美国SLS重型火箭加注合练故障及解决方案简析

张绿云 杨开(北京航天长征科技信息研究所)

况下的安全状态复位操作；②验证发射倒计时过程中肯尼迪39 综合发射设施以及发射控制中心的发射支持能力，并验证在发射当天与发射控制团队、辅助发射团队、第45 德尔他航天部队东靶场、网络以及设计中心之间的连接能力。

次要目标有：①验证肯尼迪发射控制中心与马歇尔SLS 工程支持中心、第45 航天部队德尔他操作中心以及约翰逊飞行控制与任务评估室之间的通信、电视以及遥测接口性能；②收集“猎户座”（Orion）飞船、SLS 火箭以及活动发射平台发射配置下的载荷数据、低温加注与泄出过程中产生的偏转和热数据以及发射系统性能相关图像；③验证发射系统发射场内转运、发射倒计时以及发射窗口的操作时序与流程，完成一次循环和下一个T﹣0 重置；④在计划的飞行终止系统测试期间，收集有关电磁干扰和与飞行器以及第45 德尔他航天部队东靶场系统的兼容性方面的数据；⑤集合并集结消防救援队、医疗队以及其他发射支持团队。

3 SLS 首飞箭加注合练故障情况与解决方案

第一、二、三次加注合练

2022 年4 月1 日，NASA 计划开始SLS 火箭推进剂加注合练和T﹣10s 前的倒计时演练，但因强雷电天气而推迟到4 月3 日。不过，3 日的尝试在加注还没开始便被叫停，原因是活动发射平台上的1 台电扇出现断路器故障，无法为活动发射平台密闭区域提供正压并阻挡有害气体。之后，地面团队设置主风扇和辅助风扇予以解决。

4月4日7:40，NASA的阿尔忒弥斯－1（Artemis－ 1）任务团队再次开始SLS 首飞箭芯级与过渡型低温上面级的低温推进剂加注合练，按计划在当天14:40 结束。但是，在加注之前，用于液氧管路冷却的氮气供应中断。在更新了液氧加注程序后，地面团队在10:52 重新启动了试验流程，计划在18:02 结束。液氧加注过程很顺利，但在进行管路冷却、为液氢加注做准备的过程中，活动发射平台上控制芯级排气阀门的面板出现问题，NASA 在17:00 中止了加注流程。随后，NASA 试验队中止加注合练，并泄出已经加注的液氧。因为液氧加注量达到了50%，本次试验在一定程度上验证了加注流程。

在解决了氮气供应问题后，4 月14 日8:05，发射主管批准了SLS 首飞箭的第三次加注合练。在液氧慢速加注过程中，液氧温度读数显示高于预期值，发射控制器自动中止液氧加注。经过近2h 的故障排除后，发射控制器恢复运行，液氧管路冷却和加注重新启动，在加注过程中根据需要调整泵速和打开阀门，确保温度保持在极限值以下。在开始液氢快速加注时，压力骤增，液氢加注自动中止。地面团队开始解决问题，同时暂停液氧加注。在故障得以排除后，加注流程重新启动。不过，在随后的液氢加注过程中，控制人员发现连接芯级和活动发射平台底部的尾部服务杆出现泄漏，加注合练因此终止。在结束试验之前，NASA 组织完成了上面级的推进剂管路冷却操作，完成了既定的试验目标。本次试验中，芯级液氧加注量达到49%，而液氢加注量为5%。

在第三次试验之后，NASA 决定将SLS 发射系统运回垂直总装大楼，以解决多个技术故障。

在这三次试验中，主要出现了以下4 个技术问题。故障情况及原因与解决方案如下：

1）第二次试验中，排气阀未能正常打开。对此，NASA 对活动发射平台内的一个调节装置进行了更换。不过，工程技术人员随后发现过渡型低温上面级氦吹除压力保持出现问题。随后，NASA 将这一故障定位在上面级止回阀上。在应对措施方面，NASA 选择对加注作业程序进行修改，减少下一次加注合练中上面级的推进剂加注量，并决定在首飞箭完成测试并返回垂直总装大楼后更换故障阀门。在更换故障阀门的过程中，技术人员发现，上面级止回阀无法正常关闭是由于上面级与活动发射平台快速断开装置上已损坏的O 型橡胶密封圈松动并进入止回阀所致。在解决方案方面，主要更换止回阀、快速断开系统的地面与飞行侧连接结构以及止回阀下端的支撑硬件。

2）在第二次试验中，试验人员在上面级与活动发射平台连接脐带快速断开装置中的封闭区域检测到外部空气。该区域通过高温氦气进行吹除，避免断开装置结冰，其设计方案为：向上滑动接触箭体表面的面板，无密封，通过气体正压避免外部空气的吸入。这一问题的产生可能是在采用低温气体湿润机油箱的过程中吸入了空气。在解决方案方面，主要在箭体上设置平滑的机加工表面基座，并确保上面级脐带臂吹除装置与这一基座的连接；增加有害气体检测器，可在低温操作期间对任何潜在的泄漏进行预测，避免出现错误警报。

3）在第三次试验中，试验人员在活动发射平台上尾部服务杆吹除装置（两件翻盖式结构）中发现了液氢泄漏。经过检查，这一泄漏是由于推进剂加注与排放管路法兰上的螺栓松动所致。在解决方案方面，技术人员对所有接头进行了泄漏检查，并重新拧紧了氢箱、氧箱与箱间段脐带缆上的法兰螺栓以及垫圈紧固件；作为预防措施，对尾部服务杆上的一个重型悬臂式过滤器（用于过滤吹除管路中的氮气污染物）的位置进行了重新设置；更新软件，解决芯级在加注推进剂时遇到的问题。

4）第三次试验之后，氮气供应不足直接导致SLS 发射系统被移回垂直组装大楼。在解决方案方面，氮气供应公司——液化空气集团（Air Liquide）着力升级其供应设施，除了使用已有的蒸汽设施外，增加空气交换器（即大型冷却塔设施），提升液氮气化能力，未来可满足32h 的长时间测试需求。

第四次加注合练

美国东部时间2022 年6 月20 日，NASA 在肯尼迪航天中心39B 发射工位进行了SLS 首飞箭的第四次推进剂加注合练和终端倒计时演练，完成了115 项试验目标。本次试验中，芯级与上面级液氧贮箱和液氢贮箱的推进剂加注工作全部完成，共加注2032.8m；第一部分倒计时演练也顺利完成，且倒计时控制成功由地面发射时序器切换到由SLS 火箭飞行计算机控制的自动发射时序器。不过，SLS 箭上计算机随后检测到4 台RS－25 芯级发动机没有达到预定的点火温度，在T﹣29s 时停止了倒计时流程。

经试验数据分析与评估，NASA 认为本次试验已经完成了主要试验目标，而其中未能成功进行的12 项试验目标（T﹣0 脐带脱落、发动机吹除排气参数等）也已经在之前的试验中基本得到了验证。至于本应在T﹣28s 进行的助推器尾裙段液压动力装置激活试验，NASA 于3 天后在发射工位进行了助推器转向系统测试，对液压动力装置进行了点火试验。随后，技术人员从动力装置中排出了肼燃料。基于上述评估结果，NASA 宣布SLS 首飞系统加注合练任务成功完成，可以开始阿尔忒弥斯－1 任务飞行准备。

本次试验中，共计出现了以下7 个技术故障，故障情况及解决方案如下：

1）在发射平台尾部服务杆液氢预冷排放管路快速断开装置（直径为0.1016m）的飞行板与接地板之间的空腔内发现液氢泄漏，且泄漏呈快速上升趋势。在泄漏率达到极限值（4%）之前，操作员打开了氢箱顶部的排气阀，降低了压力，泄漏率被控制在3.9%。之后，试验人员关闭了液氢加注与排放管路，保持预冷排放管路的开启状态，并进行了加压，结果是又检测到液氢泄漏。随后，工作人员对该断开装置进行了加热、冷却操作，试图重建密封，但仍未能成功。最后，试验团队决定只进行一次终端倒计时演练，并关闭预冷排放管路。这一措施导致无法完成芯级发动机预冷程序，发动机段温度数值达不到预定值。随后，试验人员重新配置了地面计算机中的软件以屏蔽发动机段的温度数值，使得后续加注操作与倒计时演练可以继续进行。

经过分析，液氢泄漏的主要原因是密封件材料的使用时长。这种特氟隆密封件从2020 年开始就安装在箭体上，已经超过2 年没有进行更换。在解决方案方面，除了对预冷排放管路脐带断开装置的密封件进行更换外，工程人员还决定更换液氢加注与排放管路快速断开装置的密封件，作为防止泄露的附加措施。

2）工作人员还发现了以下6 个技术问题：①在距离发射工位约1 英里处，支持设施中的地面氮气系统上的阀门控制器出现故障。技术人员更换了阀门组件，不过这导致芯级加注比预定时间晚2h 进行。②芯级液氧输送管路上的加热器出现故障，工程师试图进行控制，但加热器仍关闭。加热器用于对输入芯级发动机段的液氧进行热调节。工程师表示，该问题比较容易修复，并补充说明其可能是一个指令的问题，而不是硬件故障。③压力值达到极限，导致过渡型低温上面级（ICPS）液氧加注暂停了一段时间。④“猎户座”飞船上的视频播放系统也出现故障。如果这发生在发射当天，发射团队可以通过备用方案予以解决，并继续进行倒计时。⑤助力转向装置电阻低于预期数据，但经过额外的分析，该读数并不存在问题。⑥发射工位附近烟道（用于燃烧多余氢气）处发生了小火灾。

4 小结

尽管进行了4 次加注合练，但NASA 并未完成全部试验目标，而是基于前期芯级动力系统试车数据，通过了飞行准备评审，这也给SLS－ 1 首飞故障埋下了伏笔。在8 月29 日进行的首飞中，芯级一台发动机预冷出现问题，而该预冷系统的性能并未在加注试验中得到试验验证。这说明，对于运载火箭，测试目标的全覆盖非常重要，是保障飞行安全的必要途径。

美国SLS 重型运载火箭在发射前经历了4 次加注合练，暴露出了13 个技术故障，如：活动发射平台排气阀门调节装置失效、平台箭体连接装置密封件损坏以及材料使用超年限、液体管路螺栓松动、氮气供应不足等。而且，SLS 两次发射过程中也出现了液氢输送管路连接处泄漏问题。这些技术故障基本都与活动发射平台以及地面支持系统相关，这也警示，在火箭产品设计过程中也要充分重视地面系统设计以及产品质量。