一步之遙
——美國最強火箭40年難修正果

□ 潘樂天

一步之遙
——美國最強火箭40年難修正果

□ 潘樂天

發(fā)動機完成“大腦”測試

8月30日美國宇航局的工程師完成RS-25發(fā)動機飛行控制器的熱點火測試。該發(fā)動機將為新的太空發(fā)射系統(tǒng)提供動力，以實現(xiàn)最終的火星任務(wù)。

據(jù)最新消息，美國宇航局的太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）首發(fā)獵戶座“勘探任務(wù)-1”（EM-1）的日期確定為不早于2019年12月15日，“勘探任務(wù)-2”將不早于2022年6月1日。根據(jù)目前的安排，四個RS-25發(fā)動機將被整合到“太空發(fā)射系統(tǒng)”的核心部件，在2018年5月15日前交付米秋德裝配廠安裝。

▲ 焊工在大型液氧儲罐內(nèi)焊接裂縫

美國宇航局在美國密西西比州的斯坦尼斯航天中心的A-1試驗站對RS-25發(fā)動機飛行控制器進行了500秒的熱點火試驗。該控制器是發(fā)動機的“大腦”，為發(fā)動機提供運行和內(nèi)部健康診斷精度的控制，實現(xiàn)RS-25發(fā)動機和SLS之間的通信聯(lián)絡(luò)。在發(fā)射和飛行過程中，控制器與SLS飛行計算機通信，接收關(guān)鍵命令并返回發(fā)動機健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，以確保發(fā)動機正常運行?？刂破鞅O(jiān)控發(fā)動機的健康狀況時可以通過調(diào)節(jié)發(fā)動機的推力和燃油混合比進行封閉環(huán)式管理。此次測試安裝的RS-25發(fā)動機控制器大小和室內(nèi)大冰箱近似，點火方式和時間同實際發(fā)射完全一樣。

據(jù)稱，最新的發(fā)動機控制器可以完成135次航天飛機任務(wù)。美國宇航局表示，該測試表明美國向人類深空探測邁出重要一步。

美國宇航局馬歇爾宇航中心的SLS液體發(fā)動機辦公室航空電子子系統(tǒng)經(jīng)理拉斯·艾布拉姆斯稱，“你不能把昨天的硬件用到今天的發(fā)動機之上，特別是許多航天飛機時代的引擎控制器零件已經(jīng)停產(chǎn)了。這個引擎需要最新的控制系統(tǒng)，包括發(fā)動機執(zhí)行器、傳感器、連接器和線束等,以滿足SLS的規(guī)格和要求。”

今年3月，美國宇航局測試了SLS發(fā)動機的第一個飛行控制器單元。該機構(gòu)在5月底進行第二次飛行控制器單元的夏季測試，隨后又進行了三次額外測試。經(jīng)過對今年3月和5月的兩次測試數(shù)據(jù)的審查，兩個控制器被指定用于RS-25發(fā)動機。在尼斯進行的RS-25試驗是由美國宇航局、洛克達因公司和衛(wèi)星空間服務(wù)公司的工程師和操作員共同完成的。洛克達因是RS-25的主承包商。衛(wèi)星空間服務(wù)是斯坦尼斯的設(shè)施和操作的主承包商。這一系列飛行控制器的測試，是為SLS飛往深空進行無人“勘探任務(wù)-1”（EM-1）的必要準備工作。

作為定于 2019 年展開的 EM-1探索任務(wù)的一部分，無人駕駛的獵戶座太空艙及其服務(wù)模塊，將被美國宇航局的 SLS 發(fā)射到月球軌道外 6.4萬千米的太空飛行三周時間。新火箭將首次攜無人獵戶座飛船進入月球軌道，“勘探任務(wù)-2”將負責運送載人獵戶座。美國宇航局為SLS規(guī)劃了未來20年一系列雄心勃勃的任務(wù)，將人類送抵更加遙遠的太空，其最終目標是在本世紀30年代將航天員送上火星表面。

▲ 洛克達因技師檢查發(fā)動機控制裝置。該控制裝置是RS-25火箭發(fā)動機控制裝置的現(xiàn)代化版本，它的任務(wù)是控制發(fā)動機的推力和燃油混合比，以及監(jiān)控發(fā)動機的工作狀況，作用類似于車載電腦

每一個SLS火箭發(fā)射是四個RS-25發(fā)動機同時點火，和一對固體火箭助推器一起工作。美宇航局預(yù)計RS-25將會提供約合90.8萬千克的推力，如果與一對固體火箭推進器協(xié)同工作，它的總推力將超過363.2萬千克。RS-25發(fā)動機以前是用于航天任務(wù)的主引擎，經(jīng)改造后能為新型重型SLS火箭提供所需的額外功率，而新的飛行控制器是發(fā)動機改裝的關(guān)鍵部件。據(jù)稱，SLS重型運載火箭芯級采用四臺RS-25發(fā)動機，該發(fā)動機由洛克達因公司生產(chǎn)，是歷史上第一臺可重復(fù)使用火箭發(fā)動機，也是最可靠、試驗次數(shù)最多的大型火箭發(fā)動機之一。RS-25發(fā)動機性能穩(wěn)定，作為航天飛機的主發(fā)動機時，任務(wù)成功率達到100%。

壓敏涂料“透視”助推器分離

器的分離進行評估。該模型是在4馬赫（時速約4939千米）的Block 1B飛行器上進行測試的。蘭利SLS空氣動力學小組執(zhí)行聯(lián)合負責人大衛(wèi)·皮埃塔克稱，“這是一個重要的氣動試驗，以確保助推器完全分離時不會對任務(wù)構(gòu)成危害?！?空氣動力試驗數(shù)據(jù)對第一級火箭助推器分離很有幫助，這些信息有助于確定在軌分離的時機。

蘭利的配置氣動分部研究員考特尼·溫斯基稱，“我們對所有推進器可能掉落的位置進行了測試。”SLS空氣動力學小組執(zhí)行聯(lián)合負責人安伯·法瓦瑞表示，固體火箭助推器在SLS的側(cè)面像極粗短的翅膀，在系統(tǒng)動力學方面對火箭運行的影響巨大。溫斯基說，“壓敏涂料使工程師獲得分離過程中模型空氣流動和分離的圖像，它能夠提供更多的數(shù)據(jù)，包括分離方式和流動路徑的影響。”

與此同時，美國宇航局在弗吉尼亞州的蘭利研究中心用壓敏涂料，對火箭的中部左側(cè)和右側(cè)固體火箭助推

焊接錯位首飛后移

蘭利研究中心除了測試火箭助推器的分離，整體規(guī)劃風洞還測試一個類似的SLS模型，這是一個無人飛行試驗。溫斯基表示，這一輪涂料測試“使用高壓空氣模擬SLS排氣，讓我們有機會用計算流體動力學來驗證非常復(fù)雜的流動方向?！彼蕾嚦売嬎銠C進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)值分析，以便于分析和解決問題。風洞試驗有助于通過計算來補充和驗證數(shù)據(jù)，同時也可以發(fā)現(xiàn)無法預(yù)料的結(jié)果。

▲ RS-25火箭發(fā)動機點火測試

“該火箭必須以每小時約28163千米的速度到達預(yù)定軌道，以跨音速和低超音速穿越地球厚厚的低層大氣層，”皮埃塔克說，“因此我們必須進行大量的風洞地面測試，測量火箭沖破大氣層達到軌道的氣動數(shù)據(jù)?！卑l(fā)射之后，工程師們會繼續(xù)監(jiān)測火箭在實際發(fā)射條件下的性能。

航天飛機主發(fā)動機（SSME）是洛克達因為航天飛機設(shè)計的主發(fā)動機，在公司內(nèi)部稱為 RS-25。SSME是目前世界最大的分級燃燒氫氧發(fā)動機。為了達到SLS火箭所需的推力，RS-25發(fā)動機的功率級必須達到109%，而以往航天飛機的發(fā)射功率級為104.5%。就70噸的Block 1配置而言，助推器需要提供381.4萬千克的起飛推力，比美國宇航局土星5號登月火箭更強大。據(jù)稱，在過去40年中，RS-25發(fā)動機已經(jīng)在斯坦尼斯進行過無數(shù)次試驗。

9月份初，液態(tài)氧飛行罐已經(jīng)在新奧爾良州的米秋德裝配廠完成垂直裝配中心機器人焊接。液態(tài)氧罐經(jīng)過檢查后，被移到另一塊區(qū)域進行塞孔焊接，以填補攪拌摩擦焊接過程留下的空洞。引擎、液態(tài)氫罐、內(nèi)罐和液態(tài)氧罐將連接在一起形成約64.6米高的核心結(jié)構(gòu)，這將是SLS火箭的支柱。作為核心結(jié)構(gòu)的主要承包商，波音公司正在焊接液態(tài)氫罐結(jié)構(gòu)——這是SLS和獵戶座第一次集成飛行的最后一個核心構(gòu)件。液態(tài)氫和液態(tài)氧罐能裝733000加侖推進劑，以保證四個RS-25引擎能產(chǎn)生90.8萬千克以上的推力。RS-25提供的推力可以提供的動力是10艘尼米茲級航母以30節(jié)的速度航行所需要電力的兩倍。

好事多磨，由于裝配設(shè)施的主要焊接機的安裝錯位，液態(tài)氫罐的焊接部位變得易碎，在此后不到一周的時間，裝配廠工人就損壞了核心級液氧罐的后穹窿部分。這些安裝問題使得“勘探任務(wù)-1”時間表不得不一推再推，原定于2018年第四季度首飛已經(jīng)是不可能的事了。

責任編輯：陳彩連