火箭上升段为芯级提供推力，每台发动机可以产生约2320kN的真空推力，达到额定值的109%。“航天发射系统”项目目前有16台飞行用RS-25发动机和2台试验用发动机，分别用于“航天发射系统”火箭的前4次飞行任务和所需的发动机改进。

过去几年，发动机的改进工作主要围绕“航天发射系统”性能需求展开。0525号试验型发动机在2015年8月前完成了首轮7次热点火试验，总时长超过3000s。关键目标包括：①确定推进剂入口条件和启动程序；②确定接口条件改进，包括新的底部热环境；③硬件验收试验和含流体动力在内的延寿；④新型控制器和软件的研发和鉴定。

基于试验和模型数据，首轮热点火试验取得成功。试验数据中未出现故障，也未出现发动机关机情况。第二轮试验将使用 2059号飞行发动机，该发动机将用于“航天发射系统”的第二次飞行。试验计划在2016年进行，在此之前还将开展EM-2飞行任务中使用的发动机组件试验，测试飞行用发动机的新型控制器。

后续飞行任务所用发动机的生产工作也将重启。美国航空航天局于2015年11月向洛克·达因公司授出11.6亿美元的合同，重新启动RS-25主发动机的研制工作。根据合同，洛克·达因公司需对发动机进行优化，将其改为一次性使用发动机，成本将更低，推力可达到额定功率的111%。扩展合同包括生产6台新型发动机，用于“航天发射系统”后续飞行任务。

助推器

航天发射系统-1、1B型火箭配备了2台五段式固体助推器，由轨道-阿连特技术系统公司（简称轨道-ATK公司）研制生产。单枚助推器质量726t，推进剂为聚丁二烯丙烯晴（PBAN）。两枚助推器共产生约16000kN的推力，可为“航天发射系统”重型火箭提供75%的推力。该助推器是世界上最大的固体火箭助推器，由航天飞机原四段式固体助推器改装而来，继承了很多结构和设计技术，新改进的部分包括：改用无石棉隔热材料，增大喷管以适应更大的内部压力，采用新的控制设备和推进剂药柱等。芯级和助推器的连接点也比航天飞机外贮箱的连接点更低。相对于航天飞机的四段式助推器，该助推器的推力提高了20%，比冲提高了24%。

2016年6月28日，五段式固体助推器进行第二次鉴定试验

2016年6月28日，固体助推器的低温极值试验即第二次鉴定试验（QM-2）在轨道-ATK公司的试验场内进行。助推器被冷却至4.4℃之后点火，试验时长126s，内部温度达到3300℃左右。530多个测量仪器为技术团队提供了82项鉴定目标的关键数据，后续将用于助推器参加实际飞行前的性能分析。试验完成后，助推器将被运送至美国航空航天局肯尼迪航天中心准备首飞。

此前，五段式固体助推器曾于2015年3月11日成功完成第一次鉴定试验（QM-1）。在这次高温极值试验中，助推器被加热至32℃后进行点火，检验了助推器在高温条件下的性能。试验完成了与发动机关键改进相关（如发动机的新隔热层、垫圈及改进后的喷管设计）的数据收集，并通过对助推器仪器通道的监测进一步验证了助推器设计符合弹道性能要求（如推力和压力等）。

美国航空航天局还于2012年启动了“先进助推器工程验证和风险降低”（ABEDRR）项目，旨在为“航天发射系统”寻找更先进的助推器替代方案。先进助推器主要用于运载能力达130t的航天发射系统-2。先进助推器比现有五段固体助推器推力更大，对长期的深空探索工程而言价格更合理，同时还要与“航天发射系统”火箭的通用芯级结构相匹配。通过“先进助推器工程验证和风险降低”项目，美国航空航天局对几种先进助推器方案进行了研究，比较各个方案的相关性、内在优点和价格，已选定了4家公司的5个方案开展研究。后续，美国航空航天局将对先进助推器设计、研发、试验和评估（DDT&E）进行公开竞标。

上面级

航天发射系统-1火箭使用由德尔他-4（Delta-4）火箭低温二子级改进而来的过渡型低温上面级（ICPS），氢箱直径5m，氧箱直径4m，推进剂最大加注量为27t，使用单台RL-10B-2发动机，真空推力110kN，最长工作时间为700s。改进工作包括加长推进剂贮箱，增加姿控所需的肼瓶，增设电子设备等，以满足航天发射系统-1火箭的载荷和工作环境要求。2015年10月，过渡型低温上面级已完成结构试验件的制造。

过渡型低温上面级（lCPS）

航天发射系统-1B、2火箭将使用探索型上面级（EUS），长18.3m，氢箱直径8.4m，氧箱直径5.5m，推进剂最大加注量为129t，使用4台RL-10C-1发动机，单台推力为101kN，最长工作时间为2ks。该上面级最早将用于2021年左右的探索任务-2。

RL-10系列氢氧发动机多用于火箭的上面级，它由普惠公司于20世纪50年代研发，并在1963年首飞。该发动机参与过数百次发射，点火15000余次，累积时长2.3×106s，可靠性达0.999。该发动机曾用于“宇宙神”（Atlas）“半人马座”（Centaur）上面级（RL-10A-4-2）、德尔他-4C上面级（RL-10B-2）以及土星-1的二子级（RL-10A-3）。

发射场

为满足美国航空航天局以探索任务-1、2为起点的深空探索任务，在肯尼迪航天中心修建和改进了所需的设施和地面支持设备，改进相关的通信和控制系统，以进行“航天发射系统”火箭和“猎户座”飞船飞行硬件的准备、组装、试验、发射和回收。目前，地面系统已完成移动发射车的结构和设备改进；在垂直组装大楼开展发射平台适应性建设，为“航天发射系统”火箭操作提供进出通道；在LC-39B发射工位，建设尾焰导流槽，完成基础设施和推进剂/供气系统的改进；安装和升级软件，以支持端对端发射场指令和控制系统应用；以及移动运输车的延寿和改进。后续还将完成发射场指挥和控制系统（SCCS）的研发和验证、移动发射车（ML）地面支持设备的安装和脐带安装等。

3 分析

火箭系列构型进行局部调整

在完成航天发射系统-1火箭的关键设计评审之后，美国航空航天局对“航天发射系统”重型火箭的构型也进行了调整，各型火箭均采用公共芯级以RS-25主发动机为动力。航天发射系统-1B将继续采用五段式固体火箭助推器而不是原来的先进火箭助推器，这样有利于加快研制进度。航天发射系统-1B、2火箭都将采用由4台RL-10C发动机组成的探索型上面级，更是利用已有的成熟上面级发动机技术，不仅可以降低研制成本，还能确保高可靠飞行目标。在此基础上，航天发射系统-2将研制先进固体或液体助推器，以替代五段式固体助推器。

航天发射系统—1火箭研制和试验有序进行

美国航空航天局已完成了航天发射系统-1火箭的关键设计评审；安装了6台大型焊接工装，用于火箭芯级主要结构件的焊接；建造了4个新的试验台，用于芯级贮箱、箱间段、发动机段的载荷试验；制造完成了芯级、助推器、级间段、飞船支架等结构件的样件、试验件和飞行件；开展了芯级发动机单台热点火试验（7次）和固体助推器验证试验（3次）与鉴定试验（2次）。后续还将开展芯级飞行用发动机单机试验和4台发动机联合试验。肯尼迪航天中心的发射场适应性建设和改进已完成大部分工作，所有改进工作将于2018年初完成。

美国航空航天局陆续部署演进型火箭的研制

美国航空航天局目前将工作重点放在航天发射系统-1首飞上，但与此同时也在开展演进构型研制的相关工作。2014年6月，美国航空航天局提出研制探索型上面级替换航天发射系统-1的过渡型上面级，但美国航空航天局安全办公室和航天员办公室反对用新上面级执行载人任务。因此，2021年的探索任务-2（航天发射系统-1B首飞）将可能是一次无人试验飞行，首次载人飞行将推迟至2023年的探索任务-3。主发动机方面，现有的16台飞行用RS-25发动机仅够前4次飞行任务，美国航空航天局已授出了后续任务使用的RS-25E发动机（一次性使用）的研制生产合同。最后，将研制全新的先进固体或液体火箭助推器，实现最终载人火星探索目标。