美国SLS 重型火箭首次芯级点火试验简析

张绿云 曲晶（北京航天长征科技信息研究所）

2021 年1 月17 日，在成功完成模态试验等7 项试验准备工作的基础上，美国国家航空航天局（NASA）进行了“航天发射系统”（SLS）首次芯级点火试验，即4 台RS－25 发动机联合试车。作为近50 年来全球规模最大的火箭子级地面点火试验，虽然发动机仅点火工作了约1min，但验证了包括贮箱增压、推进剂加注以及推力达到设计最大值等在内的多项试验目标，为芯级性能分析及后续点火试验提供了数据支撑。

早在2020 年1 月，NASA 和波音公司（Boeing）通过“飞马座”（Pegasus）驳船将SLS 首飞箭芯级转移至斯坦尼斯航天中心（SSC），并将其安装在B－2 试验台上，开始进行芯级系列试验。受到新冠肺炎疫情、恶劣天气以及技术问题的影响，试验过程持续了近1 年的时间。

1 试验情况

本次试验情况

1 月17 日，美国在斯坦尼斯航天中心启动了SLS 芯级点火试验。T-0 前6s，1 号RS－25 发动机开始点火，之后是3 号、4 号和2 号RS－25 发动机分别以120ms 的时间间隔点火。按照计划，试验将持续约8min，进行3 次推力水平调整以及2 次时长30s 的发动机摆动。但是，在试验进行到约1min 时，4 台发动机关机，试验终止。

本次试验中，试验团队在发动机点火前10min启动了倒计时时序，主要事件如下：

1）T-4min：启动芯级辅助动力单元（CAPU）；

2）T-3min：启动发动机吹扫时序；

3）T-2min30s 启动预点火稳定时序；

4）T-1min30s：断掉B-2 试验台外部电源，启动芯级内部电源；

5）T-33s：启动自动发射时序（ALS）；

6）T-6s：发出发动机启动指令。

原因分析

1 月19 日，NASA 公布了本次试验情况的初步调查结论。在4 台RS－25 发动机点火运行67.2s 后，与编号为E2056 的2 号发动机辅助动力单元相关的液压系统超出了预先设定的试验极限值。随后，按照设定的流程，飞行计算机自动终止了试验。但这个终止流程只限地面点火试验，而对于实际飞行任务，如果出现同样的情况，SLS 火箭将通过其他辅助动力单元实现推力矢量控制系统的正常工作，确保火箭正常飞行。至于为什么要对地面点火试验进行这样保守的终止流程设计，是因为本次地面点火试验采用的是计划用于SLS 首飞任务的芯级飞行件，需要确保该硬件的绝对安全。对于后续试验，工程师对飞行计算机的控制逻辑参数进行了修订，避免因其过于保守而再次出现发动机提前关机现象。

另外，在发动机点火工作约1.5s 后，因电气线束故障，传感器显示一个主要组件故障（MCF），涉及到编号为E2060 的4 号发动机在T-0 之前损失了一个冗余支路。不过，因为发动机控制系统具备足够的冗余能力，能够确保发动机运行安全，试验团队并没有将这种情况作为一个影响试验继续进行的限制因素，试验正常进行。随后，工程师对电气线束进行了检查与修复。

而针对点火过程中发动机周围出现的“闪光”现象，工程师进行了目视检查和数据分析。检查发现，用于保护发动机的防热层上出现了一些外部焦化迹象，这应该是由于防热层靠近发动机和芯级辅助动力单元排气通道所致。而根据传感器数据，芯级发动机段的温度正常。依据这两点可以初步判断，防热层发挥了作用，对发动机起到了保护作用。

芯级试车前的准备工作

前期准备工作

为了确保4 台RS－25 发动机联合点火试车的成功，NASA 在此之前做了充分的准备工作，共计7项试验内容，包括芯级模态试验、电子系统试验、失效保护系统试验、主要推进系统组件试验、推力矢量控制系统及相关液压系统试验、倒计时演练以及推进剂加注试验，逐步验证芯级及其各分系统的性能，使其可满足阿尔忒弥斯－1（Artemis－1）及后续登月任务的能力需求。

2 SLS 火箭芯级

SLS 为美国新一代载人重型运载火箭，将用于执行包括火星登陆在内的载人航天深空探索任务。SLS火箭包括SLS－1 型（载人/载货）、SLS－1B 型（载人/ 载货）和SLS － 2 型（载人/ 载货）。SLS － 1 型采用通用芯级、五段式固体助推器和过渡型低温上面级（ICPS），可实现70t 近地轨道运载能力以及27t 深空运载能力。系统通过月球任务演示验证后，项目采用探索上面级（EUS）替换过渡型低温上面级，并采用改进型固体助推器以形成SLS－1B 型，近地轨道运载能力105t，而其深空运载能力将达到38t。SLS－2 型在SLS－1B 型的基础上使用先进液体助推器替代五段式固体助推器，实现130t 的近地轨道运载能力，并将其深空运载能力提高到46t。

作为SLS 火箭的一子级，芯级需要支撑上面级、飞船以及有效载荷的质量，并能够承受4 台RS－25氢氧发动机以及2 台五段式固体助推器的推力。

SLS 火箭构型图

在结构设计上，芯级高64.6m，直径8.4m，结构质量85.3t。主要由发动机段、氢箱、箱间段、氧箱和前裙组成，分为10 个主要圆柱形筒段、4 个圆底以及7 个连接环。其中，每一个筒段由8 个不同长度和高度的铝板制造而成；采用4 台RS－25 氢氧发动机，可加注200 万升液氢和74.2 万升液氧；安装3 台飞行计算机和箭上大部分电子设备，外部喷涂黄色热防护涂层；设计飞行时间约500s，飞行高度162km。

为了完成芯级的制造和组装，波音公司在米丘德装配厂（MAF）内建成了6 大新型焊接工装，包括垂直组装中心（高52m，宽23.8m）、垂直焊接中心（高51.8m，宽23.5m）、环形穹顶焊接工装、三角焊接工装、分段环状焊接工装和改进型机械焊接工装等，均采用搅拌摩擦焊技术，分别完成芯级贮箱及干结构组装、筒段焊接、圆底组装、三角组装、支撑环制造和圆底制造等工作。而对于搅拌摩擦焊带来的匙孔（直径约为25mm），通过塞焊予以消除或修复。之后，通过复核试验验证制造质量，包括氧箱的注水和流体静力试验，以及氢箱的充气试验，最后完成清洁、线路和管路铺设及防热层涂装。2018 年，随着芯级各组件生产制造工作的完成，SLS 火箭研制进入首飞箭芯级结构组装阶段。按照计划，芯级分两部分垂直组装，前裙、氧箱和箱间段组成前半部分，氢箱和发动机段组成后半部分，两部分调至水平再进行最后组装。因为发动机段、前裙和箱间段的组装工作复杂度高，包括4 台RS－25 发动机的精确安装、大量复杂电气设备与线缆的安装，以及各组件内外隔热涂层的喷装等。基于此，芯级组装工作进展比较缓慢，直到2019 年中仅完成了前半部分的组装，且发动机段的研制工作耗时超出了预期。在美国政府提出2024 年重返月球目标之后，为了确保进度，NASA和波音公司决定将芯级组装方式由“垂直+垂直+水平”改为“垂直+水平+水平”。在进行芯级前段与氢箱组装的同时开展发动机段的研制工作，进而在2019 年底完成了首枚芯级的组装。

SLS 芯级结构分解图（来源：NASA）

完成组装后的SLS 首飞箭芯级（来源：NASA）

此外，在芯级飞行箭设计与制造的同时，波音公司还制造了芯级主要结构的模拟件，并在马歇尔航天飞行中心（MSFC）建造了4 个专门的结构试验台，从2017 年开始进行氧箱、氢箱、发动机段和箱间段的系列结构试验。完成的199 次试验充分验证了芯级结构性能，也为结构优化设计提供了数据支撑。

3 B－2 试验台

本次点火试验在斯坦尼斯航天中心的B－2 试验台上进行。B－2 试验台建设于“阿波罗”（Apollo）时代，最初用于开展“土星”（Saturn）火箭子级试验，之后相继用于支持航天飞机主推进系统和德尔他－4（Delta－4）火箭RS－68 推进系统的试验。

为了满足SLS 芯级试验要求，NASA 对该试验台的每一个关键系统都进行了升级改进，包括：①对试验台主结构进行了重新配置，航天飞机时期，整个结构高18.6m，钢质量54.5 万磅（约247207.8kg）；改进后的主结构长6.1m，钢质量99.9 万磅（约453138.8kg），高度延长至30.5m；②采用钢结构，将平台高度由原来的88m 增加至107m；③将平台上主要起重设施的动臂延长15m，吊重增加至195t；④对现有高压气体设施设备进行了升级改进，安装了新型卡车卸载装置、大容量存储装置、自动输入系统以及6 个喷雾器等新设施，使其除了具有提供氦气、氢气和高压空气的能力之外，还可以提供氮气，以满足SLS 芯级试车的需求。其中，氮气将通过2.4km 长的管道和5 个加热器（热容量为880kW）从高压气体设施转入B－2 试验台。之后，通过管道流入前裙、贮箱、发动机段，用于防止相关组件在试车过程中受到低温推进剂的影响；⑤在导流板上设置了32500 个直径约4mm 的小孔，可在1min 内导出240000 加仑（约90.85 万升）的水，用于试验过程中的发动机冷却；设置了92 个喷水嘴，1min 内可产生92000 加仑（约34.83 万升）的水，用于在试验过程中为芯级提供声振抑制保护；在试验台周围设置100 多个喷水嘴，对芯级和平台进行保护。

安装了芯级的B－2 试验台（来源：NASA）

2018 年12 月，NASA 在斯坦尼斯航天中心完成了B－2 试验台推进剂冷流试验和一次高压气体设施负荷（低温液氮转换成氮气）试验，标志着B－2试验台SLS 芯级发动机联试准备工作已经基本完成。在此之后，还完成了最终的水流检测和特殊试验设施的安装等工作。在芯级结构件到达之后，技术人员还通过“探路者”（Pathfinder）芯级模拟件开展了芯级操作和安装适配试验，验证了试验设施的性能。

4 结语

本次试验是美国NASA 也是全世界近50 年来进行的规模最大的一次火箭子级地面点火试验。在试验中，虽然未能进行时长8min 的点火试验，验证设定的23 项目标，以全面评估芯级性能，但是4 台发动机在1min 的时间内都按照预期运行，试验团队实现了多个试验目标：成功进入由芯级飞行计算机及软件控制的自动发射时序；完成了发射倒计时时序；实现了贮箱增压和推进剂加注，验证了主要推进系统的性能；首次实现了4 台发动机点火工作，且推力达到航天飞机主发动机设计推力的109%；推力矢量控制系统成功运行。

为了全面验证芯级的设计性能，降低SLS 首飞及后续“阿尔忒弥斯”任务的风险，NASA 和波音公司决定进行第二次芯级点火试验，计划在2021 年2 月底完成。因为首次点火试验已经实现了多项关键目标，且导致试验提前终止的原因在于飞行计算机控制逻辑参数设计过于保守，未能充分发挥系统的冗余能力，而非芯级与发动机硬件问题。因此，试验团队应该能够在本次试验中获得发动机更长点火时长的试验数据。不过，因为芯级点火试验延长了1 个月，这或许会使原计划在2021 年11 月进行的SLS 首飞任务进一步推迟至2022 年。