试车成功，SLS重型火箭向前迈出一大步

文/ 张绿云 曲晶

2021年4月29日，花掉美国宇航局约200亿美元的“航天发射系统”（SLS）重型火箭的首个芯级飞行件终于运抵肯尼迪航天中心的垂直组装大楼。地面系统团队和工程承包商将把它同两枚五段式固体助推器、过渡型低温上面级和猎户座飞船组装到一起。完成检测后，箭船组合体随后会被转运到39B发射工位，以做“阿尔忒弥斯”1绕月任务最后的测试。

▲ SLS火箭芯级发动机点火

3月19日，美国宇航局开展了SLS重型运载火箭芯级动力系统试验。本次试验中，4台RS-25氢氧发动机点火时长达到8分钟19秒，远远超过项目团队预期的约4分钟，标志着SLS重型火箭的研制迈进了一大步，进入首飞箭的总装与试验阶段，而对于“阿尔忒弥斯”探月计划来说也是一个极其关键的里程碑事件。

去年1月，美国宇航局和波音公司通过飞马座驳船将SLS首飞箭芯级转移至斯坦尼斯航天中心，并将其安装在B-2试车台上，开始进行芯级系列试验。受到疫情、恶劣天气以及技术问题的影响，试验过程持续了14个月的时间。

▲4台RS-25发动机进行摆动试车画面

芯级点火试验终得圆满

3月17日，美国宇航局组织项目团队开始芯级通电，并顺利完成贮箱、管路预冷以及液氧和液氢推进剂加注，在加注完成之后，团队持续进行液氢补加和液氧温度控制。19日按照预定计划，4台发动机同时点火8分19秒，在7秒内推力达到7120千牛，并进行了3次不同时长的喷管摆动以及发动机推力水平调节。在点火试验进行到60秒左右时，4台发动机在液压推力矢量控制系统的作用下进行了第一次喷管摆动，时长约30秒,推力水平从额定功率的109%降至95%；在点火进行到2分10秒左右时，发动机进行了第二次喷管摆动，在实际飞行中此时将实现火箭的偏航与俯仰，摆动时长2分左右；在点火进行到7分30秒左右时，发动机进行了第三次喷管摆动，持续时长20秒左右。

从美国宇航局公布的视频可以看到，整个点火试验过程中喷管以圆周形摆动，且摆动速度非常快。这是因为，项目团队给地面点火试验设置了更为严格的程序，以获得更全面的试验数据。

美国宇航局官员对本次试验感到非常高兴，称这是近10年来SLS项目中最重要的里程碑。在试验完成后，波音SLS项目经理约翰·香农表示，本次试验实现了所有的目标，芯级试验得到了A+评分。

▲SLS火箭构型图

失败是成功之母

为了确保4台RS-25发动机联合点火试车的成功，美国宇航局在此之前做了充分的准备工作，共计7项试验内容，包括芯级模态试验、电子系统试验、失效保护系统试验、主要推进系统组件试验、推力矢量控制系统、倒计时演练以及推进剂加注试验，逐步验证芯级及其各分系统的性能，使其可满足“阿尔忒弥斯”1及后续登月任务的能力需求。

前6项试验进展顺利，但在第7次推进剂加注试验暴露出了一些技术问题，包括液氢前置阀故障、液氧温度过高、阀门关闭时序等问题。而随着4个前置阀离合器的更换、液氧加注流程的修改以及阀门关闭时序的重新设置，美国宇航局在今年1月16日进行了首次芯级点火试验。在点火进行到1分左右时，2号发动机的辅助动力单元相关的液压系统数值超出了设定的极限值，飞行计算机自动终止了试验。不过，这样保守的终止流程设计仅限于芯级地面试验，而对于实际飞行任务，如果发生类似问题，会充分发挥芯级辅助动力单元的冗余能力，实现火箭正常飞行。而发动机点火工作1.5秒后传感器提示的仪器故障，因其控制系统的冗余能力，并未影响到试验的正常进行。随后，项目团队开展了数据分析、发动机吹除、试验台检修、发动机热防护系统微小修复，并进行了计算机控制逻辑参数的重置以及电气线束这一仪器问题的修复等工作。

▲SLS火箭芯级示意图

解读美国新一代重型运载火箭

SLS为美国新一代载人重型运载火箭，将用于执行包括火星登陆在内的载人航天深空探索任务。SLS火箭包括SLS-1型（载人/载货）、SLS-1B型（载人/载货）和SLS-2型（载人/载货）。

SLS-1型为两级构型，由芯级、2枚五段式固体助推器和过渡型低温上面级（ICPS）组成，可实现70吨近地轨道运载能力以及27吨深空运载能力。在SLS-1型通过月球任务演示验证后，美国宇航局将在其基础上，采用探索上面级（EUS）替换过渡型低温上面级，并对固体助推器进行改进，形成SLS-1B型，将近地轨道运载能力和深空运载能力分别提高到105吨和38吨。SLS-2型在SLS-1B型的基础上使用先进液体助推器替代五段式固体助推器，可实现130吨的近地轨道运载能力和46吨的深空运载能力。

SLS芯级是通用型，适用于SLS-1、SLS-1B和SLS-2三 种 构 型，长64.6米，直径8.4米，结构质量85.3吨。芯级主要由发动机段、氢箱、箱间段、氧箱和前裙组成，分为10个主要圆柱形筒段、4个圆底以及7个连接环。其中，每一个筒段由8个不同长度和高度的铝板制造而成；采用4台RS－25氢氧发动机；安装3台飞行计算机和箭上大部分电子设备，外部喷涂黄色热防护涂层；设计飞行时间约500秒，飞行高度162千米。

RS-25发动机包括RS-25D可重复使用和RS-25E一次性使用发动机，前者是在原航天飞机项目下库存的16台RS-25发动机基础上改进而成，主要采用新型控制器、燃气发生器以及热防护技术等，计划用于前4次SLS飞行任务；而后者为一次性使用发动机，将采用基于热等静压、3D打印等先进制造工艺制造而成的POGO蓄压器、主燃烧室等37个全新的组件，计划用于支持第五次SLS及其后续发射任务。

五段式固体助推器将用于SLS-1和SLS-1B型，由原航天飞机四段式固体助推器改进而来，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。助推器长54米，直径3.7米，单枚结构质量100.5吨，加注后质量达726吨，真空比冲267.4秒，以聚丁二烯丙烯腈（PBAN）为推进剂，可提供32000千牛的推力，在前2分钟的飞行中为SLS火箭提供75%的推力。对于SLS-2型，美国宇航局在2012年启动了先进助推器工程验证和风险降低项目，旨在寻找更先进的助推器替代方案。目前，该先进助推器还处在方案选择和技术攻关（如复合材料壳体等）阶段。

▲ 芯级RS-25氢氧发动机

▲完成组装后竖立在活动发射平台上的固体助推器

▲ 过渡型低温上面级

过渡型低温上面级将用于SLS-1型，由德尔塔4火箭低温二子级改进而来，氧箱直径4米，氢箱直径5米，分别用氮气和氢气增压，氧箱通过箱间桁架（V形支杆）吊挂在氢箱下方。该子级结构质量3.5吨，推进剂最大加注量为27吨，使用单台RL10B-2膨胀循环氢氧发动机，真空推力为110千牛，最长工作时间为1125秒。而对于SLS-1B和SLS-2型，美国宇航局从2014年开始考虑采用新的探索上面级（EUS），在2020年通过了关键设计评审。EUS上面级主要包括前适配器、氢箱、箱间结构、氧箱、设备架和推进结构，长17.6米，最大直径8.4米，采用4台RL10C-3氢氧发动机，推力433千牛。

大大推动了探月计划的进程

SLS重型火箭是目前唯一可以将猎户座载人飞船送入月球轨道的运输系统，是美国阿尔忒弥斯探月计划的重要组成部分。SLS火箭的研制进度直接影响着该探月计划的顺利实施，而作为该火箭的研制难点，芯级动力系统试验的成功无疑大大推动了阿尔忒弥斯探月计划的进程。

自2011年9月公布研制方案以来，美国宇航局在SLS新一代重型运载火箭研制上已经花费了9年多时间，而导致其进度缓慢的最主要的原因就在于芯级的研制速度。在2014年7月完成关键设计评审后，直到2018年才结束主要组件的生产制造，之后的芯级组装和综合性系列性能评估试验都耗时一年多时间。不过，随着芯级4台发动机点火试验这一关键里程碑的圆满完成，SLS首飞日期可期。

接下来，项目团队将花费一个月左右的时间对芯级飞行件进行检修，之后将其船运至肯尼迪航天中心，与已经组装完成的五段式固体助推器以及准备就绪的过渡型低温上面级、级间段、支架、猎户座飞船等进行总装，计划在2022年初进行阿尔忒弥斯1无人绕月飞行任务。

为深空探索任务的可靠性奠定了基础

按照目前的安排，SLS重型运载火箭将主要用于支持美国的载人探月、载人登陆火星等深空探索任务。对于载人运载火箭，可靠性始终是需要考虑的第一要素。2019年，美国宇航局最终决定要进行芯级动力系统试验也是基于航天员安全的考虑。而本次点火试验的圆满完成以及前期完成的系列准备工作都为未来的载人深空探索任务的可靠性奠定了基础。

虽然耗时一年多，但是芯级系列试验作为一项综合性的试验，通过在地面对实际飞行环境下的芯级运行进行模拟，给芯级这一全新、大尺寸火箭子级的硬件、软件性能检验与改进提供了数据基础。芯级系列试验中暴露出了液氢/液氧前置阀组件失效、液氧加注流程不当、阀门关闭时序、电气线束等仪器故障以及CAPU液压系统等多方面的问题，所有这些都给设计人员提供了产品改进的机会。随着这些问题的解决，芯级顺利通过全时长点火试验。芯级在本次更严苛运行环境下的表现，以及在推力调节、频率响应、贮箱增压系统热动力学、推力矢量控制等方面积累的相关试验数据为芯级的可靠性认证奠定了基础，也为后续的设计改进提供了支撑。

虽然，SLS火箭的最后一个“大件”已抵达肯尼迪航天中心，但美国宇航局相关官员称，该箭要在年底前发射“有难度”，他表示“该箭首次在肯尼迪航天中心走流程”，意思是说这是SLS首次经历各大组件装配和射前处理步骤。“我们无疑会碰到一些难题，所以就本年度末之前发射而言我们并没有多少进度储备。”