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最强运载火箭助推器点火试验成功,它是如何做到堆料和性能兼顾的?

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 CHEN • 2020-09-06 14:00:05 来源:前瞻网 E2945G0

封面

当地时间9月2日,美国宇航局(NASA)在犹他州普罗蒙特里(Promontory)完成了美国太空发射系统(Space Launch System, SLS)的首次全尺寸助推器试验。

这次的测试叫做飞行助推器(Flight Support Booster-1, FSB-1)测试,其中使用的飞行支持助推器的尺寸和功率与用于NASA的登月任务的五段式固体火箭助推器相同。

固体火箭助推器是为航天飞机在发射升空前两分钟左右提供推力的一对固体火箭助推器,安装在太空梭外储箱两侧。

根据NASA公布的数据,此次的点火试验共持续了126秒,这一时间与发射和飞行过程中助推器为SLS提供动力的时间一致。实验中共产生了300万磅推力,要知道,目前世界上推力最大的商用喷气发动机(GE9X)的推力才13万多磅。

这次试验的成功意义重大,NASA和SLS助推器的主要承包商诺斯罗普·格鲁曼公司(Northrop-Grumman)将利用测试中的数据,评估发动机的性能,这些材料和工艺可能会被纳入未来的助推器中。SLS正式发射又近了一步,美国重返月球甚至载人登陆火星指日可待。

SLS,中文称作太空发射系统,或空间发射系统。是一种从航天飞机演变而来的运载火箭,由美国国家航空航天局设计,计划用于重返月球登陆和火星登陆任务。

此前,美国的空间发射任务多由航天飞机(Space Transportation System, STS)承担,这是一种载人往返于近地轨道和地面间的有人驾驶、可重复使用的运载工具。2011年7月21日,随着亚特兰蒂斯号完成最后一次航天飞机任务,降落在佛罗里达州,航天飞机时代正式终结。

NASA很早就想好了对策,在2005年实施了星座计划,开发新一代载人航天系统。

然而,2008年爆发的金融危机严重地打击了美国经济,航天事业本就烧钱,政府无力承担。2010年初,白宫宣布由于2011年度的财政预算限制,星座计划取消。

正是在这种背景下,NASA提出了SLS。

SLS虽然称作系统,但其实是一款模块化、系列化且不可重复利用的超重型运载火箭,设计灵活、可塑性强,载荷和容量均强于现有的所有运载器。

从外观看,SLS与当下主流的运载火箭外观并无差异,包含两个部分:两个固体火箭助推器和中间的火箭主体。

SLS分为载人和货运两种用途,既可用于发射载人飞行器,也可以向国际空间站运送物资和实验设备。目前共有5个型号:SLS BLOCK 1、SLS BLOCK 1b载人 、SLS BLOCK 1b货运 、SLS BLOCK 2b载人和SLS BLOCK 2b货运。

SLS

图1 SLS型号

由于地球引力的存在,向太空发射的设备的质量受到了限制,像空间站这种质量极大的空间设备只能分批发射,并在太空完成组装。要想将质量较大的设备送入太空,那么提高运载火箭的载荷就特别重要。

目前现役运载能力最强的火箭是Space X的重型猎鹰火箭,达到了63.8吨。而根据NASA提供的数据,SLS载人版的近地轨道有效载荷(将航天器发射到近地轨道的最大载重量)为70吨,货运版更是达到了130吨!

NASA对SLS的期望极大,称其“将是我们制造过的最强大的火箭”。美国计划在2024年再次实现载人登月,所用的火箭就是SLS,载人飞船则是猎户座号。

在目前NASA公布的几款型号中,SLS block 2的月球轨道载荷(将航天器发射到月球轨道的最大载重量)已超过45吨,已经超越了曾实现载人登月的土星五号重型火箭的载荷。

要知道,月球轨道比空间站所在低地轨道远近1000倍。为了脱离低地轨道,SLS运载猎户座的速度至少需要达到39429km/h的速度,这大约比空间站绕地球运行的速度快1126km/h。

更为重要的是,SLS用于载人和货运的火箭自重分别达到了2497吨和2951吨,那么SLS如此强大的推力和载荷是怎么实现的呢?

固体火箭助推器,加减法都要做

上面说道,SLS的固体火箭助推器共有两个,分在左右两侧(如图1所示)。

重型运载火箭的助推器数量不是固定的,一般可以根据发射任务需要进行调整,不过在设计时,很多重型运载火箭会预留多助推器的位置。比如上面提到的德尔塔4系列,液体助推器可以捆绑0或2个,固体助推器可以捆绑0或2或4个,总共5种构型。

助推器的作用在于帮助主体部分脱离地球引力,SLS助推器的总飞行时间约两分多钟,完成使命后,该部分将自动与主体分离。一般的助推器都会安装降落伞,在下降到一定高度后就自动打开,便于回收。常规的助推器结构如下图:

结构

图2 常规助推器结构

考虑到体积和重量巨大,NASA在设计时做了加法,不过,NASA并没有增加外部挂载的助推器数量,而是从其内部下手。

SLS助推器是在航天飞机助推器的基础上改良而来的,相比于后者的前/前中/后中/尾部4个发动机段,NASA又在中间位置新增了中部段,使得总数量达到了5个。

由此,SLS助推器的质量和高度都有所增加,分别达到了720多吨和约54米,相比之下,2011年退役的哥伦比亚号航天飞机的助推器质量个高度则只有约566吨和45.5米。

发动机的增加也带来了更高的能耗和更强的推力,NASA表示其每秒消耗的推进剂大约6吨,按照126秒的飞行时间计算,所需的总燃料至少需要756吨。不过不用担心,NASA对其做了改进,使携带的推进剂总量增加了25%。

如此强大的助推器产生的推力超过了14架四引擎大型商用客机的总和,也承担了发射时75%的推力需求,堪称有史以来最大、最强的助推器。

在一些细节之处,NASA也做了减法,减少了冗余设计,提高了安全性和可靠性,比如NASA用超声波技术取代 X 射线和其他检验工具等,减少了工时,降低了成本。

最强发动机:内在更重要

发动机算得上是整个系统中最重要的部分,没有合格的发动机,SLS就无法产生如此巨大的推力。

SLS的发动机分为芯级发动机和上面级发动机,SLS的芯级如下图所示:

1

图3 SLS示意图

SLS的芯级发动机是RS-25氢氧发动机,其使命在于,当两侧的助推器分离后,继续将发射物送往深空。

氢氧发动机代表了世界火箭发动机技术发展的趋势,是运载火箭最为关键的分系统之一。

这种发动机的燃料是液氢、液氧。氢氧的热值很高,氢的分子量很小,所以氢氧的比冲在现役火箭发动机里面是最高的。比冲越高,相同速度变化量需要携带的燃料更少,火箭自身的重量也就会更轻。

再者,氢气的产物只有废热,水和电,电可以供给航天器使用,水也可以用于支持载人设备的生命维持系统。这些产物相对“干净”,不会发生燃烧不充分的固体小颗粒堵塞发动机管线的情况。

出于成本和研制速度考虑,NASA并没有为SLS研制新的发动机,SLS芯级所使用的是RS-25发动机,由美国洛克达因(Aerojet Rocketdyne)公司研制。

上个世纪70年代,为了适应航天飞机的动力需要,洛克达因研制了RS-25D。2011年航天飞机退役后,留下了16台该型号的库存。本着节约的原则,NASA将其改装为一次性使用的RS-25E,这一型号仅在用于SLS时,被称作RS-25。

虽然年代久远,但它仍是综合性能最好的氢氧发动机之一,其质量只有约3.5吨,地面推力189.6吨、真空推力232.4吨,是现役比冲最高的大推力发动机。有了如此强大的发动机,动力自然不成问题。

更为重要的是,SLS芯级部分同时采用了4个RS-25发动机,动能更为强大。生产商洛克达因目前也重启了该产品线,由于采用了新的技术和设施,不仅能降低成本,其性能应该也有所提升。SLS的动力更足了!

上面级则指多级火箭的第一级以上的部分,通常为第二级或第三级。上面级的作用介于运载火箭和航天器之间,既有自主轨道机动能力,在轨飞行时间又长,它一般可多次启动点火,满足不同的发射任务需求,可以将一个或多个物体送入指定轨道,被形象的称为“太空巴士”或“太空摆渡车”。

SLS上面级使用了德尔塔-4重型运载火箭上面级的氢氧发动机RL10B-2及土星5号上面级J-2的改进型J-2X发动机。

德尔塔-4是现役载荷量第二大的火箭,仅次于Space X的猎鹰重型火箭。土星5号首飞于1967年,其月球轨道运载能力45吨,近地轨道运载能力118吨,正是它将阿波罗飞船送上了月球,也将“天空实验室”空间站送入了太空。

RL10是世界上第一台液氢液氧发动机,目前的型号已经扩展到10种,发展相当成熟,可靠性和安全性极高。

J-2X发动机作为J-2的升级版,其真空推力达到了113吨,居上面级发动机之首,这对于SLS离开大气层后的飞行尤其有利。

从上面的分析可以看出,SLS选用的发动机基本继承了最强前辈的衣钵,其性能因此得到了很好的保证。

参考资料:

https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/0080_sls_fact_sheet_10092018.pdf

https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/fs/solid-rocket-booster.html

丁新玲,郭博闻.美国重型“太空发射系统”结构及制造技术, 2017

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