美國SLS 重型火箭首次芯級點火試驗簡析

張綠云 曲晶（北京航天長征科技信息研究所）

2021 年1 月17 日，在成功完成模態(tài)試驗等7 項試驗準備工作的基礎上，美國國家航空航天局（NASA）進行了“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）首次芯級點火試驗，即4 臺RS－25 發(fā)動機聯(lián)合試車。作為近50 年來全球規(guī)模最大的火箭子級地面點火試驗，雖然發(fā)動機僅點火工作了約1min，但驗證了包括貯箱增壓、推進劑加注以及推力達到設計最大值等在內的多項試驗目標，為芯級性能分析及后續(xù)點火試驗提供了數(shù)據(jù)支撐。

早在2020 年1 月，NASA 和波音公司（Boeing）通過“飛馬座”（Pegasus）駁船將SLS 首飛箭芯級轉移至斯坦尼斯航天中心（SSC），并將其安裝在B－2 試驗臺上，開始進行芯級系列試驗。受到新冠肺炎疫情、惡劣天氣以及技術問題的影響，試驗過程持續(xù)了近1 年的時間。

1 試驗情況

本次試驗情況

1 月17 日，美國在斯坦尼斯航天中心啟動了SLS 芯級點火試驗。T-0 前6s，1 號RS－25 發(fā)動機開始點火，之后是3 號、4 號和2 號RS－25 發(fā)動機分別以120ms 的時間間隔點火。按照計劃，試驗將持續(xù)約8min，進行3 次推力水平調整以及2 次時長30s 的發(fā)動機擺動。但是，在試驗進行到約1min 時，4 臺發(fā)動機關機，試驗終止。

本次試驗中，試驗團隊在發(fā)動機點火前10min啟動了倒計時時序，主要事件如下：

1）T-4min：啟動芯級輔助動力單元（CAPU）；

2）T-3min：啟動發(fā)動機吹掃時序；

3）T-2min30s 啟動預點火穩(wěn)定時序；

4）T-1min30s：斷掉B-2 試驗臺外部電源，啟動芯級內部電源；

5）T-33s：啟動自動發(fā)射時序（ALS）；

6）T-6s：發(fā)出發(fā)動機啟動指令。

原因分析

1 月19 日，NASA 公布了本次試驗情況的初步調查結論。在4 臺RS－25 發(fā)動機點火運行67.2s 后，與編號為E2056 的2 號發(fā)動機輔助動力單元相關的液壓系統(tǒng)超出了預先設定的試驗極限值。隨后，按照設定的流程，飛行計算機自動終止了試驗。但這個終止流程只限地面點火試驗，而對于實際飛行任務，如果出現(xiàn)同樣的情況，SLS 火箭將通過其他輔助動力單元實現(xiàn)推力矢量控制系統(tǒng)的正常工作，確保火箭正常飛行。至于為什么要對地面點火試驗進行這樣保守的終止流程設計，是因為本次地面點火試驗采用的是計劃用于SLS 首飛任務的芯級飛行件，需要確保該硬件的絕對安全。對于后續(xù)試驗，工程師對飛行計算機的控制邏輯參數(shù)進行了修訂，避免因其過于保守而再次出現(xiàn)發(fā)動機提前關機現(xiàn)象。

另外，在發(fā)動機點火工作約1.5s 后，因電氣線束故障，傳感器顯示一個主要組件故障（MCF），涉及到編號為E2060 的4 號發(fā)動機在T-0 之前損失了一個冗余支路。不過，因為發(fā)動機控制系統(tǒng)具備足夠的冗余能力，能夠確保發(fā)動機運行安全，試驗團隊并沒有將這種情況作為一個影響試驗繼續(xù)進行的限制因素，試驗正常進行。隨后，工程師對電氣線束進行了檢查與修復。

而針對點火過程中發(fā)動機周圍出現(xiàn)的“閃光”現(xiàn)象，工程師進行了目視檢查和數(shù)據(jù)分析。檢查發(fā)現(xiàn)，用于保護發(fā)動機的防熱層上出現(xiàn)了一些外部焦化跡象，這應該是由于防熱層靠近發(fā)動機和芯級輔助動力單元排氣通道所致。而根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)，芯級發(fā)動機段的溫度正常。依據(jù)這兩點可以初步判斷，防熱層發(fā)揮了作用，對發(fā)動機起到了保護作用。

芯級試車前的準備工作

前期準備工作

為了確保4 臺RS－25 發(fā)動機聯(lián)合點火試車的成功，NASA 在此之前做了充分的準備工作，共計7項試驗內容，包括芯級模態(tài)試驗、電子系統(tǒng)試驗、失效保護系統(tǒng)試驗、主要推進系統(tǒng)組件試驗、推力矢量控制系統(tǒng)及相關液壓系統(tǒng)試驗、倒計時演練以及推進劑加注試驗，逐步驗證芯級及其各分系統(tǒng)的性能，使其可滿足阿爾忒彌斯－1（Artemis－1）及后續(xù)登月任務的能力需求。

2 SLS 火箭芯級

SLS 為美國新一代載人重型運載火箭，將用于執(zhí)行包括火星登陸在內的載人航天深空探索任務。SLS火箭包括SLS－1 型（載人/載貨）、SLS－1B 型（載人/ 載貨）和SLS － 2 型（載人/ 載貨）。SLS － 1 型采用通用芯級、五段式固體助推器和過渡型低溫上面級（ICPS），可實現(xiàn)70t 近地軌道運載能力以及27t 深空運載能力。系統(tǒng)通過月球任務演示驗證后，項目采用探索上面級（EUS）替換過渡型低溫上面級，并采用改進型固體助推器以形成SLS－1B 型，近地軌道運載能力105t，而其深空運載能力將達到38t。SLS－2 型在SLS－1B 型的基礎上使用先進液體助推器替代五段式固體助推器，實現(xiàn)130t 的近地軌道運載能力，并將其深空運載能力提高到46t。

作為SLS 火箭的一子級，芯級需要支撐上面級、飛船以及有效載荷的質量，并能夠承受4 臺RS－25氫氧發(fā)動機以及2 臺五段式固體助推器的推力。

SLS 火箭構型圖

在結構設計上，芯級高64.6m，直徑8.4m，結構質量85.3t。主要由發(fā)動機段、氫箱、箱間段、氧箱和前裙組成，分為10 個主要圓柱形筒段、4 個圓底以及7 個連接環(huán)。其中，每一個筒段由8 個不同長度和高度的鋁板制造而成；采用4 臺RS－25 氫氧發(fā)動機，可加注200 萬升液氫和74.2 萬升液氧；安裝3 臺飛行計算機和箭上大部分電子設備，外部噴涂黃色熱防護涂層；設計飛行時間約500s，飛行高度162km。

為了完成芯級的制造和組裝，波音公司在米丘德裝配廠（MAF）內建成了6 大新型焊接工裝，包括垂直組裝中心（高52m，寬23.8m）、垂直焊接中心（高51.8m，寬23.5m）、環(huán)形穹頂焊接工裝、三角焊接工裝、分段環(huán)狀焊接工裝和改進型機械焊接工裝等，均采用攪拌摩擦焊技術，分別完成芯級貯箱及干結構組裝、筒段焊接、圓底組裝、三角組裝、支撐環(huán)制造和圓底制造等工作。而對于攪拌摩擦焊帶來的匙孔（直徑約為25mm），通過塞焊予以消除或修復。之后，通過復核試驗驗證制造質量，包括氧箱的注水和流體靜力試驗，以及氫箱的充氣試驗，最后完成清潔、線路和管路鋪設及防熱層涂裝。2018 年，隨著芯級各組件生產(chǎn)制造工作的完成，SLS 火箭研制進入首飛箭芯級結構組裝階段。按照計劃，芯級分兩部分垂直組裝，前裙、氧箱和箱間段組成前半部分，氫箱和發(fā)動機段組成后半部分，兩部分調至水平再進行最后組裝。因為發(fā)動機段、前裙和箱間段的組裝工作復雜度高，包括4 臺RS－25 發(fā)動機的精確安裝、大量復雜電氣設備與線纜的安裝，以及各組件內外隔熱涂層的噴裝等?；诖耍炯壗M裝工作進展比較緩慢，直到2019 年中僅完成了前半部分的組裝，且發(fā)動機段的研制工作耗時超出了預期。在美國政府提出2024 年重返月球目標之后，為了確保進度，NASA和波音公司決定將芯級組裝方式由“垂直+垂直+水平”改為“垂直+水平+水平”。在進行芯級前段與氫箱組裝的同時開展發(fā)動機段的研制工作，進而在2019 年底完成了首枚芯級的組裝。

SLS 芯級結構分解圖（來源：NASA）

完成組裝后的SLS 首飛箭芯級（來源：NASA）

此外，在芯級飛行箭設計與制造的同時，波音公司還制造了芯級主要結構的模擬件，并在馬歇爾航天飛行中心（MSFC）建造了4 個專門的結構試驗臺，從2017 年開始進行氧箱、氫箱、發(fā)動機段和箱間段的系列結構試驗。完成的199 次試驗充分驗證了芯級結構性能，也為結構優(yōu)化設計提供了數(shù)據(jù)支撐。

3 B－2 試驗臺

本次點火試驗在斯坦尼斯航天中心的B－2 試驗臺上進行。B－2 試驗臺建設于“阿波羅”（Apollo）時代，最初用于開展“土星”（Saturn）火箭子級試驗，之后相繼用于支持航天飛機主推進系統(tǒng)和德爾他－4（Delta－4）火箭RS－68 推進系統(tǒng)的試驗。

為了滿足SLS 芯級試驗要求，NASA 對該試驗臺的每一個關鍵系統(tǒng)都進行了升級改進，包括：①對試驗臺主結構進行了重新配置，航天飛機時期，整個結構高18.6m，鋼質量54.5 萬磅（約247207.8kg）；改進后的主結構長6.1m，鋼質量99.9 萬磅（約453138.8kg），高度延長至30.5m；②采用鋼結構，將平臺高度由原來的88m 增加至107m；③將平臺上主要起重設施的動臂延長15m，吊重增加至195t；④對現(xiàn)有高壓氣體設施設備進行了升級改進，安裝了新型卡車卸載裝置、大容量存儲裝置、自動輸入系統(tǒng)以及6 個噴霧器等新設施，使其除了具有提供氦氣、氫氣和高壓空氣的能力之外，還可以提供氮氣，以滿足SLS 芯級試車的需求。其中，氮氣將通過2.4km 長的管道和5 個加熱器（熱容量為880kW）從高壓氣體設施轉入B－2 試驗臺。之后，通過管道流入前裙、貯箱、發(fā)動機段，用于防止相關組件在試車過程中受到低溫推進劑的影響；⑤在導流板上設置了32500 個直徑約4mm 的小孔，可在1min 內導出240000 加侖（約90.85 萬升）的水，用于試驗過程中的發(fā)動機冷卻；設置了92 個噴水嘴，1min 內可產(chǎn)生92000 加侖（約34.83 萬升）的水，用于在試驗過程中為芯級提供聲振抑制保護；在試驗臺周圍設置100 多個噴水嘴，對芯級和平臺進行保護。

安裝了芯級的B－2 試驗臺（來源：NASA）

2018 年12 月，NASA 在斯坦尼斯航天中心完成了B－2 試驗臺推進劑冷流試驗和一次高壓氣體設施負荷（低溫液氮轉換成氮氣）試驗，標志著B－2試驗臺SLS 芯級發(fā)動機聯(lián)試準備工作已經(jīng)基本完成。在此之后，還完成了最終的水流檢測和特殊試驗設施的安裝等工作。在芯級結構件到達之后，技術人員還通過“探路者”（Pathfinder）芯級模擬件開展了芯級操作和安裝適配試驗，驗證了試驗設施的性能。

4 結語

本次試驗是美國NASA 也是全世界近50 年來進行的規(guī)模最大的一次火箭子級地面點火試驗。在試驗中，雖然未能進行時長8min 的點火試驗，驗證設定的23 項目標，以全面評估芯級性能，但是4 臺發(fā)動機在1min 的時間內都按照預期運行，試驗團隊實現(xiàn)了多個試驗目標：成功進入由芯級飛行計算機及軟件控制的自動發(fā)射時序；完成了發(fā)射倒計時時序；實現(xiàn)了貯箱增壓和推進劑加注，驗證了主要推進系統(tǒng)的性能；首次實現(xiàn)了4 臺發(fā)動機點火工作，且推力達到航天飛機主發(fā)動機設計推力的109%；推力矢量控制系統(tǒng)成功運行。

為了全面驗證芯級的設計性能，降低SLS 首飛及后續(xù)“阿爾忒彌斯”任務的風險，NASA 和波音公司決定進行第二次芯級點火試驗，計劃在2021 年2 月底完成。因為首次點火試驗已經(jīng)實現(xiàn)了多項關鍵目標，且導致試驗提前終止的原因在于飛行計算機控制邏輯參數(shù)設計過于保守，未能充分發(fā)揮系統(tǒng)的冗余能力，而非芯級與發(fā)動機硬件問題。因此，試驗團隊應該能夠在本次試驗中獲得發(fā)動機更長點火時長的試驗數(shù)據(jù)。不過，因為芯級點火試驗延長了1 個月，這或許會使原計劃在2021 年11 月進行的SLS 首飛任務進一步推遲至2022 年。