美国SLS重型运载火箭最新进展分析

任奇野 曲晶（北京航天长征科技信息研究所）

“航天发射系统”（SLS）为美国新一代重型运载火箭，将用于执行近地轨道及以远区域深空探索任务。该项目于2011年启动，已通过关键设计评审（CDR），火箭各主要部段正在开展制造、试验工作。项目开展至今，虽然遭遇诸多工程技术挑战，但也取得了稳步进展。

1 引言

特朗普就任美国总统后，于2017年6月下令重建国家航天委员会，任命副总统彭斯为委员会主席。10月5日，彭斯在该委员会第一次会议期间宣布要重振美国航天的未来，包括载人登月和建立永久性月球基地，并指示美国国家航空航天局（NASA）制定载人探月规划，将月球作为火星等深空任务的“踏脚石、训练场及加强商业和国际合作的场所”。彭斯还指出，“美国将在人类重返月球开展长期探测方面发挥领导作用，随后再对火星和其他目的地进行载人探测。”彭斯的提议得到了轨道-ATK公司、美国太空探索技术公司（SpaceX）等业内巨头的支持。12月11日，特朗普在白宫签署航天政策指令，宣布美国航天员将重返月球并最终前往火星。

作为执行美国载人深空探测任务的新一代重型运载火箭，SLS将在重返月球计划中继续发挥重要的运输作用。SLS火箭共有3种构型：SLS-1、SLS-1B和SLS-2。目前，NASA正在开展火箭各部段的制造、试验等工作，计划在2019年底实现首次“探索任务”（EM-1）。SLS-1型将采用五段式固体助推器、通用芯级和过渡型低温上面级（ICPS），可实现70t近地轨道运载能力和30t月球轨道运载能力。后续通过采用“探索上面级”（EUS）替换过渡型低温上面级形成SLS-1B，近地轨道运载能力将达105t，月球轨道运载能力达40t。在SLS-1B的基础上，再通过使用先进助推器替代五段式固体助推器，可以实现130t的近地轨道运载能力。

2 SLS重型火箭最新进展

RS-25发动机

SLS火箭3种构型都采用RS-25作为通用芯级发动机，每个芯级安装4台发动机，在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，总推力约8900kN。RS-25由航天飞机主发动机（SSME）改进而来，现有库存18台，其中2台作为研制用发动机，16台为飞行用发动机。SLS火箭前4次飞行计划使用库存的16台可重复使用的RS-25D发动机，自第5次任务开始，将采用改进后的一次性使用RS-25E发动机，改进后的发动机性能与RS-25D相当。NASA已向航空喷气-洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）授出11.6亿美元合同，将可重复使用RS-25D发动机改为一次性使用发动机，并进行热试车。改进后的发动机精简了零部件和焊接点，推力可达到额定功率的109%，成本降低30%。

SLS火箭各构型设计

为满足SLS性能需求，NASA从2015年1月对改进后的发动机进行了热试车，重点对新型控制器及防热材料进行了试验。2017年，NASA共进行了8次飞行控制器试验，每次点火持续时间500s。截至2017年12月31日，SLS首飞用4台发动机已完成飞行准备工作，即将与芯级集成，为发射前的最终测试做准备。之后，4台发动机将在改装后的B-2试验台上进行联合试车。

RS-25发动机热点火试车情况

芯级

SLS芯级是目前世界上最大的火箭推进级，高64.6m，直径8.4m，由波音公司制造。主要分为5部分：前裙段、液氧贮箱、箱间段、液氢贮箱和发动机段。各部分通过环状连接件连接以保证强度，芯级结构主要材料采用铝合金2219。

芯级前裙段为芯级与上面级的接口，主要用于安装包括飞行计算机在内的火箭电子设备。前裙结构内有由发动机舱段延伸至前裙的气态氧增压管路，壳体上设有气态氧排气管路安装点和开口。SLS-1型和SLS-1B型的接口及脐带开口设计相同。

液氧贮箱位于前裙与箱间段之间，可贮存742m3低温液氧（-183℃）。液氧贮箱由2个箱底、2个Y型环和2个筒段组成，筒段内表面为正交网格，液氧贮箱内还装有推进剂感应器及防晃板。

箱间段用于连接芯级液氧贮箱和液氢贮箱，是芯级厚度最大的结构，也是芯级唯一一个采用螺栓连接的部段。部段内有由发动机舱段延伸至液氢贮箱的气态氢增压管路。火箭航电设备放置于箱间段内壁搁板上。五段式固体助推器与芯级的上连接点位于箱间段上。

液氢贮箱位于箱间段和发动机舱段之间，直径8.4m，高度超过39.6m，可贮存2033m3液氢（-253℃）。液氢贮箱由2个箱底、2个Y型环和5个筒段组成，每个筒段高6.7m、质量4.1t，箱底则由12块铝合金瓜瓣焊接而成。箱体外部光滑，内壁为正交网格。箱底和筒段经搅拌摩擦焊工艺焊接在一起后，通过塞焊消除搅拌摩擦焊匙孔并修复焊接缺陷。匙孔的直径约25mm。液氢贮箱内壁还装有推进剂感应器。

发动机舱段内置4台RS-25发动机、氢氧输送管路、主推进系统部件、推力矢量控制部件和航电部件。五段式固体助推器与芯级的下部连接点位于发动机舱段上。发动机筒段内表面采用三角形网格。

截至2017年12月31日，用于EM-1任务的5个芯级部段飞行件已制造完毕，计划在2018年秋天完成芯级组装，并运往斯坦尼斯准备于2019年初进行芯级首次试验。发动机舱段试验件已于2017年5月安装在马歇尔航天中心结构试验台上。液氢贮箱、液氧贮箱、箱间段试验件计划于2018年运往该中心进行结构试验。

五段式固体火箭发动机性能参数

五段式固体助推器

SLS-1型和SLS-1B型火箭配备的五段式助推器由轨道-ATK公司[后由诺格公司（Northrop Grumman）收购]研制并生产，继承了航天飞机固体助推器的很多硬件和设计，如：前裙、金属外壳、尾裙和推力矢量控制系统。改进之处在于：采用无石棉隔热层，增大喷管直径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。相比于航天飞机四段式固体助推器，该助推器的推力提高了20%，比冲提高了24%。

2015-2016年，五段式固体火箭助推器完成了2次全工况地面鉴定试验QM-1和QM-2，测试助推器在极限温度条件下的性能。QM-1为高温极值试验，助推器加热至32℃后持续点火2min，共产生约16014kN推力，试验过程中，助推器内部温度高达3093℃。在QM-2试验中，助推器冷却至4.4℃后点火，试验时长126s，内部温度达3300℃，助推器尾焰速度达到马赫数3。低温试验是SLS-1首飞前固体助推器进行的最后一次全工况点火试验。

RL10B-2发动机性能参数

现阶段，SLS-1型火箭首飞使用的固体火箭助推器已进入全面生产阶段。所有发动机部段制造完成后，将运至肯尼迪航天中心与前裙和尾裙集成，并安装在芯级两侧。2017年10月，助推器航电系统完成了系统级鉴定试验。

过渡型低温上面级

过渡型低温上面级是SLS-1型二子级，由德尔他-4（Delta-4）火箭低温二子级改进而来。过渡型低温上面级高13.7m，最大直径5.0m，总质量约31t，结构质量约3.5t，推进剂最大加注量约为27t，采用单台RL10B-2发动机提供动力。液氧贮箱直径4m，液氢贮箱直径5m，分别用氮气和氢气增压，液氧贮箱通过箱间桁架（V形支杆）吊挂在液氢贮箱下方。为满足SLS要求，波音公司还对过渡型低温上面级进行了微小的改进，包括：增加液氢贮箱长度，增加姿控氦气瓶以及调整航电系统设计。

2012年7月，NASA与波音公司签订为期8年、金额1.75亿美元的合同，要求波音公司在2016年9月30日前完成德尔他-4火箭低温二子级的改进工作。2017年7月，过渡型低温上面级飞行件已在卡纳维拉尔角空军基地完成最终测试和检查，并运抵肯尼迪航天中心准备与其他部段集成。

“探索上面级”

NASA从2014年开始考虑调整SLS第2次飞行任务EM-2的上面级，改用新的“探索上面级”。“探索上面级”长18.3m，推进剂最大加注量为129t。其结构主要包括：前适配器、液氢贮箱、箱间结构、液氧贮箱、设备架和推进结构。

前适配器为铝锂合金正交网格筒段，高1.8m，直径8.4m，用于连接飞船和“探索上面级”液氢贮箱。筒段采用搅拌摩擦焊工艺。内部装有液氢贮箱增压管路、氢气通风管道和地面接口配线。

液氢贮箱直径8.4m，可贮存295m3液氢（-253℃），主结构包括采用搅拌摩擦焊接技术连接起来的2个铝锂合金椭圆拱底和1个正交网格筒段。液氢贮箱内装有先进的燃料水平感应系统和防晃板。为保持贮箱低温条件，同时防止贮箱结冰，箱体外附有橙色泡沫防护层。

箱间结构为液氢贮箱和液氧贮箱的连接结构，包括后适配器和金属V形支杆。后适配器主结构与前适配器相似，高1.8m，直径8.4m，采用铝锂合金材料。V形支杆交叠排列支撑液氧贮箱。箱间结构也是增压系统、增压箱、计算机硬件和天线的支撑结构。

液氧贮箱直径5.5m，可贮存95m3液氧（-183℃）。箱体采用铝锂合金材料，内装液氧水平感应系统。推进结构连接在旋压成型的箱底上，设备架与氧箱后法兰相接。

设备架由平板和支架组成，与液氧贮箱法兰相连。平板采用铝锂合金材料，用于支撑航电和推进系统。其中，航电系统包括飞行计算机、制导和RL10C-3发动机控制系统；推进系统包括轨道机动反控制系统和肼燃料贮箱。

推进结构包括连接在液氧贮箱箱底的横梁和支杆，用于支撑RL10C-3发动机。横梁和支杆都由高强铝合金制成。

级间段用于连接上面级和芯级，为铝锂合金正交网格筒段。该部段承受芯级以上结构的全部质量，约181.4t。上面级和芯级的分离系统置于该部段中。

NASA已与航空喷气-洛克达因公司签订了金额1.74亿美元的合同，航空喷气-洛克达因公司需在2024年1月29日前完成研制、测试、验证和交付，为SLS火箭第2次、第3次飞行提供10台RL10C-3发动机（其中2台为备用）。使用该型发动机可以缩短SLS改进型号的研制时间，同时避免研制新型发动机所产生的高额研制成本。发动机交付后，NASA将进行单机试验和4台发动机首次联合试验，验证发动机的兼容性和功能性。2017年1月，“探索上面级”通过了初步设计评审。

其他

SLS-1型火箭级间段整体呈圆锥形，下部直径8.4m，上部直径5m，用于连接芯级和过渡型低温上面级。该结构件通过招标的方式转给承包商美国特利丹布朗工程公司（Teledyne Technologies Inc.）生产。2017年8月，用于EM-1任务的级间段已焊接完成，并已从先进焊接和制造设施转移至国家先进制造中心喷涂热防护层，2个设施都位于马歇尔航天中心内。

飞行用“猎户座”（Orion）飞船支架已装配完毕，目前正在进行次级载荷、电缆、航电设备的安装工作。2017年7月，飞船支架试验件已由“超级古柏”飞机运往洛马公司（LM），与“猎户座”集成进行结构试验。

3 任务规划新进展

SLS超大的起飞质量、载荷容积和特性能量（C3）为科学任务提供了更多的可能。NASA考虑将SLS应用于木卫二多次飞越任务中，该任务用于观测木卫二并调查其是否适宜居住，科学家认为木卫二上有巨大的地下海洋，水量为地球水量的2倍之多。如果使用宇宙神-5（Atlas-5）火箭执行该任务，则需要利用金星-地球-地球重力辅助轨道，将耗时7～8年；而使用SLS则可在3年内直接转移至木星，相应的返回任务也可提早完成。提前返回有助于更好地利用飞越任务的数据，避免延迟着陆任务。后续的木卫二着陆器任务也可使用SLS火箭，通过重力辅助轨道发射16t有效载荷。

SLS大直径整流罩（8.4m或10m直径）可以容纳大孔径（16米级）空间望远镜，技术人员就可使用超高对比分光镜观测行星，实现2013年提出的NASA天体物理路线图的目标。该项目的方案评估为未来科学和载人探索系统在深空的合作创造了机会。

此外，SLS未来不仅可以执行超出现有火箭能力范畴的任务，一些小型实验也可作为次要载荷受益于SLS。在首飞任务中，SLS将搭载13颗立方体卫星，包括载人探索和操作任务理事会先进探索系统部的“月球冰立方”（Lunar IceCube）等，验证了SLS广阔的应用前景。

2017年，特朗普签署了其就任后的首项航天政策指令，明确表示美国将重返月球，并最终实现载人探火，但具体时间表尚未透露。

4 小结

提前布局，尊重火箭研制规律

重型运载火箭的起飞质量一般在2000t以上，近地轨道运载能力大多在100t以上，具有推力水平高、结构尺寸大、控制系统复杂的特点，给火箭研制提出了更高的要求。在研制期间需开展大量技术攻关与试验验证工作，因此需要一定的研制周期。虽然SLS的研制有前期良好的基础，但从研制进程来看，首飞时间也一推再推，从最初的2017年推迟至2019年。从其研制周期看，SLS火箭仍需要9～10年的时间。

注重部件通用化设计，降低研制和发射成本

部件的通用化设计有利于减小研制难度和风险，降低研制和发射成本，成为各国未来发展新型重型运载火箭的有效途径。在SLS最初方案中，SLS-1B型和SLS-2型所采用的“探索上面级”原计划配备1台百吨级J-2X发动机，后来方案调整采用4台RL10C-3发动机。RL10C-3发动机是德尔他-4火箭和宇宙神-5火箭末级发动机的改进型，也计划用于新型主力火箭“火神”（Vulcan）的末级，开始向系列化方向发展。

采用承包商制度，打造创新且灵活的管理模式

美国SLS重型运载火箭的研制采用了承包商管理制度，项目决策权在总统和国会，NASA负责项目计划，而火箭研制的实施者为各个承包商。SLS芯级、固体助推器、上面级等模块分别由波音公司、轨道-ATK公司、联合发射联盟公司（ULA）等不同的公司负责研制生产，并运输至肯尼迪航天中心，再由合同的提出方NASA组织联合发射中心人员对承包商产品进行验收，待验收通过后会转入总装厂房进行下一阶段工作。承包商制度责权更加分明，研制流程更加灵活，同时还有助于减少总装测试时间，缩短发射周期。但是由于承包商比较分散，可能会增加研制以及运输的成本和风险。