美國SLS重型火箭加注合練故障及解決方案簡析

張綠云 楊開(北京航天長征科技信息研究所)

況下的安全狀態(tài)復(fù)位操作；②驗(yàn)證發(fā)射倒計(jì)時(shí)過程中肯尼迪39 綜合發(fā)射設(shè)施以及發(fā)射控制中心的發(fā)射支持能力，并驗(yàn)證在發(fā)射當(dāng)天與發(fā)射控制團(tuán)隊(duì)、輔助發(fā)射團(tuán)隊(duì)、第45 德爾他航天部隊(duì)東靶場、網(wǎng)絡(luò)以及設(shè)計(jì)中心之間的連接能力。

次要目標(biāo)有：①驗(yàn)證肯尼迪發(fā)射控制中心與馬歇爾SLS 工程支持中心、第45 航天部隊(duì)德爾他操作中心以及約翰遜飛行控制與任務(wù)評(píng)估室之間的通信、電視以及遙測接口性能；②收集“獵戶座”（Orion）飛船、SLS 火箭以及活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)發(fā)射配置下的載荷數(shù)據(jù)、低溫加注與泄出過程中產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)和熱數(shù)據(jù)以及發(fā)射系統(tǒng)性能相關(guān)圖像；③驗(yàn)證發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射場內(nèi)轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射倒計(jì)時(shí)以及發(fā)射窗口的操作時(shí)序與流程，完成一次循環(huán)和下一個(gè)T﹣0 重置；④在計(jì)劃的飛行終止系統(tǒng)測試期間，收集有關(guān)電磁干擾和與飛行器以及第45 德爾他航天部隊(duì)東靶場系統(tǒng)的兼容性方面的數(shù)據(jù)；⑤集合并集結(jié)消防救援隊(duì)、醫(yī)療隊(duì)以及其他發(fā)射支持團(tuán)隊(duì)。

3 SLS 首飛箭加注合練故障情況與解決方案

第一、二、三次加注合練

2022 年4 月1 日，NASA 計(jì)劃開始SLS 火箭推進(jìn)劑加注合練和T﹣10s 前的倒計(jì)時(shí)演練，但因強(qiáng)雷電天氣而推遲到4 月3 日。不過，3 日的嘗試在加注還沒開始便被叫停，原因是活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上的1 臺(tái)電扇出現(xiàn)斷路器故障，無法為活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)密閉區(qū)域提供正壓并阻擋有害氣體。之后，地面團(tuán)隊(duì)設(shè)置主風(fēng)扇和輔助風(fēng)扇予以解決。

4月4日7:40，NASA的阿爾忒彌斯－1（Artemis－ 1）任務(wù)團(tuán)隊(duì)再次開始SLS 首飛箭芯級(jí)與過渡型低溫上面級(jí)的低溫推進(jìn)劑加注合練，按計(jì)劃在當(dāng)天14:40 結(jié)束。但是，在加注之前，用于液氧管路冷卻的氮?dú)夤?yīng)中斷。在更新了液氧加注程序后，地面團(tuán)隊(duì)在10:52 重新啟動(dòng)了試驗(yàn)流程，計(jì)劃在18:02 結(jié)束。液氧加注過程很順利，但在進(jìn)行管路冷卻、為液氫加注做準(zhǔn)備的過程中，活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上控制芯級(jí)排氣閥門的面板出現(xiàn)問題，NASA 在17:00 中止了加注流程。隨后，NASA 試驗(yàn)隊(duì)中止加注合練，并泄出已經(jīng)加注的液氧。因?yàn)橐貉跫幼⒘窟_(dá)到了50%，本次試驗(yàn)在一定程度上驗(yàn)證了加注流程。

在解決了氮?dú)夤?yīng)問題后，4 月14 日8:05，發(fā)射主管批準(zhǔn)了SLS 首飛箭的第三次加注合練。在液氧慢速加注過程中，液氧溫度讀數(shù)顯示高于預(yù)期值，發(fā)射控制器自動(dòng)中止液氧加注。經(jīng)過近2h 的故障排除后，發(fā)射控制器恢復(fù)運(yùn)行，液氧管路冷卻和加注重新啟動(dòng)，在加注過程中根據(jù)需要調(diào)整泵速和打開閥門，確保溫度保持在極限值以下。在開始液氫快速加注時(shí)，壓力驟增，液氫加注自動(dòng)中止。地面團(tuán)隊(duì)開始解決問題，同時(shí)暫停液氧加注。在故障得以排除后，加注流程重新啟動(dòng)。不過，在隨后的液氫加注過程中，控制人員發(fā)現(xiàn)連接芯級(jí)和活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)底部的尾部服務(wù)桿出現(xiàn)泄漏，加注合練因此終止。在結(jié)束試驗(yàn)之前，NASA 組織完成了上面級(jí)的推進(jìn)劑管路冷卻操作，完成了既定的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。本次試驗(yàn)中，芯級(jí)液氧加注量達(dá)到49%，而液氫加注量為5%。

在第三次試驗(yàn)之后，NASA 決定將SLS 發(fā)射系統(tǒng)運(yùn)回垂直總裝大樓，以解決多個(gè)技術(shù)故障。

在這三次試驗(yàn)中，主要出現(xiàn)了以下4 個(gè)技術(shù)問題。故障情況及原因與解決方案如下：

1）第二次試驗(yàn)中，排氣閥未能正常打開。對(duì)此，NASA 對(duì)活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)內(nèi)的一個(gè)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行了更換。不過，工程技術(shù)人員隨后發(fā)現(xiàn)過渡型低溫上面級(jí)氦吹除壓力保持出現(xiàn)問題。隨后，NASA 將這一故障定位在上面級(jí)止回閥上。在應(yīng)對(duì)措施方面，NASA 選擇對(duì)加注作業(yè)程序進(jìn)行修改，減少下一次加注合練中上面級(jí)的推進(jìn)劑加注量，并決定在首飛箭完成測試并返回垂直總裝大樓后更換故障閥門。在更換故障閥門的過程中，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，上面級(jí)止回閥無法正常關(guān)閉是由于上面級(jí)與活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)快速斷開裝置上已損壞的O 型橡膠密封圈松動(dòng)并進(jìn)入止回閥所致。在解決方案方面，主要更換止回閥、快速斷開系統(tǒng)的地面與飛行側(cè)連接結(jié)構(gòu)以及止回閥下端的支撐硬件。

2）在第二次試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員在上面級(jí)與活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)連接臍帶快速斷開裝置中的封閉區(qū)域檢測到外部空氣。該區(qū)域通過高溫氦氣進(jìn)行吹除，避免斷開裝置結(jié)冰，其設(shè)計(jì)方案為：向上滑動(dòng)接觸箭體表面的面板，無密封，通過氣體正壓避免外部空氣的吸入。這一問題的產(chǎn)生可能是在采用低溫氣體濕潤機(jī)油箱的過程中吸入了空氣。在解決方案方面，主要在箭體上設(shè)置平滑的機(jī)加工表面基座，并確保上面級(jí)臍帶臂吹除裝置與這一基座的連接；增加有害氣體檢測器，可在低溫操作期間對(duì)任何潛在的泄漏進(jìn)行預(yù)測，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤警報(bào)。

3）在第三次試驗(yàn)中，試驗(yàn)人員在活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)上尾部服務(wù)桿吹除裝置（兩件翻蓋式結(jié)構(gòu)）中發(fā)現(xiàn)了液氫泄漏。經(jīng)過檢查，這一泄漏是由于推進(jìn)劑加注與排放管路法蘭上的螺栓松動(dòng)所致。在解決方案方面，技術(shù)人員對(duì)所有接頭進(jìn)行了泄漏檢查，并重新擰緊了氫箱、氧箱與箱間段臍帶纜上的法蘭螺栓以及墊圈緊固件；作為預(yù)防措施，對(duì)尾部服務(wù)桿上的一個(gè)重型懸臂式過濾器（用于過濾吹除管路中的氮?dú)馕廴疚铮┑奈恢眠M(jìn)行了重新設(shè)置；更新軟件，解決芯級(jí)在加注推進(jìn)劑時(shí)遇到的問題。

4）第三次試驗(yàn)之后，氮?dú)夤?yīng)不足直接導(dǎo)致SLS 發(fā)射系統(tǒng)被移回垂直組裝大樓。在解決方案方面，氮?dú)夤?yīng)公司——液化空氣集團(tuán)（Air Liquide）著力升級(jí)其供應(yīng)設(shè)施，除了使用已有的蒸汽設(shè)施外，增加空氣交換器（即大型冷卻塔設(shè)施），提升液氮?dú)饣芰?，未來可滿足32h 的長時(shí)間測試需求。

第四次加注合練

美國東部時(shí)間2022 年6 月20 日，NASA 在肯尼迪航天中心39B 發(fā)射工位進(jìn)行了SLS 首飛箭的第四次推進(jìn)劑加注合練和終端倒計(jì)時(shí)演練，完成了115 項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。本次試驗(yàn)中，芯級(jí)與上面級(jí)液氧貯箱和液氫貯箱的推進(jìn)劑加注工作全部完成，共加注2032.8m；第一部分倒計(jì)時(shí)演練也順利完成，且倒計(jì)時(shí)控制成功由地面發(fā)射時(shí)序器切換到由SLS 火箭飛行計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)發(fā)射時(shí)序器。不過，SLS 箭上計(jì)算機(jī)隨后檢測到4 臺(tái)RS－25 芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)沒有達(dá)到預(yù)定的點(diǎn)火溫度，在T﹣29s 時(shí)停止了倒計(jì)時(shí)流程。

經(jīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與評(píng)估，NASA 認(rèn)為本次試驗(yàn)已經(jīng)完成了主要試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，而其中未能成功進(jìn)行的12 項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)（T﹣0 臍帶脫落、發(fā)動(dòng)機(jī)吹除排氣參數(shù)等）也已經(jīng)在之前的試驗(yàn)中基本得到了驗(yàn)證。至于本應(yīng)在T﹣28s 進(jìn)行的助推器尾裙段液壓動(dòng)力裝置激活試驗(yàn)，NASA 于3 天后在發(fā)射工位進(jìn)行了助推器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)測試，對(duì)液壓動(dòng)力裝置進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)。隨后，技術(shù)人員從動(dòng)力裝置中排出了肼燃料?；谏鲜鲈u(píng)估結(jié)果，NASA 宣布SLS 首飛系統(tǒng)加注合練任務(wù)成功完成，可以開始阿爾忒彌斯－1 任務(wù)飛行準(zhǔn)備。

本次試驗(yàn)中，共計(jì)出現(xiàn)了以下7 個(gè)技術(shù)故障，故障情況及解決方案如下：

1）在發(fā)射平臺(tái)尾部服務(wù)桿液氫預(yù)冷排放管路快速斷開裝置（直徑為0.1016m）的飛行板與接地板之間的空腔內(nèi)發(fā)現(xiàn)液氫泄漏，且泄漏呈快速上升趨勢。在泄漏率達(dá)到極限值（4%）之前，操作員打開了氫箱頂部的排氣閥，降低了壓力，泄漏率被控制在3.9%。之后，試驗(yàn)人員關(guān)閉了液氫加注與排放管路，保持預(yù)冷排放管路的開啟狀態(tài)，并進(jìn)行了加壓，結(jié)果是又檢測到液氫泄漏。隨后，工作人員對(duì)該斷開裝置進(jìn)行了加熱、冷卻操作，試圖重建密封，但仍未能成功。最后，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)決定只進(jìn)行一次終端倒計(jì)時(shí)演練，并關(guān)閉預(yù)冷排放管路。這一措施導(dǎo)致無法完成芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷程序，發(fā)動(dòng)機(jī)段溫度數(shù)值達(dá)不到預(yù)定值。隨后，試驗(yàn)人員重新配置了地面計(jì)算機(jī)中的軟件以屏蔽發(fā)動(dòng)機(jī)段的溫度數(shù)值，使得后續(xù)加注操作與倒計(jì)時(shí)演練可以繼續(xù)進(jìn)行。

經(jīng)過分析，液氫泄漏的主要原因是密封件材料的使用時(shí)長。這種特氟隆密封件從2020 年開始就安裝在箭體上，已經(jīng)超過2 年沒有進(jìn)行更換。在解決方案方面，除了對(duì)預(yù)冷排放管路臍帶斷開裝置的密封件進(jìn)行更換外，工程人員還決定更換液氫加注與排放管路快速斷開裝置的密封件，作為防止泄露的附加措施。

2）工作人員還發(fā)現(xiàn)了以下6 個(gè)技術(shù)問題：①在距離發(fā)射工位約1 英里處，支持設(shè)施中的地面氮?dú)庀到y(tǒng)上的閥門控制器出現(xiàn)故障。技術(shù)人員更換了閥門組件，不過這導(dǎo)致芯級(jí)加注比預(yù)定時(shí)間晚2h 進(jìn)行。②芯級(jí)液氧輸送管路上的加熱器出現(xiàn)故障，工程師試圖進(jìn)行控制，但加熱器仍關(guān)閉。加熱器用于對(duì)輸入芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)段的液氧進(jìn)行熱調(diào)節(jié)。工程師表示，該問題比較容易修復(fù)，并補(bǔ)充說明其可能是一個(gè)指令的問題，而不是硬件故障。③壓力值達(dá)到極限，導(dǎo)致過渡型低溫上面級(jí)（ICPS）液氧加注暫停了一段時(shí)間。④“獵戶座”飛船上的視頻播放系統(tǒng)也出現(xiàn)故障。如果這發(fā)生在發(fā)射當(dāng)天，發(fā)射團(tuán)隊(duì)可以通過備用方案予以解決，并繼續(xù)進(jìn)行倒計(jì)時(shí)。⑤助力轉(zhuǎn)向裝置電阻低于預(yù)期數(shù)據(jù)，但經(jīng)過額外的分析，該讀數(shù)并不存在問題。⑥發(fā)射工位附近煙道（用于燃燒多余氫氣）處發(fā)生了小火災(zāi)。

4 小結(jié)

盡管進(jìn)行了4 次加注合練，但NASA 并未完成全部試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，而是基于前期芯級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)試車數(shù)據(jù)，通過了飛行準(zhǔn)備評(píng)審，這也給SLS－ 1 首飛故障埋下了伏筆。在8 月29 日進(jìn)行的首飛中，芯級(jí)一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷出現(xiàn)問題，而該預(yù)冷系統(tǒng)的性能并未在加注試驗(yàn)中得到試驗(yàn)驗(yàn)證。這說明，對(duì)于運(yùn)載火箭，測試目標(biāo)的全覆蓋非常重要，是保障飛行安全的必要途徑。

美國SLS 重型運(yùn)載火箭在發(fā)射前經(jīng)歷了4 次加注合練，暴露出了13 個(gè)技術(shù)故障，如：活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)排氣閥門調(diào)節(jié)裝置失效、平臺(tái)箭體連接裝置密封件損壞以及材料使用超年限、液體管路螺栓松動(dòng)、氮?dú)夤?yīng)不足等。而且，SLS 兩次發(fā)射過程中也出現(xiàn)了液氫輸送管路連接處泄漏問題。這些技術(shù)故障基本都與活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)以及地面支持系統(tǒng)相關(guān)，這也警示，在火箭產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中也要充分重視地面系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品質(zhì)量。