宇宙神-5 N22火箭首飛任務(wù)

陳允宗（北京航天長征科技信息研究所）

美國國家航空航天局（NASA）為重新具備近地軌道和“國際空間站”載人往返運輸能力，自2010起與美國多家航天公司合作開展“商業(yè)乘員計劃”（CCP），研制載人航天運輸系統(tǒng)。作為NASA“商業(yè)乘員計劃”的組成部分，波音公司（Boeing）與NASA簽訂了價值近50億美元的協(xié)議，用于CST-100“星際客船”（Starliner）的研制與試驗。CST-100“星際客船”由乘員艙和服務(wù)艙組成，其乘員艙設(shè)計可重復(fù)使用10次。為發(fā)射CST-100“星際客船”，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）專門研制了宇宙神-5 N22（Atlas-5 N22）火箭，其中“N”代表“無整流罩”，第一個“2”代表一子級捆綁的2個固體火箭助推器，第二個“2”代表“半人馬座”（Centaur）上面級采用2臺發(fā)動機。

美國東部時間2019年12月20日清晨，宇宙神-5 N22火箭從卡納維拉爾角空軍基地起飛，執(zhí)行首次軌道飛行試驗（OFT-1）任務(wù)，成功將CST-100“星際客船”送入預(yù)定軌道。然而，CST-100“星際客船”在箭船分離后因飛船內(nèi)部的任務(wù)時鐘錯誤偏離軌道，無法與空間站交會。其乘員艙在美國東部時間22日07:58:02著陸白沙導彈靶場。CST-100“星際客船”原定8天的首次軌道飛行試驗被迫縮短到2天。

1 任務(wù)情況

發(fā)射情況

宇宙神-5 N22火箭在卡納維拉爾角空軍基地使用第41號航天發(fā)射綜合設(shè)施（SLC-41）執(zhí)行本次任務(wù)，采用“簡潔發(fā)射工位”（clean pad）操作方案，即火箭在垂直總裝設(shè)施（VIF）起豎火箭一子級，捆綁助推器，組裝上面級和飛船，在發(fā)射前用活動發(fā)射平臺將箭船組合體運往相距548m的發(fā)射工位。這種操作方式與航天飛機在肯尼迪航天中心的操作類似。發(fā)射工位上只進行低溫推進劑的加注和最終檢查，可在1天內(nèi)完成發(fā)射。

從2019年11月4日開始，ULA公司在垂直總裝設(shè)施內(nèi)組裝火箭，先在活動發(fā)射平臺上起豎火箭一子級，然后安裝2個固體助推器，隨后吊裝“半人馬座”上面級，之后對火箭進行系列發(fā)射前檢查；11月19日，ULA公司、波音公司和NASA進行任務(wù)演練，模擬倒計時程序；11月21日，飛船吊裝到火箭上。

發(fā)射倒計時操作

12月18日，宇宙神-5 N22火箭轉(zhuǎn)運到卡納維拉爾角空軍基地第41號航天發(fā)射綜合設(shè)施。19日19:16，火箭發(fā)射倒計時啟動，開始加注液氫和液氧（火箭一子級此前已完成煤油燃料加注）。在發(fā)射前幾分鐘，火箭再次接受檢查，確認所有系統(tǒng)運行正常后，T-4min內(nèi)置暫停解除，倒計時繼續(xù)。

起飛前3s，一子級發(fā)動機RD-180點火并將推力調(diào)節(jié)到390t，然后2個固體助推器點火；美國東部標準時間06:36:43，火箭從發(fā)射工位起飛。

為與空間站軌道匹配，火箭朝東北轉(zhuǎn)向。在起飛后66s，火箭超越音速。由航空噴氣發(fā)動機-洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）研制的2個固體助推器點火工作90多秒，為火箭初始爬升段提供額外的推力。2個固體火箭助推器殼體在T+2min22s分離，落入大西洋。

火箭因液體推進劑消耗而變得更輕。此時，RD-180發(fā)動機按制導計算機指令節(jié)流，確保飛船的過載限制在3.5G左右。在T+4min29s，火箭一子級發(fā)動機關(guān)閉，6s后與二子級分離。在T+4min41s，CST-100“星際客船”前部對接機構(gòu)的上升段保護罩分成兩部分拋離；在T+4min45s，“半人馬座”上面級的2臺RL10A-4-2發(fā)動機點火，產(chǎn)生總計20t推力。

在本次無人試飛中，飛船的發(fā)射中止發(fā)動機不工作。緊急監(jiān)測系統(tǒng)（EDS）設(shè)置了中止“觸發(fā)”功能。緊急監(jiān)測系統(tǒng)在發(fā)射期間監(jiān)視關(guān)鍵參數(shù)，可在發(fā)生危險時發(fā)出中止命令，將飛船推離火箭。

T+5min5s，即“半人馬座”上面級點火工作初期，飛船底部的氣動裙段被釋放并墜落。ULA公司和波音公司在2016年研制設(shè)計了氣動裙段，以解決在風洞試驗期間發(fā)現(xiàn)的氣動力學問題。該結(jié)構(gòu)長1.8m，安裝在“半人馬座”的頂部，在發(fā)射過程中它緊靠CST-100“星際客船”底部。

“半人馬座”上面級RL10A-4-2發(fā)動機點火工作7min多，將CST-100“星際客船”加速到臨近進入地球穩(wěn)定軌道所需的速度。本次任務(wù)采用了乘員友好的淺軌跡，星箭在遠地點181km、近地點72km、傾角51.6°的亞軌道分離。分離軌道近地點仍處于地球大氣層內(nèi)。這意味著CST-100“星際客船”此時無需額外機動就可再入大氣層并返回地球。

火箭發(fā)射飛行任務(wù)圖

飛船的在軌操作與著陸

箭船分離后，CST-100“星際客船”因機載系統(tǒng)誤讀導致其計時系統(tǒng)故障，未能在正確的時刻啟動發(fā)動機，偏離了航向。美國東部標準時間20日07:40，飛船被探測到處于穩(wěn)定軌道。后來證實，飛船當時處于187km×222km的軌道上。NASA和波音公司曾試圖發(fā)送命令使飛船重回正軌，但因飛船當時所在位置是2顆“跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星”（TDRS）切換通信信號的地方，而未能阻止飛船進行錯誤機動。20日08:55，任務(wù)控制人員發(fā)現(xiàn)飛船消耗了過多的燃料，無法到達“國際空間站”。20日09:00，NASA舉行新聞發(fā)布會稱該問題不是由運載火箭引起的，而是飛船的任務(wù)時鐘錯誤造成的。飛船如果有機組人員，則可避免該錯誤。NASA在后續(xù)的新聞發(fā)布會上稱：任務(wù)時鐘差了11h。NASA和波音公司重新制定飛行計劃，將試驗任務(wù)從8天減少到2天。

22日，飛船執(zhí)行離軌操作并進入地球大氣層，隨后成功展開降落傘。22日07:58:02，乘員艙利用安全氣囊成功降落在白沙導彈靶場。

任務(wù)有效載荷

本次試驗為CST-100“星際客船”的首次無人試飛，配備了穿著波音公司定制飛行服的仿人測試裝置（ATD）。該裝置被命名為“羅西”（Rosie）。乘員艙配重與載人任務(wù)相同，攜帶了約270kg物資和設(shè)備，包括史努比毛絨玩具和送給61號遠征隊航天員的節(jié)日禮物。由于無法與“國際空間站”對接，這些貨物未能送達。

宇宙神-5 N22火箭組成

2 宇宙神-5 N22火箭

宇宙神-5 N22火箭為二級結(jié)構(gòu)，安裝CST-100“星際客船”后全長約52m?；鸺蛔蛹壊捎枚砹_斯進口RD-180液氧/煤油發(fā)動機提供推力，外部捆綁2枚AJ-60A固體助推器；火箭二子級采用2臺RL10A-4-2氫/氧發(fā)動機，故被稱作“雙發(fā)動機型‘半人馬座’上面級”。

一子級

火箭一子級為通用助推器芯級（CBC），高32m，直徑3.8m，加注液氧/煤油，采用RD-180發(fā)動機。RD-180發(fā)動機采用雙推力室，推力390t，可連續(xù)節(jié)流，具備控制氣門致動和推力矢量平衡架的液壓系統(tǒng)。芯級貯箱采用鋁合金網(wǎng)格壁板、旋壓成型鋁合金箱底以及箱間裙段。

固體火箭助推器

火箭一子級外捆綁2枚AJ-60A固體火箭助推器，以獲得足夠的推力。AJ-60A由航空噴氣發(fā)動機-洛克達因公司研制，直徑1.58m、高20m、推力約為172t，采用環(huán)氧石墨復(fù)合材料殼體。固體助推器通過推力器實現(xiàn)分離。

400系列級間適配器

火箭利用400系列級間適配器實現(xiàn)一子級和二子級的連接，并為二子級發(fā)動機和一子級貯箱頂部之間留出安全的空間。

雙發(fā)動機型“半人馬座”上面級

雙發(fā)動機型“半人馬座”上面級直徑3.1m、高12.7m，推進劑為液氫/液氧，貯箱采用內(nèi)壓穩(wěn)定設(shè)計，材料為抗腐蝕不銹鋼。宇宙神-5系列火箭在宇宙神-5 N22火箭之前的型號都在“半人馬座”上面級上采用單臺RL10C-1發(fā)動機，其推力為10t。為執(zhí)行CST-100“星際客船”發(fā)射任務(wù)，宇宙神-5 N22火箭在“半人馬座”上面級上采用了2臺RL10A-4-2發(fā)動機，總推力為20t。雙發(fā)動機“半人馬座”上面級的低溫貯箱采用氦吹掃隔熱毯、防輻射屏和閉孔發(fā)泡材料實現(xiàn)隔熱。

CST-100“星際客船”發(fā)射任務(wù)采用雙發(fā)動機“半人馬座”上面級的主要目的是改善上升段軌跡。ULA公司負責CST-100“星際客船”計劃的任務(wù)經(jīng)理卡萊布·韋斯說：“上面級采用2臺發(fā)動機可獲得額外的推力，實現(xiàn)較淺的軌跡。如果我們不得不中止載人任務(wù)時，這種較淺軌跡將更加安全。我們在軌道設(shè)計時，可以利用額外的推力來提升乘員安全?！?/p>

“半人馬座”上面級自1962年投入使用，共完成255次發(fā)射任務(wù)，其中168次任務(wù)是采用雙發(fā)動機。早期“宇宙神”火箭家族曾采用雙發(fā)動機型“半人馬座”上面級執(zhí)行過100多次發(fā)射任務(wù)，上一次是宇宙神-2AS火箭在2001年8月31日采用雙發(fā)動機型“半人馬座”上面級執(zhí)行類星體-15（SDS-15）發(fā)射任務(wù)。

緊急監(jiān)測系統(tǒng)

緊急監(jiān)測系統(tǒng)的功能是監(jiān)測火箭，探查威脅乘員安全的故障情況，提前向乘員發(fā)送信號，確保乘員能夠及時中止任務(wù)逃逸。乘員還能利用該系統(tǒng)的界面在飛船內(nèi)啟動任務(wù)中止程序。為創(chuàng)造安全的中止環(huán)境，緊急監(jiān)測系統(tǒng)還可關(guān)閉上面級發(fā)動機或芯級發(fā)動機。如果地面或執(zhí)行飛行任務(wù)的乘員認為條件允許，可以命令緊急監(jiān)測系統(tǒng)不執(zhí)行中止操作。因宇宙神-5 N22火箭為一次性使用火箭，緊急監(jiān)測系統(tǒng)只監(jiān)測危害乘員安全的事件。

運載火箭適配器和氣動裙段

運載火箭適配器（LVA）為CST-100“星際客船”與火箭提供結(jié)構(gòu)連接。運載火箭適配器使用桁架結(jié)構(gòu)和金屬環(huán)將飛船連接到“半人馬座”上面級上。

氣動裙段為金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，長1.8m，可延長CST-100“星際客船”的氣動力學表面，改善火箭氣動力學特性、穩(wěn)定性和載荷情況，火箭一子級分離后，氣動裙段與飛船分離。如果出現(xiàn)緊急情況，氣動裙段可為發(fā)射中止發(fā)動機羽流提供排放通道，幫助CST-100“星際客船”乘員艙和服務(wù)艙與火箭分離。

3 發(fā)射綜合設(shè)施的相關(guān)改造工作

對載人航天任務(wù)而言，乘員進出塔與應(yīng)急逃生通道是發(fā)射場改造工作的重點。為發(fā)射波音公司CST-100“星際客船”，將航天員運送到“國際空間站”， ULA公司改造了卡納維拉爾角空軍基地第41號航天發(fā)射綜合設(shè)施，專門新建了乘員進出塔和滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)等。

新建乘員進出塔

乘員進出塔在發(fā)射工位附近分段建造，然后搭建在一起，形成了近60.9m高的結(jié)構(gòu)。乘員進出擺臂連接在乘員進出塔的12層，在發(fā)射工位甲板上方約52.4m處。該擺臂質(zhì)量約40.8t，長度將近15.2m，配備了電子、數(shù)據(jù)、照明和流體等系統(tǒng)。為給航天員在登上飛船之前提供一個準備過渡的空間，對航天服進行了最后的調(diào)整，ULA公司修建了一個名為“白屋”的潔凈間，此處可防止污染物進入飛船和航天服內(nèi)。未來，航天員可利用乘員進出擺經(jīng)過“白屋”進入宇宙神-5火箭上方的CST-100“星際客船”內(nèi)。

滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)

在乘員進出塔的12層還設(shè)有“滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)”?！盎鲬?yīng)急逃生系統(tǒng)”具備4個獨立的滑索，其上各配置了5個座位。當出現(xiàn)危險情況時，“滑索應(yīng)急逃生系統(tǒng)”可供包括航天員和地面支持人員在內(nèi)的20名人員從塔中迅速逃脫。借助該系統(tǒng)，航天員和地面人員可以撤離到距發(fā)射工位408m以外的地方著陸。該系統(tǒng)在設(shè)計時還考慮到航天員厚重的航天服問題，經(jīng)過特殊設(shè)計的逃生座椅可供航天員方便進出，同時附有易于操作的手柄，可控制向下滑動的速度。

4 小結(jié)

“宇宙神”火箭家族已有40多年的歷史，宇宙神-5系列火箭為美國現(xiàn)役主力運載火箭。該系列火箭具有優(yōu)良的發(fā)射記錄，自2002年8月21日首飛以來，已完成了83次發(fā)射任務(wù)，除1次部分成功外，其余全部成功。

為滿足NASA“商業(yè)乘員計劃”對于載人火箭安全性能的要求，ULA公司在以往技術(shù)基礎(chǔ)上，通過增強火箭性能、融合故障冗余能力、提升可靠性，成功研制出了宇宙神-5 N22火箭。雖然CST-100“星際客船”首次軌道飛行試驗因飛船原因未能實現(xiàn)與“國際空間站”成功對接的試驗?zāi)繕?，但宇宙?5 N22火箭成功實現(xiàn)首飛，火箭與CST-100“星際客船”的集成、發(fā)射和飛行操作均得到驗證。

繼CST-100“星際客船”2019年12月22日著陸白沙導彈靶場后，NASA和波音公司開展了長達4個多月的調(diào)查。2020年4月6日，波音公司宣布將調(diào)整計劃，增加CST-100“星際客船”第2次軌道飛行試驗。ULA公司表示將為波音公司CST-100“星際客船”第2次軌道飛行試驗提供支持。

ULA公司曾在2019年6月將1枚宇宙神-5 N22火箭的硬件部段運抵卡納維拉爾角，原計劃用于CST-100“星際客船”的首次載人飛行試驗（CFT-1）。因計劃調(diào)整，ULA公司打算用這枚火箭執(zhí)行CST-100“星際客船”第2次軌道飛行試驗任務(wù)。ULA公司在聲明中稱：火箭硬件已在卡納維拉爾角準備就緒，只待波音公司、NASA、ULA公司商定發(fā)射日期。