宇宙神-5 N22火箭首飞任务

陈允宗（北京航天长征科技信息研究所）

美国国家航空航天局（NASA）为重新具备近地轨道和“国际空间站”载人往返运输能力，自2010起与美国多家航天公司合作开展“商业乘员计划”（CCP），研制载人航天运输系统。作为NASA“商业乘员计划”的组成部分，波音公司（Boeing）与NASA签订了价值近50亿美元的协议，用于CST-100“星际客船”（Starliner）的研制与试验。CST-100“星际客船”由乘员舱和服务舱组成，其乘员舱设计可重复使用10次。为发射CST-100“星际客船”，美国联合发射联盟公司（ULA）专门研制了宇宙神-5 N22（Atlas-5 N22）火箭，其中“N”代表“无整流罩”，第一个“2”代表一子级捆绑的2个固体火箭助推器，第二个“2”代表“半人马座”（Centaur）上面级采用2台发动机。

美国东部时间2019年12月20日清晨，宇宙神-5 N22火箭从卡纳维拉尔角空军基地起飞，执行首次轨道飞行试验（OFT-1）任务，成功将CST-100“星际客船”送入预定轨道。然而，CST-100“星际客船”在箭船分离后因飞船内部的任务时钟错误偏离轨道，无法与空间站交会。其乘员舱在美国东部时间22日07:58:02着陆白沙导弹靶场。CST-100“星际客船”原定8天的首次轨道飞行试验被迫缩短到2天。

1 任务情况

发射情况

宇宙神-5 N22火箭在卡纳维拉尔角空军基地使用第41号航天发射综合设施（SLC-41）执行本次任务，采用“简洁发射工位”（clean pad）操作方案，即火箭在垂直总装设施（VIF）起竖火箭一子级，捆绑助推器，组装上面级和飞船，在发射前用活动发射平台将箭船组合体运往相距548m的发射工位。这种操作方式与航天飞机在肯尼迪航天中心的操作类似。发射工位上只进行低温推进剂的加注和最终检查，可在1天内完成发射。

从2019年11月4日开始，ULA公司在垂直总装设施内组装火箭，先在活动发射平台上起竖火箭一子级，然后安装2个固体助推器，随后吊装“半人马座”上面级，之后对火箭进行系列发射前检查；11月19日，ULA公司、波音公司和NASA进行任务演练，模拟倒计时程序；11月21日，飞船吊装到火箭上。

发射倒计时操作

12月18日，宇宙神-5 N22火箭转运到卡纳维拉尔角空军基地第41号航天发射综合设施。19日19:16，火箭发射倒计时启动，开始加注液氢和液氧（火箭一子级此前已完成煤油燃料加注）。在发射前几分钟，火箭再次接受检查，确认所有系统运行正常后，T-4min内置暂停解除，倒计时继续。

起飞前3s，一子级发动机RD-180点火并将推力调节到390t，然后2个固体助推器点火；美国东部标准时间06:36:43，火箭从发射工位起飞。

为与空间站轨道匹配，火箭朝东北转向。在起飞后66s，火箭超越音速。由航空喷气发动机-洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）研制的2个固体助推器点火工作90多秒，为火箭初始爬升段提供额外的推力。2个固体火箭助推器壳体在T+2min22s分离，落入大西洋。

火箭因液体推进剂消耗而变得更轻。此时，RD-180发动机按制导计算机指令节流，确保飞船的过载限制在3.5G左右。在T+4min29s，火箭一子级发动机关闭，6s后与二子级分离。在T+4min41s，CST-100“星际客船”前部对接机构的上升段保护罩分成两部分抛离；在T+4min45s，“半人马座”上面级的2台RL10A-4-2发动机点火，产生总计20t推力。

在本次无人试飞中，飞船的发射中止发动机不工作。紧急监测系统（EDS）设置了中止“触发”功能。紧急监测系统在发射期间监视关键参数，可在发生危险时发出中止命令，将飞船推离火箭。

T+5min5s，即“半人马座”上面级点火工作初期，飞船底部的气动裙段被释放并坠落。ULA公司和波音公司在2016年研制设计了气动裙段，以解决在风洞试验期间发现的气动力学问题。该结构长1.8m，安装在“半人马座”的顶部，在发射过程中它紧靠CST-100“星际客船”底部。

“半人马座”上面级RL10A-4-2发动机点火工作7min多，将CST-100“星际客船”加速到临近进入地球稳定轨道所需的速度。本次任务采用了乘员友好的浅轨迹，星箭在远地点181km、近地点72km、倾角51.6°的亚轨道分离。分离轨道近地点仍处于地球大气层内。这意味着CST-100“星际客船”此时无需额外机动就可再入大气层并返回地球。

火箭发射飞行任务图

飞船的在轨操作与着陆

箭船分离后，CST-100“星际客船”因机载系统误读导致其计时系统故障，未能在正确的时刻启动发动机，偏离了航向。美国东部标准时间20日07:40，飞船被探测到处于稳定轨道。后来证实，飞船当时处于187km×222km的轨道上。NASA和波音公司曾试图发送命令使飞船重回正轨，但因飞船当时所在位置是2颗“跟踪与数据中继卫星”（TDRS）切换通信信号的地方，而未能阻止飞船进行错误机动。20日08:55，任务控制人员发现飞船消耗了过多的燃料，无法到达“国际空间站”。20日09:00，NASA举行新闻发布会称该问题不是由运载火箭引起的，而是飞船的任务时钟错误造成的。飞船如果有机组人员，则可避免该错误。NASA在后续的新闻发布会上称：任务时钟差了11h。NASA和波音公司重新制定飞行计划，将试验任务从8天减少到2天。

22日，飞船执行离轨操作并进入地球大气层，随后成功展开降落伞。22日07:58:02，乘员舱利用安全气囊成功降落在白沙导弹靶场。

任务有效载荷

本次试验为CST-100“星际客船”的首次无人试飞，配备了穿着波音公司定制飞行服的仿人测试装置（ATD）。该装置被命名为“罗西”（Rosie）。乘员舱配重与载人任务相同，携带了约270kg物资和设备，包括史努比毛绒玩具和送给61号远征队航天员的节日礼物。由于无法与“国际空间站”对接，这些货物未能送达。

宇宙神-5 N22火箭组成

2 宇宙神-5 N22火箭

宇宙神-5 N22火箭为二级结构，安装CST-100“星际客船”后全长约52m。火箭一子级采用俄罗斯进口RD-180液氧/煤油发动机提供推力，外部捆绑2枚AJ-60A固体助推器；火箭二子级采用2台RL10A-4-2氢/氧发动机，故被称作“双发动机型‘半人马座’上面级”。

一子级

火箭一子级为通用助推器芯级（CBC），高32m，直径3.8m，加注液氧/煤油，采用RD-180发动机。RD-180发动机采用双推力室，推力390t，可连续节流，具备控制气门致动和推力矢量平衡架的液压系统。芯级贮箱采用铝合金网格壁板、旋压成型铝合金箱底以及箱间裙段。

固体火箭助推器

火箭一子级外捆绑2枚AJ-60A固体火箭助推器，以获得足够的推力。AJ-60A由航空喷气发动机-洛克达因公司研制，直径1.58m、高20m、推力约为172t，采用环氧石墨复合材料壳体。固体助推器通过推力器实现分离。

400系列级间适配器

火箭利用400系列级间适配器实现一子级和二子级的连接，并为二子级发动机和一子级贮箱顶部之间留出安全的空间。

双发动机型“半人马座”上面级

双发动机型“半人马座”上面级直径3.1m、高12.7m，推进剂为液氢/液氧，贮箱采用内压稳定设计，材料为抗腐蚀不锈钢。宇宙神-5系列火箭在宇宙神-5 N22火箭之前的型号都在“半人马座”上面级上采用单台RL10C-1发动机，其推力为10t。为执行CST-100“星际客船”发射任务，宇宙神-5 N22火箭在“半人马座”上面级上采用了2台RL10A-4-2发动机，总推力为20t。双发动机“半人马座”上面级的低温贮箱采用氦吹扫隔热毯、防辐射屏和闭孔发泡材料实现隔热。

CST-100“星际客船”发射任务采用双发动机“半人马座”上面级的主要目的是改善上升段轨迹。ULA公司负责CST-100“星际客船”计划的任务经理卡莱布·韦斯说：“上面级采用2台发动机可获得额外的推力，实现较浅的轨迹。如果我们不得不中止载人任务时，这种较浅轨迹将更加安全。我们在轨道设计时，可以利用额外的推力来提升乘员安全。”

“半人马座”上面级自1962年投入使用，共完成255次发射任务，其中168次任务是采用双发动机。早期“宇宙神”火箭家族曾采用双发动机型“半人马座”上面级执行过100多次发射任务，上一次是宇宙神-2AS火箭在2001年8月31日采用双发动机型“半人马座”上面级执行类星体-15（SDS-15）发射任务。

紧急监测系统

紧急监测系统的功能是监测火箭，探查威胁乘员安全的故障情况，提前向乘员发送信号，确保乘员能够及时中止任务逃逸。乘员还能利用该系统的界面在飞船内启动任务中止程序。为创造安全的中止环境，紧急监测系统还可关闭上面级发动机或芯级发动机。如果地面或执行飞行任务的乘员认为条件允许，可以命令紧急监测系统不执行中止操作。因宇宙神-5 N22火箭为一次性使用火箭，紧急监测系统只监测危害乘员安全的事件。

运载火箭适配器和气动裙段

运载火箭适配器（LVA）为CST-100“星际客船”与火箭提供结构连接。运载火箭适配器使用桁架结构和金属环将飞船连接到“半人马座”上面级上。

气动裙段为金属网格结构，长1.8m，可延长CST-100“星际客船”的气动力学表面，改善火箭气动力学特性、稳定性和载荷情况，火箭一子级分离后，气动裙段与飞船分离。如果出现紧急情况，气动裙段可为发射中止发动机羽流提供排放通道，帮助CST-100“星际客船”乘员舱和服务舱与火箭分离。

3 发射综合设施的相关改造工作

对载人航天任务而言，乘员进出塔与应急逃生通道是发射场改造工作的重点。为发射波音公司CST-100“星际客船”，将航天员运送到“国际空间站”， ULA公司改造了卡纳维拉尔角空军基地第41号航天发射综合设施，专门新建了乘员进出塔和滑索应急逃生系统等。

新建乘员进出塔

乘员进出塔在发射工位附近分段建造，然后搭建在一起，形成了近60.9m高的结构。乘员进出摆臂连接在乘员进出塔的12层，在发射工位甲板上方约52.4m处。该摆臂质量约40.8t，长度将近15.2m，配备了电子、数据、照明和流体等系统。为给航天员在登上飞船之前提供一个准备过渡的空间，对航天服进行了最后的调整，ULA公司修建了一个名为“白屋”的洁净间，此处可防止污染物进入飞船和航天服内。未来，航天员可利用乘员进出摆经过“白屋”进入宇宙神-5火箭上方的CST-100“星际客船”内。

滑索应急逃生系统

在乘员进出塔的12层还设有“滑索应急逃生系统”。“滑索应急逃生系统”具备4个独立的滑索，其上各配置了5个座位。当出现危险情况时，“滑索应急逃生系统”可供包括航天员和地面支持人员在内的20名人员从塔中迅速逃脱。借助该系统，航天员和地面人员可以撤离到距发射工位408m以外的地方着陆。该系统在设计时还考虑到航天员厚重的航天服问题，经过特殊设计的逃生座椅可供航天员方便进出，同时附有易于操作的手柄，可控制向下滑动的速度。

4 小结

“宇宙神”火箭家族已有40多年的历史，宇宙神-5系列火箭为美国现役主力运载火箭。该系列火箭具有优良的发射记录，自2002年8月21日首飞以来，已完成了83次发射任务，除1次部分成功外，其余全部成功。

为满足NASA“商业乘员计划”对于载人火箭安全性能的要求，ULA公司在以往技术基础上，通过增强火箭性能、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。虽然CST-100“星际客船”首次轨道飞行试验因飞船原因未能实现与“国际空间站”成功对接的试验目标，但宇宙神-5 N22火箭成功实现首飞，火箭与CST-100“星际客船”的集成、发射和飞行操作均得到验证。

继CST-100“星际客船”2019年12月22日着陆白沙导弹靶场后，NASA和波音公司开展了长达4个多月的调查。2020年4月6日，波音公司宣布将调整计划，增加CST-100“星际客船”第2次轨道飞行试验。ULA公司表示将为波音公司CST-100“星际客船”第2次轨道飞行试验提供支持。

ULA公司曾在2019年6月将1枚宇宙神-5 N22火箭的硬件部段运抵卡纳维拉尔角，原计划用于CST-100“星际客船”的首次载人飞行试验（CFT-1）。因计划调整，ULA公司打算用这枚火箭执行CST-100“星际客船”第2次轨道飞行试验任务。ULA公司在声明中称：火箭硬件已在卡纳维拉尔角准备就绪，只待波音公司、NASA、ULA公司商定发射日期。