丁新玲 郭博聞

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美國重型“太空發(fā)射系統(tǒng)”結(jié)構(gòu)及制造技術(shù)

丁新玲 郭博聞

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

介紹了太空發(fā)射系統(tǒng)（SLS）三種構(gòu)型的組成結(jié)構(gòu)，以及各部分采用的成熟技術(shù)和改進(jìn)特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了芯級(jí)貯箱和助推器殼體的制造技術(shù)，包括貯箱壁板的網(wǎng)格加工與檢測(cè)、壁板的滾彎、貯箱的連接與裝配，以及助推器五段式殼體的制造過程等，最后對(duì)中美重型運(yùn)載器的研制特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比。

SLS；網(wǎng)格加工；壓彎；焊接；貯箱

1 引言

隨著航天飛機(jī)退役、星座計(jì)劃“戰(zhàn)神”運(yùn)載器下馬，美國載人航天只能依賴外界滿足往返空間站的需求，長(zhǎng)期如此將無法維持其太空霸主地位。因此，美國急需研制一種新型運(yùn)載工具改變這種狀態(tài)，2011年美國宇航局（NASA）推出了新型重型運(yùn)載器“太空發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）”。SLS設(shè)計(jì)靈活并可持續(xù)發(fā)展，可提供比現(xiàn)有運(yùn)載器更多載荷、更大容量的能力，包括去火星、土星和木星等新領(lǐng)地進(jìn)行科學(xué)探索任務(wù)。SLS的研制成功，將開辟人類探索地球軌道之外的新時(shí)代，它將成為世界上最強(qiáng)大、最先進(jìn)的重型運(yùn)載火箭。SLS目前還處于研制階段，首次發(fā)射預(yù)計(jì)在2018年。

2 太空發(fā)射系統(tǒng)構(gòu)型

太空發(fā)射系統(tǒng)是一款模塊化、系列化的重型運(yùn)載火箭，通過多種構(gòu)型達(dá)到分階段提高運(yùn)載能力的漸進(jìn)式發(fā)展模式。按計(jì)劃到2032年SLS才會(huì)達(dá)到最大載荷，即低軌運(yùn)載能力143t，從而超過土星5的119t。SLS的研制技術(shù)大部分繼承于航天飛機(jī)、土星5和德爾它4火箭，因此，成本大大降低，而且研制進(jìn)度也非?？?，從2011年立項(xiàng)到2018年發(fā)射，僅用7a的時(shí)間。

2.1 SLS的三個(gè)型號(hào)

SLS火箭分為載人和貨運(yùn)兩種用途，既可用于發(fā)射載人飛行器和大型有效載荷，也可作為國際空間站商業(yè)乘員運(yùn)輸系統(tǒng)的備份運(yùn)輸工具。SLS有三種基本構(gòu)型：SLS Block 1、SLS Block 1B和SLS Block 2，如圖1所示,可滿足多種載人和載物任務(wù)需求。三種構(gòu)型的第一級(jí)直徑均為8.4m，使用相同的芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)（4臺(tái)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)），采用捆綁兩個(gè)助推器的結(jié)構(gòu)。Block 1和Block 1B采用可重復(fù)使用的五段式鋼制殼體固體助推器（RSRM-V），Block 2將采加先進(jìn)的固體或液體燃料的助推器。Block 1沒有上面級(jí)，Block 1B和Block 2為二級(jí)半運(yùn)載火箭。Block 1和Block 2性能對(duì)比見表1。

圖1 太空發(fā)射系統(tǒng)型號(hào)圖譜

表1 太空發(fā)射系統(tǒng)型號(hào)對(duì)比

Block 1為初始型號(hào)，近地軌道運(yùn)載能力為77t（70公噸），起飛重量2608t，起飛推力3992t，沒有上面級(jí)，全長(zhǎng)98m。Block 1將發(fā)射無人“獵戶座”（Orion）太空飛船繞月探測(cè)，首次發(fā)射推遲到2018年；改進(jìn)型Block 1B將增加一個(gè)上面級(jí)，使運(yùn)載能力提高到115t(105公噸），用于執(zhí)行下一系列的載人及貨運(yùn)任務(wù)。Block 1B載人版全長(zhǎng)111m，貨運(yùn)版全長(zhǎng)100m。第一級(jí)采用4臺(tái)RS-25D/E氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用1臺(tái)RL-10B2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)最大推力約100t，助推器是2臺(tái)RSRM-V。

Block 2運(yùn)載能力提升到143t（130公噸），全長(zhǎng)111m，成為SLS的最終構(gòu)型，支持更遠(yuǎn)地球軌道的任務(wù)，例如火星取樣返回及載人登火星等。Block 2的第二級(jí)將采用1至3臺(tái)J-2X氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。助推器將采用先進(jìn)的固體或液體燃料的助推器，起飛重量增加至2948t，起飛推力達(dá)4173t，比土星5的推力高20%。Block 2的性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)與“戰(zhàn)神”5相似[1～3]。

2.2 SLS使用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)

為降低成本，加快研制速度，SLS所用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)均為現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)。芯級(jí)采用航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25剩余的庫存，上面級(jí)則使用德爾它4火箭上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)RL10B-2及土星5上面級(jí)J-2的改進(jìn)型J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)。這三種型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)均由美國航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因（Aerojet Rocketdyne）公司研制。

2.2.1 芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25

航天飛機(jī)退役后留下了16臺(tái)RS-25D的庫存，為降低費(fèi)用，可重復(fù)使用的RS-25D改為一次性版本RS-25E，此發(fā)動(dòng)機(jī)僅在用于SLS時(shí)被稱為RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。RS-25D是上世紀(jì)70年代研制的可重復(fù)使用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，但直至今天它仍是綜合性能最好的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)之一，其質(zhì)量只有約3.5t，地面推力189.6t、真空推力232.4t，推重比約66，具有高達(dá)452.3s的真空比沖，也是現(xiàn)役比沖最高的大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用分級(jí)燃燒循環(huán)，電鑄鎳結(jié)構(gòu)的燃燒室，錐管管束式結(jié)構(gòu)的噴管延伸段。SLS芯級(jí)需要使用4個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)，16個(gè)庫存和新研制6個(gè)RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)可滿足SLS的前5次飛行，其中有兩臺(tái)研制的發(fā)動(dòng)機(jī)用于性能測(cè)試，包括噴嘴絕緣材料的改進(jìn)和新型電子控制器[4]。

Aerojet Rocketdyne正在重啟RS-25生產(chǎn)，2021～2022年交付第一個(gè)新發(fā)動(dòng)機(jī)，新RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)將采用J-2X的現(xiàn)代數(shù)字控制器。J-2X和RS-25之間大約有65%（甚至更多）技術(shù)共享，如J-2X率先植入現(xiàn)代制造技術(shù)和設(shè)施，優(yōu)化生產(chǎn)布局和裝配流程，以及采用3D打印技術(shù)制造降低成本等，這些都有可能用于RS-25發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)修改后的工藝，新RS-25的生產(chǎn)時(shí)間預(yù)計(jì)將從航天飛機(jī)時(shí)期的6.5a減少到大約4a。通過把發(fā)動(dòng)機(jī)放在一起生產(chǎn)可節(jié)約多達(dá)50%的成本。

2.2.2 上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)

上面級(jí)由波音公司負(fù)責(zé)制造。為了降低成本并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，上面級(jí)很多地方與芯級(jí)相同，如外徑尺寸、材料成份、子系統(tǒng)元件和工裝等。有資料顯示，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RL-10用于2020年的飛行，J-2X用于2025年的飛行。

RL10是世界上第一臺(tái)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī),自1963年首次成功發(fā)射后，共發(fā)展了10種型號(hào)。作為第二級(jí)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)，RL-10已經(jīng)發(fā)展成熟，具有很高的可靠性、安全性，廣泛地應(yīng)用于美國眾多一次性運(yùn)載火箭的上面級(jí)。2015年10月SLS過渡型低溫上面級(jí)（ICPS）結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件制造工作結(jié)束，該上面級(jí)由現(xiàn)有的德爾它4火箭低溫二子級(jí)改進(jìn)而來，同樣采用了RL10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力[5]。RL10B-2發(fā)動(dòng)機(jī)采用膨脹循環(huán)，真空推力11t，其可延伸噴管是世界上最大的碳-碳復(fù)合材料噴管，膨脹比高達(dá)285:1，因而RL10B-2燃燒室的名義工作壓力可達(dá)633lb/ft2，比沖達(dá)465.5s。

SLS后期采用的J-2X發(fā)動(dòng)機(jī)源自土星5上面級(jí)使用的J-2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，原本計(jì)劃用于戰(zhàn)神5上面級(jí)，星座計(jì)劃取消后，戰(zhàn)神5擱淺，隨著太空發(fā)射系統(tǒng)計(jì)劃的推出，J-2X重新受到重視。J-2X的真空推力居上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)之首，為133t。為降低成本，J-2X在制造中率先采用3D打印技術(shù)制造零件。在3D打印制造的發(fā)動(dòng)機(jī)零件中，最昂貴、最復(fù)雜的組件是噴注器。傳統(tǒng)縮比噴注器有4個(gè)部件，5道焊縫和復(fù)雜的機(jī)械加工，需要6個(gè)月的研制時(shí)間，每個(gè)噴注器制造成本超過了1萬美元。而通過燒結(jié)鋼鉻鎳鐵合金粉末制造出相同的噴注器，只有一個(gè)零件，僅用了3周時(shí)間，制造成本不足5000美元。兩種工藝制造出的噴注器在質(zhì)量上沒有什么區(qū)別，但成本和生產(chǎn)周期卻大大降低；制造氣體發(fā)生器組件也是如此，傳統(tǒng)工藝一般要用9個(gè)月30萬美元，而采用3D打印技術(shù)預(yù)計(jì)用時(shí)3～5周，成本能縮減到3.5萬美元。3D打印技術(shù)改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，將大大減少發(fā)動(dòng)機(jī)零件甚至整個(gè)宇宙飛船生產(chǎn)時(shí)間和成本，應(yīng)用會(huì)越來越廣泛[6～10]。

3 SLS芯級(jí)

SLS芯級(jí)由4個(gè)RS-25氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，由氫貯箱、氧貯箱、箱間段和前后裙段組成，由波音公司負(fù)責(zé)研制。芯級(jí)直徑8.4m，高達(dá)65m，可以貯存332萬升的低溫氫氧推進(jìn)劑。芯級(jí)由10個(gè)筒段組成，如圖2所示。芯級(jí)上也裝備著運(yùn)載器的電子設(shè)備，包括飛行計(jì)算機(jī)、儀器儀表、電池、功率處理器、傳感器和其他電子產(chǎn)品。

圖2 SLS芯級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 貯箱壁板的加工

表2 AMRO公司機(jī)械加工設(shè)備

SLS重型火箭的制造遍布整個(gè)美國，僅在加州就有700多個(gè)供應(yīng)商和分包商。在南艾爾蒙特市的AMRO制造公司是芯級(jí)貯箱的分包商，負(fù)責(zé)SLS芯級(jí)壁板、運(yùn)載器級(jí)間適配器和“獵戶座”飛船貯箱壁板的成形及網(wǎng)格加工。AMRO是一家家族企業(yè)，成立于1977年，大約有200人左右，3萬多平方米的建筑面積，主要為航空航天、國防等行業(yè)提供輕質(zhì)金屬筒段的全包式制造，加工工藝包括：高速加工、精密成型、熱處理、無損檢測(cè)和裝配等。自1986年以來AMRO制造廠一直負(fù)責(zé)為NASA加工火箭壁板網(wǎng)格并滾壓成型，其機(jī)械加工設(shè)備如表2所示[11～19]。

3.1.1 網(wǎng)格的加工及檢測(cè)

目前送1lb載荷入軌大約需要花費(fèi)1萬美元，因此，在保證壁板強(qiáng)度的前提下，壁板重量要盡可能輕?；鸺捷p，載荷就能越大。為了減重，重約4.54t（10000lb）的鋁盤，用銑床加工出錯(cuò)綜復(fù)雜的三角網(wǎng)格后，重量可以減少到0.454t（1000lb）。SLS貯箱壁板采用鋁合金2219材料制成，首先將鋁板銑削到尺寸，再用數(shù)控龍門加工中心加工出三角和正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，然后再精密鉆孔加工出緊固孔等，如圖3所示。加工后壁板厚102mm、寬3.66m、長(zhǎng)7.32m，這些網(wǎng)格使結(jié)構(gòu)減輕并保持完整。

圖3 SLS液氫貯箱壁板測(cè)試件

壁板網(wǎng)格的加工尺寸公差要求嚴(yán)格，因?yàn)槿绻總€(gè)肋多0.05mm的公差，火箭就會(huì)增重?cái)?shù)百磅。因此，壁板加工完成后，會(huì)轉(zhuǎn)送到一個(gè)特制的真空臺(tái)上，使用基于Verisurf模型的檢測(cè)軟件、激光跟蹤器和徠卡T型探測(cè)器（T-Probe）進(jìn)行檢測(cè)，以保證所有幾何形狀、壁厚、底部半徑位置、鉆孔位置以及孔直徑都在公差范圍內(nèi)。使用Verisurf軟件可以在屏幕上看到零件的3D虛擬圖以及檢測(cè)中探測(cè)器的相對(duì)位置，實(shí)時(shí)圖形檢驗(yàn)數(shù)據(jù)可以顯示出檢測(cè)目標(biāo)是否在公差之內(nèi)，是偏低還是偏高。檢查后,軟件會(huì)生成AS9102零件檢驗(yàn)報(bào)告；激光跟蹤器可以確定網(wǎng)格肋的確切位置；徠卡T-Probe是一個(gè)無臂、無線“繞行”設(shè)備，可以讓激光跟蹤器探測(cè)到隱蔽點(diǎn)及難以觸到的表面，如網(wǎng)格壁背面等位置。每塊壁板還要用超聲波檢測(cè)雜質(zhì)和裂縫。圖4a為AMRO質(zhì)量工程師在檢查平面，彎曲成圓筒之前要使用Verisurf檢驗(yàn)軟件和帶無線T型探測(cè)器的萊卡激光跟蹤器檢測(cè)網(wǎng)格。圖4b中徠卡無線T型探測(cè)器直接與激光跟蹤器交叉，這樣可以保持在一個(gè)固定的位置，讓激光跟蹤器精確地檢測(cè)到網(wǎng)格壁后面及其他難以到達(dá)的表面。

a 平面網(wǎng)格檢測(cè)

b 檢測(cè)放大圖

圖4 壁板網(wǎng)格檢測(cè)

3.1.2 壁板滾彎

AMRO有6臺(tái)大功率壓力機(jī)，如表3所示。帶網(wǎng)格的壁板在大型折彎機(jī)上加1000t左右的壓力壓成弧形，或滾壓到指定的曲線形狀，此工藝可緩解和分散零件制造中的固有壓力。在制造過程中，使用基于模型定義的Verisurf可使工夾具與壁板的表面形狀精確匹配。成形后，零件放置在一個(gè)調(diào)整夾具上，該夾具可精確調(diào)整外部尺寸公差，直至達(dá)到完美的匹配，且總體尺寸在公差范圍內(nèi)。最后，使用Verisurf軟件和激光跟蹤器對(duì)零件進(jìn)行質(zhì)檢，檢查所有尺寸、孔位置、直徑和表面形狀等，并生成AS9102檢驗(yàn)報(bào)告。

表3 AMRO公司彎曲成型設(shè)備

圖5 完成加工的SLS箱體壁板

精密測(cè)量與檢測(cè)確保了SLS火箭壁板質(zhì)量。在AMRO，火箭壁板生產(chǎn)過程中每一步都使用計(jì)量軟件、激光追蹤器、便攜式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、超聲儀和精密檢查裝置進(jìn)行引導(dǎo)、檢查并報(bào)告。從壁板加工完成到裝箱待運(yùn)，要經(jīng)過20多遍的探測(cè)、掃描及檢查。AMRO生產(chǎn)的SLS貯箱壁板，從下往上，壁板依次為發(fā)動(dòng)機(jī)部分、液氫貯箱、箱間段、液氧貯箱、前裙、級(jí)間適配器和獵戶座，如圖5所示。

3.2 貯箱的連接與裝配

壁板加工完成后被運(yùn)到新奧爾良的米丘德（Michoud）裝配廠采用攪拌摩擦焊組裝。米丘德制造廠也曾負(fù)責(zé)為航天飛機(jī)生產(chǎn)外貯箱等。如圖6所示，8塊成形板組成一個(gè)直徑8.4m、高約6～7m的筒形，總共10個(gè)筒形再組裝成SLS芯級(jí)的五個(gè)零件。其中6個(gè)6.7m高的圓筒和兩個(gè)圓頂蓋連接在一起，組成了直徑8.4m、長(zhǎng)40m的液氫貯箱。

圖6 芯級(jí)貯箱組成示意圖

米丘德裝配廠設(shè)備布局及裝配大樓內(nèi)景如圖7所示，所用主要焊接設(shè)備包括：

a. 垂直裝配中心（VAC）：設(shè)備高52m、寬24m，是世界上最大的焊接工具之一。可將圓頂、環(huán)段和筒段連接在一起，完成貯箱結(jié)構(gòu)的裝配，同時(shí)還可以進(jìn)行全部焊接的無損檢測(cè)，如圖8a所示。

b.圓周圓頂焊接和瓜瓣焊接工具（ERWT）：專用增強(qiáng)機(jī)器人焊接工具，用來制作SLS圓頂組件，如圖8b所示。

c. 分段環(huán)工具（SRT）：采用攪拌摩擦焊工藝生產(chǎn)SLS芯級(jí)的分段支撐環(huán)、連接環(huán)段，可在頂蓋和筒段之間提供剛度，如圖8c所示。

d. 垂直焊接中心（VWC）：SLS芯級(jí)干濕結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊工具，可將壁板焊接在一起形成兩個(gè)加壓的貯箱、級(jí)間段、前裙和發(fā)動(dòng)機(jī)尾段。它有三層樓高，重達(dá)150t，如圖8d所示[20，21]。

圖7 焊接裝配廠房布局

a 垂直裝配中心?????b 圓周圓頂焊接和瓜瓣焊接工具

c 分段環(huán)工具??????d 垂直焊接中心

圖8 焊接裝配設(shè)備

貯箱焊接完成后，需要進(jìn)行清洗、加裝置及抗壓試驗(yàn)等，然后再與火箭的其它部分總裝。最后SLS將運(yùn)至肯尼迪航天中心裝配大樓，與“獵戶座”飛船裝配?？夏岬虾教熘行难b配大樓是世界上最大的建筑之一，占地約3.2萬平方米，內(nèi)部空間達(dá)到360萬立方米。之前用于裝配阿波羅計(jì)劃中的土星5火箭，后來被改造成航天飛機(jī)裝配大樓，現(xiàn)在將用于太空發(fā)射系統(tǒng)。目前，NASA正在對(duì)其發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行改造。

4 固體助推器

由于芯級(jí)動(dòng)力不足，SLS運(yùn)載器在第一級(jí)捆綁了2個(gè)固體火箭助推器。SLS固體助推器長(zhǎng)54m，直徑3.7m，重約726t，由猶他州的軌道ATK（Orbital ATK)公司制造。每個(gè)助推器工作126s，可產(chǎn)生大約6200t的推力，兩個(gè)助推器提供的推力占SLS總推力的75%。助推器前裙段裝備航空電子設(shè)備，用來監(jiān)控助推器狀態(tài)及控制助推器排氣噴管。尾部裙段配備了推力矢量控制（TVC）系統(tǒng)，根據(jù)助推器航空電子設(shè)備的命令控制噴管。頭部和鼻錐作為助推器的氣動(dòng)整流罩。助推器通過鐵路運(yùn)往肯尼迪航天中心總裝，助推器的頭部和尾段與SLS芯級(jí)匹配連接。

4.1 SLS助推器的制造

SLS助推器是基于航天飛機(jī)助推器三十年的經(jīng)驗(yàn)以及最新技術(shù)改進(jìn)而成，最初計(jì)劃用于“戰(zhàn)神”項(xiàng)目。航天飛機(jī)的固體助推器殼體是4段式，SLS助推器增加了第5段，可以裝載更多的推進(jìn)劑，使推力增加20%，比沖高24%，如圖9所示。盡管是基于航天飛機(jī)助推器的設(shè)計(jì)，但SLS助推器改進(jìn)了設(shè)計(jì)、工藝和測(cè)試，增強(qiáng)了性能、安全性和承載能力。與航天飛機(jī)固體助推器相比，SLS助推器的改進(jìn)包括：增加了25%的推進(jìn)劑；新型噴管設(shè)計(jì)；新型無石棉絕緣和內(nèi)襯結(jié)構(gòu)；新型航空電子設(shè)備；改進(jìn)了無損檢測(cè)工藝。

圖9 SLS固體助推器結(jié)構(gòu)示意圖

SLS五段式助推器（FSB）制造過程分為以下幾個(gè)步驟：

a.殼體的準(zhǔn)備：殼體采用D6AC鋼，5個(gè)殼段加工好后進(jìn)行隔熱、加襯，然后準(zhǔn)備鑄型；

b.推進(jìn)劑鑄型：每個(gè)殼段可以充填大約127t的推進(jìn)劑，需要4d時(shí)間固化處理；

c.噴管的制造：噴管采用玻璃-碳布材料以及鋼和鋁的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，能夠承受高達(dá)2038℃的高溫；

d.發(fā)動(dòng)機(jī)總裝：發(fā)動(dòng)機(jī)所有部段在發(fā)射之前都要進(jìn)行X射線和超聲檢查，點(diǎn)火器安裝在前段上，噴管組件安裝在尾段部分。

e.助推器裝配：尾裙、前裙和鼻錐組件均在肯尼迪航天中心加工，然后送到“旋轉(zhuǎn)、加工和調(diào)節(jié)廠（RPSF）”和飛行器裝配大樓（VAB），在此與固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)段裝配；

f.組裝：發(fā)動(dòng)機(jī)組件送到肯尼迪裝配大樓（VAB）與芯級(jí)貯箱裝配[22～25]。

4.2 助推器的升級(jí)改進(jìn)

4.2.1 采用精益生產(chǎn)，縮短裝配時(shí)間，降低生產(chǎn)成本

面對(duì)降低預(yù)算和精簡(jiǎn)員工的挑戰(zhàn)，ATK公司采用價(jià)值流程圖（VSM）方法對(duì)諸多項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)以保持公司競(jìng)爭(zhēng)力。通過實(shí)施這一方法，使員工識(shí)別低效的工藝、工序和要求，從而達(dá)到目標(biāo)狀態(tài)。經(jīng)NASA核準(zhǔn)的改進(jìn)有400多項(xiàng)，這些工藝改進(jìn)表明，通過VSM方法降低了產(chǎn)品移動(dòng)和其他冗余工藝的數(shù)量，限制暴露并減少制造過程中的異常風(fēng)險(xiǎn)。例如，有個(gè)部件以前在一個(gè)區(qū)域內(nèi)的制造過程中要移動(dòng)47次，改進(jìn)后減少到7次，既節(jié)約了勞動(dòng)力成本，又提高了可靠性。通過VSM方法，交付的產(chǎn)品質(zhì)量更高，而成本卻比預(yù)算要低。2012年10月2日的首次發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)展示了此工藝改進(jìn)的重要進(jìn)展：裝配時(shí)間節(jié)省接近46%，SLS項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)節(jié)省數(shù)百萬美元。

另一個(gè)精益生產(chǎn)變化是用超聲波技術(shù)取代X射線和其他檢驗(yàn)工具等，消除了一些冗余檢查。通過這一方法，減少了工時(shí)，降低了制造成本，使SLS項(xiàng)目安全、可靠地完成，更重要的是使該項(xiàng)目可持續(xù)發(fā)展，為ATK公司生產(chǎn)先進(jìn)概念的助推器鋪平了道路[26]。

4.2.2 研制低成本輕質(zhì)的復(fù)合材料殼體

圖10是SLS先進(jìn)助推器項(xiàng)目組研制的整體纖維纏繞復(fù)合材料殼體的測(cè)試件，直徑為2.3m, 長(zhǎng)8.2m。與目前使用的五段鋼式殼體相比，由于簡(jiǎn)化了裝配，可節(jié)省480個(gè)工時(shí)，即減少了50%。由此推算，SLS的制造成本將能減少數(shù)百萬美元，同時(shí)還可提高1.9t的負(fù)載能力。據(jù)推測(cè)，采用這種殼體的新助推器性能優(yōu)于NASA曾經(jīng)使用的任何液體或固體燃料助推器，而成本卻降低了40%，可靠性增加24%。

圖10 SLS固體助推器復(fù)合材料殼體測(cè)試件

5 結(jié)束語

重型運(yùn)載器的研制是對(duì)一個(gè)國家綜合科技實(shí)力的一種考驗(yàn)，同時(shí)也會(huì)促進(jìn)國家航天技術(shù)的迅猛發(fā)展。美俄在六十年代的太空爭(zhēng)霸中，先后研制出重型運(yùn)載器土星5和能源號(hào)，當(dāng)時(shí)一切按需供應(yīng)，不惜工本，所以成本很高。目前美國研制的SLS被稱為世界最強(qiáng)運(yùn)載火箭，但其研制成本和周期卻都大幅下降，綜其原因是大量利用成熟技術(shù)的結(jié)果。總的來講，SLS大部分繼承了航天飛機(jī)的技術(shù)，如芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)RS-25使用的是庫存的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)，固體助推器是由航天飛機(jī)的四段式改為五段式。而SLS的上面級(jí)沿用了德爾它4火箭的上面級(jí)（部分改進(jìn)），后期將使用的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)J-2X也是當(dāng)初為戰(zhàn)神5研制的。因此，可以說SLS是利用成熟技術(shù)達(dá)到全新高度的典范。

相比起來，中國重型運(yùn)載器長(zhǎng)征九號(hào)設(shè)計(jì)為三級(jí)半火箭，一級(jí)和二級(jí)直徑為10m級(jí)，三級(jí)為7.5m，捆綁兩個(gè)直徑為5m的助推器。一級(jí)和助推器計(jì)劃采用推力為480t級(jí)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)和三級(jí)分別采用220t和50t的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。起飛推力大約3600～4000t，與美國SLS火箭貨運(yùn)版差不多。但是，除50t級(jí)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)于2016年長(zhǎng)征五號(hào)飛行驗(yàn)證過，220t氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和480t的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)都需要重新研制。該項(xiàng)目2014年立項(xiàng)，計(jì)劃2030年后發(fā)射[27]。

由此可見，中美的超重型運(yùn)載火箭之路完全相反，美國是利用成熟技術(shù)，按照盡可能經(jīng)濟(jì)的原則，在短時(shí)間內(nèi)攢出一款新火箭。中國則需要全新研制，可以肯定，研制長(zhǎng)征九號(hào)的實(shí)際成本必然會(huì)比美國SLS的花費(fèi)更高，而研制時(shí)間也需要更長(zhǎng)。美國SLS計(jì)劃自2011年推出后，進(jìn)展順利，2015年3月11日助推器試射成功。2015年7月開始實(shí)施全尺寸建造，首次發(fā)射在2018年，而長(zhǎng)征九號(hào)最快應(yīng)該在2030年之后，由此也體現(xiàn)了中美航天技術(shù)的差距。

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Structure and Manufacturing Technology of Space Launch System

Ding Xinling Guo Bowen

(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076)

This paper introduces the configuration of three models of the Space Launch System (SLS) and its improved features. The manufacturing technology of the tank in the core stage and boosters are analyzed, including processing and testing of the isogrid panels, bending of the panels, welding and assembly of the tank, as well as the fabrication process of Five-Segment Booster (FSB). Finally, the development characteristics of the heavy-lift launch vehicle are compared betweenChinaandAmerica.

SLS；tank；isogrid；welding；bending

丁新玲（1965-），高級(jí)工程師，航空發(fā)動(dòng)機(jī)專業(yè)；研究方向：火箭發(fā)動(dòng)機(jī)制造技術(shù)。

2017-04-10