2019年美国SLS重型运载火箭研制进展

张绿云

（北京航天长征科技信息研究所）

2019年，在政府提出提前登月的政策背景下，美国国家航空航天局（NASA）对深空探索领域进行了重新规划，以“航天发射系统”（SLS）重型火箭为主要运载工具，实现2024年载人登月和2028年的月球可持续探索目标。在过去的一年中，NASA采取多项措施以加速SLS火箭的研制，主要完成了SLS首飞箭芯级组装、发动机试车、分系统试验、预算调整等工作。

1 政策背景

2019年3月26日，美国副总统彭斯在国家航天委员会（NSC）第5次会议上提出提前4年实现载人登月的目标，要求NASA“使用一切必要手段”确保任务取得成功。随后，NASA开始研究相关计划和预算需求，于2019年5月发布了《飞向月球：NASA月球探索战略计划》，以《航天政策1号令》为指导，通过商业伙伴和国际合作途径重返月球，为载人探火奠定基础。

在该战略计划中，NASA将载人重返月球定名为“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划，计划分为两个阶段。第一阶段讲求速度，在2024年通过SLS火箭、“猎户座”（Orion）飞船、载人着陆系统（HLS）以及缩减版“月球轨道平台-门户”（LOP-G）等关键系统将航天员送入月球南极；第二阶段讲求可持续性，建成LOP-G，并发展载人着陆系统的可重复使用性能，在2028年实现对月球的长期可持续探索。其中，SLS火箭作为唯一可以将“猎户座”载人飞船送往月球、火星等深空目的地的运载火箭，是“阿尔忒弥斯”计划不可或缺的重要组成部分，计划用于完成阿尔忒弥斯－1～8共8次关键任务的发射，包括1次无人试飞、1次载人绕月飞行试验、1次载货飞行和5次载人登月任务。

“阿尔忒弥斯”计划2019－2028年任务规划

2 SLS简介

SLS为美国新一代重型运载火箭，于2010年开始研制，以安全性、经济性、可持续性为设计理念，将用于执行包括火星登陆在内的载人航天探索任务。

SLS火箭包括SLS－1型、SLS－1B型和SLS－2型，其设计具有灵活性和扩展性，不同构型采用相同的芯级，以相对高效、低成本的方式满足近地轨道及以远区域不同目的地的人员和货物的运输需求。SLS－1型采用五段式固体助推器、通用芯级和过渡型低温上面级（ICPS），最大直径8.4m，全箭高度98.2m，可实现70t低地球轨道（LEO）运载能力和26t月球附近空间运载能力。系统通过月球任务演示验证后，项目采用探索上面级（EUS）替换ICPS组成SLS－1B型，全箭高度110.9m，LEO运载能力105t，月球附近空间运载能力37t。SLS－2型在SLS－1B型的基础上使用先进助推器替代五段式固体助推器，全箭高度111.3m，可实现130t的LEO运载能力。

NASA公布的SLS火箭构型图

3 SLS重要进展

2019年，NASA在SLS－1型的首飞准备工作方面取得了重大进展，计划2020年末至2021年初进行，而SLS－1B和SLS－2型的研制工作也在同步进行当中，保障后续探索任务的顺利进行。

修改财年预算，追加研制经费

2019年3月，NASA发布了《2020财年预算案》，为深空探索系统领域申请了50.217亿美元，而探索系统研制下的SLS火箭和“探索地面系统”（EGS）项目分别为17.754亿美元和4.001亿美元。由于美国政府提出了提前登月的目标，NASA随即发布《NASA 2020财年预算修正案》，要求在新财年追加16亿美元的研制经费，主要满足新的战略目标所需要的SLS火箭、“猎户座”飞船、LOP-G以及载人着陆系统的研制需求。除了计划用于载人着陆系统的10亿美元之外，剩余绝大部分经费计划用于SLS和“猎户座”飞船项目。

经过国会两院的审议，最终，NASA在深空探索系统项目上获得的经费超过60亿美元，相比2019财年拨款额超出了约10亿美元。其中，SLS火箭获得25.859亿美元，远超最初申请预算，也超出了2019年21.5亿美元的实际拨款额；EGS项目获得5.9亿美元，与2019年的实际拨款持平。

改变组装方式，完成首飞箭芯级组装

在美国国家航天委员会第5次会议上，委员会主席彭斯提出了美国提前登月的目标，也指示NASA“使用一切必要手段”确保登月任务的成功。为此，NASA开始研究如何加快SLS火箭的研制。其中之一便是，将芯级组装方式由垂直组装改为水平组装，并在芯级前段（前裙、氧箱和箱间段的组合体）和氢箱，以及与发动机段的组装上得以应用，在开展发动机段研制工作的同时进行芯级组装，提高了工作效率。

12月9日，在米丘德装配厂举办的首个“阿尔忒弥斯任务日”（简称登月日）活动上，NASA局长吉姆·布莱登斯汀正式宣布：“第一台全球最大的运载火箭SLS芯级的制造、组装工作已经完成，成为2024年载人登月的重要里程碑。”组装完成的火箭芯级长65m、直径8.4m，由前裙、氧箱、箱间段、氢箱、发动机段、4台RS－25发动机以及航电系统组成，将用于阿尔忒弥斯－1环月之旅。

尽管研制过程中问题重重，但依托全美国44个州的包含波音公司（Boeing）、航空喷气发动机-洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）等1100多家大小企业的通力合作，以及米丘德装配厂最尖端的制造设备和焊接工装，NASA最终在2019年底之前完成了首枚火箭芯级的制造。

首枚SLS火箭芯级

完成改装发动机试验，芯级发动机进入新一轮研制阶段

SLS芯级采用RS－25发动机，由美国航空喷气发动机-洛克达因公司研制，最早用于美国航天飞机的主发动机。航天飞机退役之后，NASA计划将库存的16台可重复使用RS－25D用于前4次SLS火箭飞行任务，而从第5次任务开始采用改进后的一次性RS－25发动机。

2019年4月，NASA在斯坦尼斯航天中心A－1试车台成功完成了编号为2062的RS－25飞行用发动机的热试车，标志着RS－25D的试车工作全部完成。2015年初，NASA启动芯级发动机的试车工作，历经51个月，共完成了32次研制用和飞行用RS－25发动机的系列试车，时长总计14754s，完成了17个新型控制器的验收试验以及纵向耦合振动（POGO）蓄压器和主燃烧室等关键组件的性能试验。另外，NASA持续验证了发动机的最大推力，目前已将其最大推力提高到额定推力的113%，且在该推力下的持续点火时长达到430s。

目前，NASA已经与航空喷气发动机-洛克达因公司签订了后续研制合同，为后续的SLS任务研制一次性RS－25发动机，相关工作已经启动。

开展全方位的系统试验，确保SLS首飞及后续任务的成功

2019年，除了芯级组装工作之外，NASA开展了全方位的系统试验，包括芯级操作试验、贮箱结构试验、活动发射平台转运演练、39B发射工位的噪声抑制系统试验、推进剂输送试验，以及“猎户座”飞船高空逃逸试验，为保障SLS首飞及后续飞行任务的成功奠定了基础。

8月下旬，NASA技术人员在斯坦尼斯航天中心B－2试车台通过起吊设备成功完成了“探路者”（Pathfinder）全尺寸芯级模拟件的起竖与安装，验证了起吊等辅助设备以及B－2试车台的性能，并对芯级试车前的相关操作流程进行了演练，为芯级飞行件的交付和试车奠定了基础。之后，该模拟件通过“飞马座”（Pegasus）驳船运抵肯尼迪航天中心，并转运至航天器装配大楼（VAB）。在装配大楼内，芯级模拟件由运输车水平移至转运通道，通过两台吊车使其垂直进入3号高跨间，并完成了系列反向操作流程。

芯级模拟件操作演练

为了验证贮箱等结构的性能，2019年NASA在马歇尔航天飞行中心开展了多次芯级氧箱、氢箱、发动机段，以及箱间段的结构试验。其中，于12月完成的氢箱试验是有史以来最大的一次火箭子级增压贮箱受控破坏性试验。试验过程中，技术人员利用氮气和大型液压活塞给试验贮箱施加一定的载荷，贮箱在2.6倍以上预期飞行应力作用下运行了5h，之后出现断裂点，进而爆裂。波音公司测试与评估部门鉴定试验经理丹尼称，贮箱开始出现断裂点的相对位置与波音公司分析团队预测的位置相同，而且预测的载荷值与实际载荷的误差仅有3%。这些预测值相对于实际测试值的准确性证明了氢箱结构模型的有效性，也增强了技术人员对后续任务所需贮箱设计的信心。

芯级氢箱受控破坏性试验

7月，NASA进行了“上升中止2”（AA2）“猎户座”飞船高空逃逸试验，共飞行约3min。点火起飞约50s后，试验件到达约9.5km高度，发射中止系统（LAS）的中止发动机点火启动，将飞船从火箭上拉离，以模拟应急逃逸情形。在到达远离火箭的安全空域后，姿控发动机调整方向，抛塔发动机成功启动，逃逸塔与飞船分离。

此外，在“探索地面系统”建设方面，NASA也开展了多项系统试验。6月，在成功完成了包括脐带臂摆臂试验、环境控制系统试验、液压试验、氮气与氦气试验、电气试验以及模态试验等在内的系列关键试验之后，1号活动发射平台（ML1）进入转运演练阶段，路线为火箭装配大楼至39B发射工位，时长10h，通过2号履带式运输车完成。之后，该平台在发射工位接受了最终试验和检测，包括喷水降噪系统水流试验、低温推进剂流量评估试验，以及电气与脐带系统检测等。10月，NASA在39B发射工位完成了第7次即最后一次SLS噪声抑制系统试验，共有1703.4m3的水流入活动发射平台和发射工位，再一次检验了该系统在火箭点火和起飞阶段的噪声及振动抑制性能。此外，NASA的“探索地面系统”团队还成功完成了液氢/液氧低温推进剂从推进剂储罐经管道到达活动发射平台脐带设施的输送试验，各相关地面系统运行良好，再次对39B发射工位地面系统以及活动发射平台的性能进行了验证，为SLS首飞奠定了基础。

活动发射平台转运演练

明确探索上面级研制方案，系统可靠性和研制进度或是主要考量因素

尽管在2020财年预算案中并未给拟用于SLS－1B和SLS－2型火箭的探索上面级申请研制经费，但是随着提前登月目标的提出，在参议院拨款委员会的支持下，终版拨款法案拟为该探索上面级提供3亿美元的研制经费。按照任务安排，NASA拟从第4次SLS任务开始使用探索上面级，来满足质量和体积更大的有效载荷或人货混运的月球或火星等深空运输需求。

目前，NASA已经启动相关研制工作。11月，NASA在其官网上发布了探索上面级的研制方案，长17.6m，直径8.4m，结构质量为13.1t，加注后的质量为113.4t，将采用4台RL－10液氢/液氧发动机，推力可达到431.5kN，其月球轨道运载能力为37t。

在探索上面级的研制上，NASA最初选择由波音公司负责，但因进度问题于2017年向工业界发出了探索上面级替代方案的建议征询，以期降低成本。基于此，蓝色起源公司（Blue Origin）和波音公司分别提出了采用1台BE－3U发动机和4台RL－10发动机的上面级方案。考虑到前者无法满足所需的运载能力，需对相关地面设施进行很大程度地适应性改进，且新型发动机存在很大的风险；而相反，因为过渡型低温上面级的研制，波音公司具备丰富的研制经验和可用的基础设施，且RL－10发动机成熟可靠。因此，虽然前者具备很大的成本优势，但NASA最终选择了波音公司的研制方案。这或许可以说明，对于政府主导的深空载人探索项目而言，系统成熟度与可靠性以及项目进度一直都是最主要的考量因素。

计划发布批量采购合同，降低SLS研制成本

10月16日，NASA发布消息称，NASA将与波音公司签订批量采购合同，计划在今后1年时间内完成合同的签订，将涉及多达10枚的SLS芯级和8枚探索上面级的生产制造，以保证后续20年代多达10次的“阿尔忒弥斯”任务需求。目前，为了确保阿尔忒弥斯－3登月任务，NASA已经向波音公司提供了用于支持第三枚SLS芯级生产制造的初步研制经费和授权，并要求波音公司着手准备所需基础设施，为批量生产做准备。

波音公司眼下的合同包括阿尔忒弥斯－1和阿尔忒弥斯－2任务所需的SLS芯级飞行件、结构试验件、芯级先期探路型号，以及首台探索上面级。与设计、研制、试验和评估阶段所造芯级的生产成本相比，通过吸取首次制造过程中得到的经验教训，并借助批量采购，新举措有望大大降低产品制造成本。在12月召开的NASA员工大会上，局长吉姆·布莱登斯汀表示，目前SLS的成本约为16亿美元，而批量生产方式有望将其成本降至8亿～9亿美元。

4 SLS展望

首先，NASA将全力保障SLS芯级“初试”工作。目前，SLS首飞箭芯级的制造和组装工作已经全部完成，即将通过“飞马座”驳船运至斯坦尼斯航天中心，在B－2试车台上开展为期5～6个月的“初试”，包括芯级安装、芯级加注与增压等初始试验和功能检测，以及时长8min的4台RS－25发动机联合试车，模拟飞行任务中芯级点火、上升到关机的全过程，以验证发动机、贮箱、燃料管路、阀门、增压系统以及航电、电缆等各系统的性能。

其次，根据《NASA月球探索战略计划》，为实现2024年载人登月目标，NASA将需要改变现有内部和外部政策、程序和流程，包括法律/采购、预算/资源、人力资源、管理机构等。2019年，NASA对其载人探测与运行任务部进行了人事调整，由前国防部主管航天政策的道格·罗伟罗任新的副局长。后续，NASA将继续在项目管理上开展相关工作，为探索项目提供保障。

最后，为保障后续任务的顺利进行，NASA将在确保SLS首飞的同时持续推进后续SLS火箭的研制工作。目前，已经完成了第二枚SLS芯级贮箱的焊接以及固体助推器的浇铸工作，芯级及其他组件的制造和组装仍将是后续工作重点。此外，航空喷气发动机-洛克达因公司将启动一次性RS－25发动机研制，为第4次之后的SLS任务提供芯级发动机；基于研制方案和近3亿美元的研制经费，NASA将推进探索上面级的研制工作。而在地面系统建设方面，基于2019年的建设合同，NASA将在未来的2年时间内完成肯尼迪航天中心第二个活动发射平台的设计、建造、测试以及试车工作。