研制中的美國新一代重型運(yùn)載火箭

2010年，奧巴馬政府以實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)與所需資源不匹配為由終止了小布什政府制訂的以載人探月為主的“星座”計(jì)劃，取消了為重返月球研制的“戰(zhàn)神”火箭計(jì)劃，并將重返月球調(diào)整為以探索月球、小行星和火星為主線的載人深空探測(cè)。2011年9月，美國航宇局（NASA）正式啟動(dòng)了新一代重型運(yùn)載火箭即“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）的研制，并將其作為戰(zhàn)略目標(biāo)予與實(shí)施，以滿足未來載人深空探測(cè)的需要。

航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS）的研制背景

“航天發(fā)射系統(tǒng)”計(jì)劃是在奧巴馬政府終止“戰(zhàn)神”一1和“戰(zhàn)神”一5重型運(yùn)載火箭計(jì)劃后，為滿足未來載人探索月球、小行星、火星等任務(wù)而啟動(dòng)的新一代重型運(yùn)載火箭研制計(jì)劃，也是美國20世紀(jì)60年代“阿波羅”載人登月計(jì)劃研制發(fā)射“土星”一5重型火箭之后，NASA啟動(dòng)的運(yùn)載能力超過百噸的重型運(yùn)載火箭計(jì)劃，其近期目標(biāo)是在2017年12月實(shí)現(xiàn)低軌運(yùn)載能力70噸的運(yùn)載火箭的首次飛行，遠(yuǎn)期目標(biāo)是在2032年實(shí)現(xiàn)低軌運(yùn)載能力130噸的運(yùn)載火箭的首次飛行。與美國現(xiàn)役的“德爾他”-4、“宇宙神”一5等大型運(yùn)載火箭相比，其低軌運(yùn)載能力從20余噸提高到70噸～130噸。

“航天發(fā)射系統(tǒng)”由NASA馬歇爾航天飛行中心負(fù)責(zé)管理，主承包商為美國波音公司，普惠一洛克達(dá)因公司、阿聯(lián)特技術(shù)公司等多家企業(yè)參與研制工作。在2013年4月公布的預(yù)算中，NASA為該火箭計(jì)劃申請(qǐng)了13.85億美元經(jīng)費(fèi)。

基本方案

“航天發(fā)射系統(tǒng)”是捆綁兩臺(tái)助推器的兩級(jí)液氫/液氧運(yùn)載火箭，采用了航天飛機(jī)衍生型方案，大量繼承了航天飛機(jī)和“土星”-5火箭的技術(shù)和部件，包括航天飛機(jī)外貯箱、航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25D、航天飛機(jī)固體捆綁助推器、“土星”-5火箭第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)等。該火箭的研制采取了研制多種構(gòu)型、分步提高運(yùn)載能力的漸進(jìn)式發(fā)展戰(zhàn)略，以及不斷增強(qiáng)部件的通用性、靈活性，不斷融合新技術(shù)成果的發(fā)展思路。

NASA為該火箭規(guī)劃了三種構(gòu)型，分別為近地軌道運(yùn)載能力70噸構(gòu)型、105噸構(gòu)型和130噸構(gòu)型。70噸構(gòu)型屬于載人型火箭，105噸和130噸構(gòu)型分別包括載人和貨運(yùn)兩種型號(hào)。首枚火箭將在2017年12月發(fā)射，此后構(gòu)型將逐步優(yōu)化，面向探測(cè)任務(wù)需要，運(yùn)載能力逐步提高，承擔(dān)的發(fā)射任務(wù)也從月球任務(wù)逐步向小行星、火星任務(wù)過渡。至2032年，其低地軌道運(yùn)載能力將達(dá)到130噸。

70噸構(gòu)型重型火箭：70噸構(gòu)型的火箭屬于載人運(yùn)載火箭，總高97.84米。第一級(jí)是在航天飛機(jī)外貯箱基礎(chǔ)上研制的，直徑8.4米，采用4臺(tái)改進(jìn)型航天飛機(jī)液氫/液氧主發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25D，總推力9200千牛；第二級(jí)是在“德爾它”-4運(yùn)載火箭第二級(jí)基礎(chǔ)上研制的低溫推進(jìn)級(jí)，直徑5.0米，總質(zhì)量32噸，使用一臺(tái)RL-10液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，推力110千牛。兩側(cè)捆綁兩臺(tái)五段式航天飛機(jī)固體助推器，直徑為3.7米，總推力28028千牛；火箭頂部安放“獵戶座”飛船以及發(fā)射終止系統(tǒng)等。

105噸構(gòu)型重型火箭：105噸構(gòu)型包括載人和貨運(yùn)兩種型號(hào)。貨運(yùn)型總高95.71米，載人型比貨運(yùn)型略高。兩種火箭的第一級(jí)相同，直徑8.4米，采用4臺(tái)RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，RS-25E是在RS-25D基礎(chǔ)上研制的一次性使用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；第二級(jí)采用4臺(tái)RL-10A液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力；捆綁助推器從70噸構(gòu)型的固體助推器改為推力更大的液體“先進(jìn)助推器”。貨運(yùn)型將采用直徑8.4米的有效載荷整流罩，載人型則在頂部安放載人飛船等設(shè)備。

130噸構(gòu)型重型火箭：在積累了70噸構(gòu)型和105噸構(gòu)型運(yùn)載火箭的研制試驗(yàn)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制“完全優(yōu)化”的、低軌運(yùn)載能力130噸的“航天發(fā)射系統(tǒng)”。130噸構(gòu)型包括載人和貨運(yùn)兩種型號(hào)，貨運(yùn)型總高117.04米，載人型比貨運(yùn)型略離。兩種火箭第一級(jí)直徑8.4米，使用5臺(tái)RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)；第二級(jí)使用3臺(tái)J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力；兩側(cè)捆綁兩臺(tái)大推力液體助推器。貨運(yùn)型采用更大直徑的有效載荷整流罩；載人型則在頂部安置載人飛船等設(shè)備。

飛行計(jì)劃

2017年～2023年：進(jìn)行4次70噸構(gòu)型運(yùn)載火箭的發(fā)射。2017年12月將進(jìn)行“航天發(fā)射系統(tǒng)”70噸構(gòu)型的首次試驗(yàn)飛行。2021年，70噸構(gòu)型火箭進(jìn)行第二次試驗(yàn)飛行。按照NASA目前公布的計(jì)劃，2022年和2023年將進(jìn)行70噸構(gòu)型“航天發(fā)射系統(tǒng)”的第一次和第二次任務(wù)發(fā)射。

第一次試驗(yàn)飛行為不載人飛行，任務(wù)周期為7天，火箭將從肯尼迪航天中心發(fā)射不載人的“獵戶座”試驗(yàn)飛船，該飛船繞過月球后返回地球。此次試驗(yàn)主要驗(yàn)證火箭與“獵戶座”飛船的整體性能，以及飛船以11千米/秒的高速再入地球大氣層的性能。

第二次試驗(yàn)飛行為載人飛行，任務(wù)周期為10～14天，火箭發(fā)射的“獵戶座”載人飛船到達(dá)月球空間后將環(huán)繞月球飛行，然后返回地球。此次試驗(yàn)將進(jìn)一步驗(yàn)證火箭與飛船的載人性能。

2024年～2030年：NASA提出在本世紀(jì)20年代的大部分時(shí)間中，將采用105噸構(gòu)型的運(yùn)載火箭執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。按照NASA目前公開的計(jì)劃，2024年左右將采用105噸構(gòu)型的火箭執(zhí)行第三次任務(wù)飛行，這將是貨運(yùn)型火箭的首次飛行。2025年和2026年先后采用105噸載人型和貨運(yùn)型火箭執(zhí)行第四次和第五次發(fā)射任務(wù)。此后至2030年，105噸構(gòu)型載人和貨運(yùn)火箭將每年交替發(fā)射一次。

2030年以后：2032年，低軌運(yùn)載能力130噸的“航天發(fā)射系統(tǒng)”將進(jìn)行首次發(fā)射。

研制進(jìn)展

第一級(jí)主要研制進(jìn)展：第一級(jí)采用航天飛機(jī)RS-25D液氫/液氧主發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，該發(fā)動(dòng)機(jī)采用分級(jí)燃燒方式，可以重復(fù)使用。201 2年NASA宣布將在研的第二級(jí)J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)用于RS-25D，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)升級(jí)并降低控制系統(tǒng)成本。NASA馬歇爾航天飛行中心計(jì)劃用一年時(shí)間進(jìn)行RS-25D新控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2014年在NASA斯坦尼斯航天中心對(duì)采用新控制系統(tǒng)的RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行熱點(diǎn)火試驗(yàn)。

NASA于2013年2月18日宣布，將第一級(jí)貯箱及殼體材料從含鋰的鋁-2195合金改為不含鋰的鋁-2219合金?！昂教彀l(fā)射系統(tǒng)”預(yù)先研究發(fā)展辦公室在2012財(cái)年開展了“殼體壓曲抑制因素”研究，通過該項(xiàng)研究，NASA認(rèn)為鋁-2195合金的脆性使其作為重型火箭第一級(jí)材料受到限制。此外，第一級(jí)箱間段將采用一體化機(jī)械加工桁條結(jié)構(gòu)，而不是航天飛機(jī)貯箱原來采用的鉚接板金屬桁條。這將使貯箱具備更高的氣動(dòng)和彎曲過載承受能力。

第二級(jí)主要研制進(jìn)展：第二級(jí)采用J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。J-2X是“土星”-5火箭J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)型，由普·惠-洛克達(dá)因公司研制，采用液氫/液氧推進(jìn)劑，燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)額定真空推力1309千牛，真空比沖448秒，燃燒室壓力9225.189千帕，混合比4.5～5.5，噴管面積比達(dá)到92：1。至2013年2月，NASA共建造了編號(hào)為10001和10002的兩臺(tái)J-2X驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)。10001發(fā)動(dòng)機(jī)在2011年6月完成了第一次熱點(diǎn)火試驗(yàn)，至2013年初，10001發(fā)動(dòng)機(jī)共完成了21次、累計(jì)2717秒的點(diǎn)火試驗(yàn)。NASA從2013年2月開始進(jìn)行10002發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，以進(jìn)一步驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)性能。

助推器主要研制進(jìn)展：105噸構(gòu)型和130噸構(gòu)型的火箭采用新研的液體助推器以及液氧/煤油富氧分級(jí)燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)。至2013年2月，NASA已先后授予阿聯(lián)特技術(shù)公司、通用動(dòng)力公司、諾格公司、航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司4份助推器研制合同。其中，航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司負(fù)責(zé)建造全尺寸247.5噸推力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主噴注器和推力室，并將開展一系列性能測(cè)試以及驗(yàn)證大推力液體助推器的工作穩(wěn)定性。

美國重型運(yùn)載火箭的研制有三個(gè)值得關(guān)注的特點(diǎn)：一是充分繼承航天飛機(jī)、“土星”-5等已有運(yùn)載工具的現(xiàn)有部件和技術(shù)；二是研制計(jì)劃采用漸進(jìn)的發(fā)展方式，火箭構(gòu)型和運(yùn)載能力逐步優(yōu)化和提高；三是充分進(jìn)行現(xiàn)有部件的升級(jí)改進(jìn)和地面試驗(yàn)，保證分系統(tǒng)的可靠性和技術(shù)成熟度?；谝陨先齻€(gè)特點(diǎn)可以看出，美國重型運(yùn)載火箭的發(fā)展思路是在充分繼承、漸進(jìn)發(fā)展、充分試驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭和載人航天的高可靠性、低成本發(fā)展。