美国宇航局的太空发射系统面临生存挑战

美国宇航局的太空发射系统(SLS)似乎拥有有限的生命周期。总统唐纳德·特朗普希望在仅完成三次发射后取消此项目,而正在国会审议的法案初步文本则建议将其延长至五次发射。

然而,SLS火箭成功进行九次飞行的可能性不大,即便成功,也不太可能在2040年之前实现。SLS火箭是美国宇航局在阿尔忒弥斯计划下重返月球的核心组成部分,但是白宫希望取消该项目,以取而代之的是更具成本效益的商业替代方案。

上周四,美国宇航局再次进行了一项新推进硬件的测试,正是该机构为维持SLS的运作所需的硬件。上周五,一台新的液体燃料RS-25发动机在美国宇航局的斯滕尼斯航天中心点火测试。这台氢燃料发动机是自航天飞机项目结束以来制造的首款此类发动机。这台RS-25发动机将用于SLS火箭的第五次飞行,即阿尔忒弥斯V号任务。

随后在本周四,美国宇航局与诺斯罗普·格鲁曼公司在犹他州进行了新的固体火箭助推器的试火。这款助推器具有新的设计,NASA计划在从第九次任务(即阿尔忒弥斯IX号)开始使用。周四测试的发动机并不具备飞行资格,而是一个测试单元,用于收集火箭性能的数据。

虽然在密西西比州的发动机测试似乎按照计划进行,但位于犹他州的固体火箭助推器的地面燃烧测试进展却并不顺利。在燃烧不到两分钟时,发动机的排气喷嘴猛然破裂,碎片四散飞舞。

在不到15年前的项目启动之初,NASA及其国会支持者曾表示SLS火箭将是一个深空探索新时代的强大引擎。他们宣称,SLS将利用回收旧的航天飞机发动机和助推器,从而快速且低成本地将新火箭送上发射平台。

但事实并非如此。每次阿尔忒弥斯任务的费用高达42亿美元,即使是使用航天飞机时代的发动机和助推器,NASA及其承包商已经拥有的库存也未能降低成本。NASA剩余的16台航天飞机主发动机足以支持前四次SLS发射,而剩余的助推器零件则足够制造八对固体火箭助推器。

随着航天飞机时代的零件最终耗尽,NASA于2015年与Aerojet Rocketdyne签署了一项合同,开始生产新的RS-25发动机。NASA最初从Aerojet订购了六台RS-25发动机,随后在2020年又增加了18台,单台价格约为1亿美元。NASA和其承包商的目标是将成本降低至7000万美元,但即便这个数字也比竞争对手如蓝色起源公司的BE-4和SpaceX的猛禽发动机成本高出很多倍。

上周五,NASA终于在斯滕尼斯航天中心首次测试了一台新飞行认证的RS-25发动机。尽管NASA通常会将其发动机测试的直播视频公开,但这次并未提供公开直播。而这一测试具有重要意义,2023年收购Aerojet Rocketdyne的L3Harris终于在十年后重启了RS-25的生产线,投资了数十亿资金。

事实上,NASA直到周一才对此RS-25测试做出公开声明,且未提及该发动机将用于阿尔忒弥斯V号任务。如果特朗普总统如愿以偿,该发动机将永远不会飞行。也许这没什么问题,但考虑到如此之多纳税人的投资,这次里程碑式的成就值得被公众宣传,甚至庆祝。

L3Harris于周二发布的新闻稿确认了该发动机计划用于第五次SLS飞行。该发动机完成了一个500秒的验收测试,推力达到额定推力的111%,显示出比航天飞机或2022年首次SLS发射所使用的发动机更强大的功率。

“这一成功的验收测试表明,我们已经能够复制RS-25的性能和可靠性,并在此基础上结合现代制造技术和更新的部件,例如主燃烧室、喷嘴和脉动积累器组件,” Aerojet Rocketdyne的航天推进和动力系统总裁Kristin Houston表示。“我们的推进技术对确保美国在月球探索中处于领先地位至关重要,同时创建一个可持续的月球存在,并不将这一战略前沿拱手让给其他国家。”

上周五的发动机测试恰逢6月24日航天飞机主发动机在斯滕尼斯首次测试的50周年纪念日。该发动机的序列号为0001,而新RS-25发动机的编号为20001。

随后,NASA在阿尔忒弥斯IX号任务的提升日期前对固体燃料助推器进行了试燃。该助推器在诺斯罗普·格鲁曼公司的火箭测试基地进行测试,持续燃烧了1分钟40秒。该助推器生成了390万磅的推力,超过了分配给前八次SLS任务的助推器的功率。

与在斯滕尼斯进行的RS-25测试不同,NASA选择对助推器测试进行直播。起初一切似乎进展顺利,然而在燃烧1分40秒时,燃烧产生的炽热气流似乎烧穿了助推器结构的一部分,随后喷嘴毁坏,导致火灾。

固体火箭助推器一旦点火便无法关闭,因此无论好坏,助推器继续燃烧,直到燃料耗尽约30秒。所引发的火焰在测试场附近的山丘上引起了火灾。

这是推进老化与寿命延长(BOLE)项目的首次试火,该项目旨在为SLS任务开发更高性能的固体火箭助推器。NASA于2021年与诺斯罗普·格鲁曼签署了一项32亿美元的合同,产生基于现有航天飞机部件的助推器供五次SLS任务(阿尔忒弥斯IV-VIII)使用,并为阿尔忒弥斯IX号开发、设计和测试新助推器设计。

这些助推器提供超过75%的推进力,以支持SLS火箭与NASA的人类宇航员猎户座飞船一起发射。四台RS-25发动机为核心阶段提供动力,总计产生超过200万磅的推力。

诺斯罗普·格鲁曼称,这款新助推器“是人类航天飞行中制造的最大、最强大的分段固体火箭发动机”。

BOLE助推器设计的一个重要变化是,用碳纤维复合材料替代航天飞机时代的钢制外壳。诺斯罗普表示,新外壳更轻且更强。同时,这款助推器还用电子系统替代了助推器的液压推力矢量控制系统。此外,装入助推器内的推进剂配方也发生了变化,使用的是诺斯罗普在其商业火箭引擎中所使用的配方,而不再是航天飞机的配方。

过去几年,诺斯罗普在火箭喷嘴方面遇到了困难。2019年,诺斯罗普为了其目前已取消的Omega火箭进行的测试中,喷嘴在测试中损毁。随后,在去年,一款较小的诺斯罗普制造的助推器在联合发射联盟的Vulcan火箭上飞行时也发生了喷嘴丢失的情况。尽管如此,Vulcan的引导系统和主发动机仍然根据这个问题进行了修正,并成功达到预定轨道。

图片源于:arstechnica