研制中的美國新一代重型運載火箭

2010年，奧巴馬政府以實現的目標與所需資源不匹配為由終止了小布什政府制訂的以載人探月為主的“星座”計劃，取消了為重返月球研制的“戰神”火箭計劃，并將重返月球調整為以探索月球、小行星和火星為主線的載人深空探測。2011年9月，美國航宇局（NASA）正式啟動了新一代重型運載火箭即“航天發射系統”（SLS）的研制，并將其作為戰略目標予與實施，以滿足未來載人深空探測的需要。

航天發射系統（SLS）的研制背景

“航天發射系統”計劃是在奧巴馬政府終止“戰神”一1和“戰神”一5重型運載火箭計劃后，為滿足未來載人探索月球、小行星、火星等任務而啟動的新一代重型運載火箭研制計劃，也是美國20世紀60年代“阿波羅”載人登月計劃研制發射“土星”一5重型火箭之后，NASA啟動的運載能力超過百噸的重型運載火箭計劃，其近期目標是在2017年12月實現低軌運載能力70噸的運載火箭的首次飛行，遠期目標是在2032年實現低軌運載能力130噸的運載火箭的首次飛行。與美國現役的“德爾他”-4、“宇宙神”一5等大型運載火箭相比，其低軌運載能力從20余噸提高到70噸～130噸。

“航天發射系統”由NASA馬歇爾航天飛行中心負責管理，主承包商為美國波音公司，普惠一洛克達因公司、阿聯特技術公司等多家企業參與研制工作。在2013年4月公布的預算中，NASA為該火箭計劃申請了13.85億美元經費。

基本方案

“航天發射系統”是捆綁兩臺助推器的兩級液氫/液氧運載火箭，采用了航天飛機衍生型方案，大量繼承了航天飛機和“土星”-5火箭的技術和部件，包括航天飛機外貯箱、航天飛機主發動機RS-25D、航天飛機固體捆綁助推器、“土星”-5火箭第二級發動機技術等。該火箭的研制采取了研制多種構型、分步提高運載能力的漸進式發展戰略，以及不斷增強部件的通用性、靈活性，不斷融合新技術成果的發展思路。

NASA為該火箭規劃了三種構型，分別為近地軌道運載能力70噸構型、105噸構型和130噸構型。70噸構型屬于載人型火箭，105噸和130噸構型分別包括載人和貨運兩種型號。首枚火箭將在2017年12月發射，此后構型將逐步優化，面向探測任務需要，運載能力逐步提高，承擔的發射任務也從月球任務逐步向小行星、火星任務過渡。至2032年，其低地軌道運載能力將達到130噸。

70噸構型重型火箭：70噸構型的火箭屬于載人運載火箭，總高97.84米。第一級是在航天飛機外貯箱基礎上研制的，直徑8.4米，采用4臺改進型航天飛機液氫/液氧主發動機RS-25D，總推力9200千牛；第二級是在“德爾它”-4運載火箭第二級基礎上研制的低溫推進級，直徑5.0米，總質量32噸，使用一臺RL-10液氫/液氧發動機，推力110千牛。兩側捆綁兩臺五段式航天飛機固體助推器，直徑為3.7米，總推力28028千牛；火箭頂部安放“獵戶座”飛船以及發射終止系統等。

105噸構型重型火箭：105噸構型包括載人和貨運兩種型號。貨運型總高95.71米，載人型比貨運型略高。兩種火箭的第一級相同，直徑8.4米，采用4臺RS-25E發動機提供動力，RS-25E是在RS-25D基礎上研制的一次性使用火箭發動機；第二級采用4臺RL-10A液氫/液氧發動機提供動力；捆綁助推器從70噸構型的固體助推器改為推力更大的液體“先進助推器”。貨運型將采用直徑8.4米的有效載荷整流罩，載人型則在頂部安放載人飛船等設備。

130噸構型重型火箭：在積累了70噸構型和105噸構型運載火箭的研制試驗和運行經驗的基礎上，研制“完全優化”的、低軌運載能力130噸的“航天發射系統”。130噸構型包括載人和貨運兩種型號，貨運型總高117.04米，載人型比貨運型略離。兩種火箭第一級直徑8.4米，使用5臺RS-25E發動機；第二級使用3臺J-2X發動機提供動力；兩側捆綁兩臺大推力液體助推器。貨運型采用更大直徑的有效載荷整流罩；載人型則在頂部安置載人飛船等設備。

飛行計劃

2017年～2023年：進行4次70噸構型運載火箭的發射。2017年12月將進行“航天發射系統”70噸構型的首次試驗飛行。2021年，70噸構型火箭進行第二次試驗飛行。按照NASA目前公布的計劃，2022年和2023年將進行70噸構型“航天發射系統”的第一次和第二次任務發射。

第一次試驗飛行為不載人飛行，任務周期為7天，火箭將從肯尼迪航天中心發射不載人的“獵戶座”試驗飛船，該飛船繞過月球后返回地球。此次試驗主要驗證火箭與“獵戶座”飛船的整體性能，以及飛船以11千米/秒的高速再入地球大氣層的性能。

第二次試驗飛行為載人飛行，任務周期為10～14天，火箭發射的“獵戶座”載人飛船到達月球空間后將環繞月球飛行，然后返回地球。此次試驗將進一步驗證火箭與飛船的載人性能。

2024年～2030年：NASA提出在本世紀20年代的大部分時間中，將采用105噸構型的運載火箭執行發射任務。按照NASA目前公開的計劃，2024年左右將采用105噸構型的火箭執行第三次任務飛行，這將是貨運型火箭的首次飛行。2025年和2026年先后采用105噸載人型和貨運型火箭執行第四次和第五次發射任務。此后至2030年，105噸構型載人和貨運火箭將每年交替發射一次。

2030年以后：2032年，低軌運載能力130噸的“航天發射系統”將進行首次發射。

研制進展

第一級主要研制進展：第一級采用航天飛機RS-25D液氫/液氧主發動機提供動力，該發動機采用分級燃燒方式，可以重復使用。201 2年NASA宣布將在研的第二級J-2X發動機的控制系統用于RS-25D，實現系統升級并降低控制系統成本。NASA馬歇爾航天飛行中心計劃用一年時間進行RS-25D新控制系統的設計和試驗，預計2014年在NASA斯坦尼斯航天中心對采用新控制系統的RS-25D發動機進行熱點火試驗。

NASA于2013年2月18日宣布，將第一級貯箱及殼體材料從含鋰的鋁-2195合金改為不含鋰的鋁-2219合金?！昂教彀l射系統”預先研究發展辦公室在2012財年開展了“殼體壓曲抑制因素”研究，通過該項研究，NASA認為鋁-2195合金的脆性使其作為重型火箭第一級材料受到限制。此外，第一級箱間段將采用一體化機械加工桁條結構，而不是航天飛機貯箱原來采用的鉚接板金屬桁條。這將使貯箱具備更高的氣動和彎曲過載承受能力。

第二級主要研制進展：第二級采用J-2X發動機提供動力。J-2X是“土星”-5火箭J-2發動機的改進型，由普·惠-洛克達因公司研制，采用液氫/液氧推進劑，燃氣發生器循環。J-2X發動機額定真空推力1309千牛，真空比沖448秒，燃燒室壓力9225.189千帕，混合比4.5～5.5，噴管面積比達到92：1。至2013年2月，NASA共建造了編號為10001和10002的兩臺J-2X驗證發動機。10001發動機在2011年6月完成了第一次熱點火試驗，至2013年初，10001發動機共完成了21次、累計2717秒的點火試驗。NASA從2013年2月開始進行10002發動機點火試驗，以進一步驗證發動機性能。

助推器主要研制進展：105噸構型和130噸構型的火箭采用新研的液體助推器以及液氧/煤油富氧分級燃燒發動機。至2013年2月，NASA已先后授予阿聯特技術公司、通用動力公司、諾格公司、航空噴氣發動機公司4份助推器研制合同。其中，航空噴氣發動機公司負責建造全尺寸247.5噸推力的液體火箭發動機主噴注器和推力室，并將開展一系列性能測試以及驗證大推力液體助推器的工作穩定性。

美國重型運載火箭的研制有三個值得關注的特點：一是充分繼承航天飛機、“土星”-5等已有運載工具的現有部件和技術；二是研制計劃采用漸進的發展方式，火箭構型和運載能力逐步優化和提高；三是充分進行現有部件的升級改進和地面試驗，保證分系統的可靠性和技術成熟度?；谝陨先齻€特點可以看出，美國重型運載火箭的發展思路是在充分繼承、漸進發展、充分試驗的基礎上實現運載火箭和載人航天的高可靠性、低成本發展。