美国重型火箭推进系统试验能力建设研究

陈允宗（北京航天科技信息研究所）

自20世纪60年代以来，美国先后研制出土星－5（Saturn－5）重型运载火箭和航天飞机，实现了载人登月，天地往返。为满足上述航天运载器研制过程中对推进系统试验能力的要求，美国建成了一批世界领先的火箭推进系统试验设施。这些试验设施不仅为土星－5重型运载火箭和航天飞机研制提供了试验能力保障，也为其后续航天工业能力发展奠定了坚实基础。

进入21世纪，美国政府提出了重返月球的战略目标，进而实现载人探测火星计划，提出“航天发射系统”（SLS）重型运载火箭研制计划。在推进系统试验能力建设方面，美国国家航空航天局（NASA）通过在原有试验设施基础上改建或新建试验设施，来满足SLS火箭的推进系统研制试验需求。

1 美国重型火箭推进系统试验设施布局

在土星－5重型运载火箭研制期间，美国为加快研制进度，采取并行试验方法，在加利福尼亚州的圣苏珊娜试验场、萨克拉门托和爱德华兹空军基地，田纳西州的阿诺德工程发展中心，阿拉巴马州的马歇尔航天飞行中心，密西西比州的密西西比试验设施（斯坦尼斯航天中心前身）建设了多处推进系统试验设施。事实证明，这种做法对于保障火箭推进系统研制进度确实发挥了积极作用。例如，F－1发动机在爱德华兹空军基地和马歇尔航天飞行中心开展并行试验，使一子级推进系统试验进度提前了2个月。

NASA将涉及到大型部段运输的试验设施一般都安排在美国东南部临近肯尼迪航天中心发射场和米丘德总装厂的地区，如密西西比试验设施和马歇尔航天飞行中心就分别位于密西西比州西南部和阿拉巴马州亨茨维尔。这两处试验设施与火箭总装厂和发射场之间具有便利的陆路和水路运输条件。在20世纪70年代，NASA在研制航天飞机期间，再次将航天飞机氢氧主推进系统试验安排在斯坦尼斯航天中心。

美国重型火箭推进系统试验设施地理分布图

美国重型火箭推进系统试验设施表

进入21世纪，美国的重型运载火箭推进系统试验主要依托斯坦尼斯航天中心，该中心为美国重型火箭推进系统研制提供了关键的试验能力支持。自美国开展SLS重型运载火箭研制项目以来，该中心已完成J－2X和RS－25发动机的多次点火试车，为重型火箭研制提供了必要的试验保障。在大型固体助推器研制中，SLS火箭的五段式固体助推器试验选择在犹他州轨道-ATK公司的固体推进系统试验设施进行。

本文将关注美国现有重型运载火箭推进系统试验能力，重点研究斯坦尼斯航天中心、马歇尔航天飞行中心和轨道-ATK公司犹他州固体助推器试验设施等推进系统试验设施。

2 斯坦尼斯航天中心的重型火箭推进系统试验设施

美国斯坦尼斯航天中心是NASA最大的航天推进系统试验中心，从事火箭推进系统试验与研制、材料研发、羽流研究等。1961年10月25日，NASA宣布在密西西比州建设美国火箭试验基地，并将该基地命名为“NASA密西西比试验操作场地”。随后，该基地经历多次更名，先后于1965年7月1日更名为“密西西比试验设施”，1974年6月14日更名为“国家航天技术实验室”。直至1988年5月20日，NASA为纪念约翰·C·斯坦尼斯，将该基地更名为“约翰·C·斯坦尼斯航天中心”并沿用至今。1996年5月30日，NASA将斯坦尼斯航天中心指定为美国火箭推进试验的主导中心，负责管理运营NASA火箭发动机试验工作。

该中心地处密西西比州的西南部汉考克郡，邻近路易斯安娜州，距新奥尔良市约72km，地处偏远，人烟稀少，土地辽阔，可容纳大型的火箭推进系统试验设施，适宜相应的试验操作；其水路运输条件便于火箭子级和推进剂的运输。该中心的大型火箭试验设施与建筑物集中在占地54.6km2的区域内；周边是面积约507km2的噪音缓冲带。这为推进系统试验提供了有效的噪音缓冲和屏蔽。尽管如此，在土星－5火箭研制期间，由于在此进行火箭试车，NASA接到了160起因噪音问题引起的投诉，其中18起以经济赔偿的方式解决，总计39405美元。

斯坦尼斯航天中心的地理位置

斯坦尼斯航天中心拥有全尺寸火箭发动机试验设施、组件和小型发动机试验设施以及材料试验设施。其中的A综合试验设施和B综合试验设施为大型推进系统试验设施，能够完成全尺寸、液体火箭发动机及火箭子级系统试车。

A综合试验设施

A综合试验设施具有2个独立工位，代号分别为“A－1”和“A－2”，均为立式试车工位。A综合试验设施始建于1963年，1966年完工。1966年4月23日，土星－5火箭二子级S－2首次在A－2工位静态点火试车。A综合试验设施在20世纪70年代初“阿波罗”（Apollo）计划期间，一直用于土星－5火箭二子级S－2及其J－2发动机的试车与验收，直至1970年10月30日A－2工位完成最后一次土星－5火箭二子级点火试车；20世纪70年代至2009年，A综合试验设施用于航天飞机主发动机试车；近年，A综合试验设施开始用于SLS重型火箭芯级发动机RS－25与上面级发动机J－2X的试车。

斯坦尼斯航天中心的A―1（左）和A―2（右）试车工位

A－1和A－2这2个试车工位均为钢筋混凝土结构，高约60.96m，静态点火试验的最大试验件直径可达10.06m，耐受温度达3315.56℃。每个试验台的设计最大动态载荷499t（垂直向上）、771t（反向）和317t（水平）。A－1和A－2试车工位可为发动机试车提供液氢/液氧推进剂，以及用于吹扫或增压的氦气、氢气和氮气。A综合试验设施还包括1个试验控制中心、多个观察掩体以及技术支持系统。

A－1试车工位具备火箭子级、主推进系统及单台发动机海平面试车条件，可进行稳态点火试车。试车台向地下延伸15.24m，火焰导流装置冷却水流量为6.31m3/s。该工位最初是为试验土星－5火箭二子级S－2而设计，后期为适应X－33发动机及气动塞式喷管发动机的预研试车曾接受改造。A－2工位是立式高空试车工位，可模拟19.8km高度的高空环境。

B综合试验设施

斯坦尼斯航天中心的B―2试车工位

B综合试验设施为双工位，立式静态点火试车台，高124.05m，工位代号为“B－1”和“B－2”。每个试车工位都可以试验直径10.06m的试验件，可承受最大动态载荷4989t（垂直向上）、3855t（反冲）和2721t（水平），而现有结构无法支撑最大设计极限。B－1试车工位曾用于航天飞机主发动机单机试验。B－2试车工位曾用于土星－5火箭一子级试车。土星－5火箭一子级于1970年9月30日在B－2试车工位完成最后一次点火试车，B－2试验台曾在2001年进行“德尔他”（Delta）通用芯级试车。

3 马歇尔航天飞行中心的重型火箭推进系统试验设施

马歇尔航天飞行中心位于美国阿拉巴马州亨茨维尔，是NASA的大型研究试验设施。该中心成立于1961年7月1日，其早期建筑、土地、航天项目、资产与人员来自美国空军导弹局。冯·布劳恩博士是马歇尔航天飞行中心的第一位主任。数十年来，马歇尔航天飞行中心在NASA许多重大项目中发挥了关键作用，如“阿波罗”探月工程、航天飞机的研制与运营，以及“国际空间站”的建设及相关科学研究。该中心在航天运输系统研制、微重力研究及先进制造技术方面肩负着引领整个NASA的使命。

马歇尔航天飞行中心位于占地161km2的红石兵工厂军事管制区内。该中心拥有50多个试验设施，主要分布在1.6km2的区域内，分为东部、西部和北部3个试验区。东部试验区主要用于发动机组件和分系统试验，建有静态试验塔；西部试验区主要用于全系统试验，建有先进发动机试验设施和F-1发动机试验台；北部试验区用于气动学研究和气/流体动态试验。该中心能够完成从小型组件到全套发动机系统等多种火箭及航天运输技术试验。凭借雄厚的工程技术实力，该中心在航天运输系统的研究、评估、完善、分析、设计、研制、试验和验证技术方面占据领先地位。

先进发动机试验设施

先进发动机试验设施位于马歇尔西部试验区，原名“S－1C级静态试车台”，编号为“4670号建筑”，高123.44m。1964年，马歇尔航天飞行中心为研制和试验土星－5火箭第一级S－1C而建设了该试验台。在1965年4月-1966年8月，该试验台完成了18次S－1C级试车。1974年，为适应航天飞机外贮箱结构验证试验需求，马歇尔航天飞行中心改造了该试验台。1980年，航天飞机外贮箱试验工作完成。1986年，该试验台再次接受改造，并更名为“先进发动机试验设施”。1998年，试验台为了进行宇宙神－5（Atlas－5）火箭RD－180发动机试验而再次接受改造。

先进发动机试验设施

先进发动机试验设施高123.75m（含起重吊臂高度），主体结构高81.38m。试验台地基固定在地下约14m的基岩上。试验台可为3401t推力的火箭级进行静态点火试车。经过改进，该试验台的试验能力可满足高51.82m、直径12.19m、推力达5443t的火箭级试车需求。该试验台的控制由西部试验区4674号掩体提供。目前，先进发动机试验设施具有2个立式工位，1#工位可为试验件提供液氧/液氢，设计试验推力170t；2#工位可为试验件提供液氧/煤油，设计试验推力408t。该设施具备发动机整机和火箭级全系统评估和研究能力，曾用于评估验证推进技术和大型火箭发动机，是世界上为数不多的大型液体火箭推进系统试验设施之一。

F―1发动机试验台

F－1发动机试验台是一个立式发动机点火试车台，高72.8m，底面积427m2。试验台的地基固定在地下12m处的基岩上。该试验台可以完成680t推力的液氧/煤油发动机静态点火试车。该试验台经过改造可以试验1360t推力水平的发动机。试验台具有一个导流板，采用水冷却。水流量为511m3/min，水压0.862MPa。

静态试验塔（4572号设施）

1951年，马歇尔航天飞行中心建成静态试验塔，编号4572号建筑。最初用于试验陆军“朱庇特”导弹。因结构外观又得名“T-塔”。初期设计试验最大推力226t。1961年，该设施经过改造后用于试验土星－1和土星－1B级，设计试验推力达725t。随后，该试验设施更名为“S－1B静态试验台”，又名“推进与结构试验设施”。该试验台西侧用于试验S－1级，东侧用于试验S－1B级。该试验台对10个S－1级进行了24次试验，对12个S－1B级进行了32次试验。西侧试验台还曾进行F－1发动机试车。截至1968年7月，该试验台完成了75次F－1发动机试车。1984年该试验台的西侧再次接受改造，以满足航天飞机固体火箭助推器的结构试验要求。自1951年建成投入使用以来，该试验设施累计完成649次试验。目前，42.67m高的试验设施入选美国国家历史地标建筑，现名为“危险结构试验设施”。

4 犹他州轨道-ATK公司的重型火箭推进系统试验设施

轨道-ATK公司普罗蒙特利设施位于犹他州大盐湖北部的蓝克里克谷，占地78km2，现为轨道-ATK公司航天系统分部的组成部分，主要从事固体火箭发动机的制造、试验和运输。20世纪50年代中期，锡奥克尔化学公司为扩大导弹制造与试验能力购买了这块土地，并在此建设了火箭制造与试验设施。1956年，这里首次进行固体火箭发动机试车。自1958年起，锡奥克尔公司经历多次重组并购。1974年，锡奥克尔公司获得航天飞机可重复使用固体助推器制造合同，在此开展相关研制试验。此外，轨道-ATK公司普罗蒙特利设施还为导弹系统和其他运载火箭制造发动机，导弹包括“和平卫士”、“三叉戟”等，航天运输系统包括航天飞机、“德尔他”火箭等。轨道-ATK公司普罗蒙特利的生产活动与雇员情况随合同而变化，一般情况下，雇员在3000～5000名。

T－97试验设施

轨道-ATK公司普罗蒙特利拥有两处固体火箭发动机试车工位，分别为T－24和T－97。其中，仅T－97能支持五段式固体助推器的静态试车。T－97试验设施于1987年10月17日建设完工，2002年为适应NASA重型火箭五段式固体助推器试车要求接受改造，成为世界上最大、最先进的固体火箭发动机试验设施，设计可试验推力1814t的大型固体火箭发动机。该试验台曾为美国航天飞机试验固体助推器进行热点火试车。为研制SLS重型运载火箭，该试验设施自2009年9月起用于五段式固体助推器点火试车。

5 结论

重型运载火箭推进系统试验设施选址是重大的永久性投资，若在建成后才发现选址不当，则为时已晚，难以补救。选址决策的正确与否，影响着重型运载火箭推进系统试验设施的应用与后续发展。通过分析美国重型运载火箭推进系统试验设施的选址情况，发现运输问题、振动噪音以及水资源供给问题是推进系统试验设施选址时须考虑的3个问题。

土星-5运载火箭发射

1）运输问题。对于一般的重型运载火箭推进系统试验设施选址而言，运输是必须考虑的问题。重型运载火箭结构尺寸大，例如土星－5火箭芯级直径10.1m。若不能妥善解决大尺寸火箭部段在制造厂、试验设施和发射场之间的运输问题，就无法顺利完成重型火箭的研制和试验。美国重型运载火箭推进系统试验设施大多选择建在美国东南部临近肯尼迪航天中心的地区，例如斯坦尼斯航天中心和马歇尔航天飞行中心就分别建在密西西比州西南部和阿拉巴马州亨茨维尔。这两处试验设施与制造厂和发射场之间具有便利的陆路和水路运输条件，这为大尺寸的试验件运输提供了良好的解决方案。

2）噪音问题。重型运载火箭推进系统试验设施在选址方面还要考虑大推力发动机试车的振动噪音问题。美国土星－5火箭芯级由5台F－1发动机提供动力，芯级试车时的推力可达3579t。土星－5火箭的推进系统试验最初在马歇尔航天飞行中心完成，但试车产生巨大的振动和噪音给附近的居民造成困扰。20世纪60年代中后期，NASA建成斯坦尼斯航天中心试车设施，从此，土星－5火箭的主要试车任务就从马歇尔航天飞行中心转移到斯坦尼斯航天中心。斯坦尼斯航天中心人烟稀少，周边还有507km2的噪音缓冲带，这为推进系统试验提供了有效的噪音缓冲和保护屏蔽。

3）水资源供给问题。在推进系统试验设施选址时还要考虑水资源供应问题。水是重型运载火箭推进系统试验所必需的资源，尤其是大型推进系统试车要消耗大量的冷却水。美国斯坦尼斯航天中心位于亚热带地区，雨量充沛，年均降水量超过1270mm。此处丰沛的水资源也是确保其历经半个多世纪的发展成为美国主要的推进系统试验设施的必要条件之一。该中心A－2工位试车时，火焰导流器冷却水流量为13.88m3/s。为保证试车用水需求，该中心从主河道取水，配套建设了容积2.5×105m3的蓄水池。