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【空间瞭望】“猎户座”飞船最新进展

时间:2018年03月22日 信息来源:空间瞭望 点击: 【字体:

20174月,美国国家航空航天局(NASA)总监察办公室审计办公室发布了对NASA低地球轨道以远载人探索规划的审查报告,评估了NASA未来25年内“空间发射系统”(SLS/“猎户座”(Orion)飞船首次组合飞行计划和进展。作为美国未来开展深空探索任务的“主力军”,“猎户座”飞船扮演着十分重要的角色。

一、“猎户座”飞船项目概况

“猎户座”项目从立项至今经历过很多波折。它原本是NASA“星座”(Constellation)计划中的关键组成部分,本应在2015年首飞。但到了2010年初,遭遇了资金短缺、进度滞后、设计思路分歧等困难,后随“星座”计划终止而搁置。奥巴马政府则重新重视起“猎户座”方案。航天飞机高昂的维护成本和较高的风险性,使其最终在人们的关注中退役。此后,俄罗斯飞船成为唯一能向“国际空间站”运送乘员的飞行器,因此俄罗斯也对美国施行了“坐地起价”,2016年美国航天员乘坐俄罗斯“联盟”(Soyuz)飞船前往“国际空间站”的单个座位价格高达7000多万美元。这种形势促使美国痛下决心继续研制自己的载人飞船,并大力发展商业航天,期望这种用于载人探索的空间飞行器能使美国重新具备独立载人天地往返运输的能力,确保美国航天员在空间站上遇到意外时也无需求助于俄罗斯飞船逃生。如今,“猎户座”更被寄予厚望,NASA希望其成为多用途载人飞船,不仅可用于与“国际空间站”对接,将来还可能被用于载人登陆月球乃至火星的计划。

“猎户座”由洛马公司牵头研制,团队包括主要分承包商航空喷气-洛克达因公司、联合技术宇航系统公司和霍尼韦尔公司,以及众多次要分承包商和小企业。“猎户座”具有多用途、可重复使用的特点,是美国未来低地球轨道以远载人探索的关键系统,最多可运送6名乘员,到达月球、火星及其卫星等多个目的地。

“猎户座”虽然外形类似于“阿波罗”(Apollo)飞船,但其技术性能却有大幅度提高,其分系统和元器件采用许多创新技术。“猎户座”飞船由乘员舱、服务舱和发射紧急中止系统构成。飞船具有独特的生命保障、推进、热防护和电子系统,结合其他组成部分能实现更长时间的深空任务。由于计划需要,相关设计允许每个乘员舱最多可执行10次飞行,这意味着“猎户座”可以形成载人和无人驾驶的飞船编队。

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1  “猎户座”飞船关键组成部分(发射构型)

二、相关进展

“猎户座”首次探索飞行试验于2014124日进行,这艘“猎户座”不载人,由德尔他-4Delta4)重型火箭从美国卡纳维拉尔角空军基地发射。任务持续数小时,飞船乘员舱绕地球轨道飞行2圈,第2圈远地点升至约5800km,随后以8900m/s的速度高能再入。任务设计本质上近似于1967年用于验证“阿波罗”飞行控制系统和模拟月球任务返回再入时热防护效果的阿波罗-4任务。

2017年是“猎户座”研制工作进程较为快速,取得较为显著成就的一年。2017713日,NASA对“猎户座”设备进行了重点测试,目的是飞船溅落过程中确保航天员的安全。这是首次在公开水域对“猎户座”进行一系列的系统评估,测试在美国海岸警卫队、海军和空军的协助下完成。NASA与美国国防部合作的“猎户座”和地面系统开发及运营项目,是用来评估飞船在海面溅落后,航天员经历一系列复杂场景后如何安全有效地恢复状态。“猎户座”于822日首次启动成功,其内部搭载了管理计算机、电源系统、飞行软件和数据单元进行测试。“猎户座”原计划于2018年和2020年进行两次任务,首次“探索任务”(EM1)设想发射无人“猎户座”进行3周绕月飞行;第二次任务(EM2)设想搭载航天员进行飞行。然而,由于技术、预算等多方面原因,该计划很有可能被推迟。119日,NASA宣布将加快对“猎户座”发射终止系统(LAS)进行重点测试。“猎户座”外形与“阿波罗”相近,将由NASA在研的重型运载火箭“航天发射系统”(SLS)发射,其上的LAS能在发射过程中发生异常情况时供航天员逃生。对LAS的满应力测试将在20194月进行,参试飞船将由宇宙神-5Atlas5)火箭发射,飞行到9750m高度,达到马赫数1.3,在这一点上,LAS发动机将点火并使飞船远离火箭。“猎户座”计划飞行试验管理经理表示,这是飞船载人之前唯一一次全运行的LAS测试。

二、“猎户座”计划执行情况评估

2014年底首次无人试飞成功的基础上,“猎户座”计划又经过了一系列严苛的技术和计划评审。20153月,飞船LAS通过试验;8月,飞船样机降落伞系统通过试验,验证了再入过程中降落伞仅部分展开情况下的执行能力;9月,飞船通过关键决策点-C里程碑,NASA向“猎户座”计划承诺了113亿美元的成本基线;10月,计划通过关键设计评审。20167月,“猎户座”的热防护系统防热瓦黏合工作启动;“猎户座”压力舱的焊接工作完成。20176月,“猎户座”又完成了降落伞测试、气囊测试以及LAS测试。

1. “猎户座”的总体研制工作仍存在巨大挑战

综合考虑一些意外因素,“猎户座”执行载人任务的发射时间有可能将进一步推迟。尽管首次试飞成功,项目管理人员仍对接下来的项目推进持保守态度。NASA透露,“猎户座”的发射面临很多变量,软件的开发与硬件的重复测试都可能导致发射推迟。

NASA认为“猎户座”是顺利执行EM1任务的最大障碍。20169月,NASA办公室就曾分析过,“猎户座”服务舱进行了设计改动,因此,交付给NASA的时间会比预计晚510个月。因为新的“猎户座”服务舱与201412月试飞过的服务舱完全不同,新舱的组装、总装和加工都可能会拖慢“猎户座”与SLS的总装进度。NASA也在对“猎户座”飞船系统进行改动,解决单一故障就会导致灾难性后果的问题。例如,如果推进剂贮箱的其中任意一个阀门发生泄漏,所有的燃料最终都将泄漏到系统外。此外,NASA认为“猎户座”防热罩在首次试飞之后产生了裂缝,并显示出降低的材料强度,这也是目前“猎户座”计划最大的技术风险之一。试飞之后,NASA对防热罩进行了设计改动,以解决这些问题。

2. 关键技术研发及测试稳步推进,但仍有问题亟待解决

2017年,负责“猎户座”项目的工程师对“猎户座”的一些关键安全系统开始进行一系列重要测试。这些测试分别在犹他州沙漠地区、亚利桑那州空中和休斯敦约翰逊航天中心的静水中进行,整个团队通力协作,以保证“猎户座”从发射升空到返回地球、落入近海整个过程的安全性。

发射终止引擎测试:制造商轨道-ATK公司在犹他州普罗蒙特利的试验场对“猎户座”的LAS终止引擎进行了时长5s的点火测试。LAS是为航天员提供安全保障的诸多重要系统之一,因此要完成载人的飞行任务必须提升飞船安全性以满足这些任务的需求。LAS位于“猎户座”乘员舱之上,将在未来深空旅行中为航天员提供至关重要的安全保障。终止引擎的职责是在紧急情况下推动乘员舱,使其与SLS分离。LAS装配有3个终止引擎,在紧急情况发生时,其中1个引擎将开始工作,推动乘员舱脱离火箭并与坠落的火箭保持安全距离,使乘员舱保持平稳,进而安全落入大西洋。尽管相关数据分析才刚刚开始,但此次测试已经证明在紧急情况下终止引擎能够在毫秒之间点火启动,并能在高温条件下正常运转。

降落伞测试:“猎户座”降落伞系统的职责是确保乘员舱安全降落。该系统研制团队对飞船在发射平台上进行必要终止时降落伞的表现做出了评估。2017614日,在亚利桑那州尤马的美军测试基地进行的测试中,工程师从位于7620m的高空的波音C17运输机上投下一个“猎户座”仿制舱体,借此测试“猎户座”仅展开3个橙白相间的主降落伞时整个降落伞系统的运行效果。此次测试评估了降落伞在低空低动压环境下的性能。“猎户座”降落伞目前正在接受共计8项的载人飞行质量测试,这些测试模拟了各种正常情况与意外情况,将确保降落伞有能力帮助乘员舱和航天员安全降落。

气囊测试:“猎户座”团队还对升级版的乘员舱直立系统进行了测试。该系统由舱体顶部5个安全气囊组成,气囊在乘员舱落入海中时会充气膨胀。在海洋的大风巨浪环境下,舱体降落时很容易顶部朝下或出现翻转。直立气囊的责任就是在这些情况发生时,帮助舱体进行翻转,使其保持顶部朝上的正常状态。在之前的EM1测试过程中,气囊未能完成正常充气,之后工程师改进了气囊设计,便有了升级版的气囊。本次在约翰逊航天中心的中性浮力实验室(NBL)共进行了8项测试,评估气囊在正常情况与意外情况下的充气效果,以此验证计算机模型的准确性。

针对载人的EM2任务,NASA面临的主要挑战之一就是确保“猎户座”座舱环控生保系统正常运转。NASA正在“国际空间站”上和地面实验室中测试这个至关重要的生命保障系统组件,部分组件将在EM1任务中试飞,完整系统的首次试飞将在EM2任务中与“首次载人”一起进行。空间安全顾问小组(有关安全问题对NASA和美国国会负责的咨询委员会)在2015年和2016年的年度报告中表达了对EM2任务之前缺乏飞行试验的担忧。作为回应,NASA选定了最初24h飞船在大椭圆轨道上运行的任务方案,以检验环控生保系统和其他系统。

总之,“猎户座”飞船研制节点虽然略有延迟,但整体还是按照计划稳步推进相关测试试验等工作,未来对生命保障系统组件的测试将尤为重要。

3. 计划成本较高,经费成为影响研制工作顺利开展的关键要素

NASASLS、“猎户座”飞船和“地面系统运行开发”(GSDO)计划的组合投资到2018财年底将高达230亿美元。基于NASA当前的生命周期成本估算,NASA官员认为只要国会按期望水平资助“猎户座”计划且进度无拖延、要求无改动,EM1EM2就会有充足资金。尽管“猎户座”计划成本很有可能会比NASA 2011财年估算的57亿美元高出27亿美元,即到2018财年的总期望成本高达84亿美元。但据NASA官员称,这一成本中很大一部分包括EM2和后续任务的准备工作,未包含在最初估算中。此外,目前“猎户座”计划到EM2之前的预计拨款为123亿美元,比“猎户座”的基线承诺113亿美元高出约10亿美元。

根据NASA政策,要求各计划制定生命周期成本和进度安排预算,形成内部管理协议和外部机构基线承诺,确定一项计划的总成本和完工日期。内外部计划承诺都要由主管副局长批准,通过独立审查,并由NASA首席财务官办公室监督。SLS、“猎户座”和地面设施的内外部计划管理协议总结见表1

1  项目内外部计划管理协议

计划协议

EM1

EM2

EM2之后

估计生命

周期成本

发射就绪

日期

估计生命

周期成本

发射就绪

日期

估计生命周期成本

发射就绪日期

SLS

内部

93亿美元

2018-09

在机构基线承诺范围之外

外部

97亿美元

2018-11

猎户座”

内部

无单独衡量标准;是EM2项目协议的组成部分

108亿美元

2021-08

在机构基线承诺范围之外

外部

113亿美元

2023-04

GSDO

内部

27亿美元

2018-09

在机构基线承诺范围之外

外部

28亿美元

2018-11

20172月,时任NASA局长指示载人探索与运行任务部研究在EM1任务中增加乘组的可行性。据本办公室判断,要实现EM1载人飞行,NASA必须要应对的不只是与载人飞行有关的额外风险,还会增加已规划任务的现存风险。20175月,NASA正式宣布,在评估了成本、风险和技术因素后,决定EM1任务仍采用不载人的任务方案。此举规避了一些额外风险。

四、结论

1. 商业载人航天尚未“达标”,美国加快启用“猎户座”飞船

目前,美国低地球轨道的商业载人航天还是起步期,NASA的航天飞机在2011年退役后,美国就一直依靠俄罗斯的“联盟”载人飞船向“国际空间站”运送航天员。NASA一直寄希望于商业航天公司担负起在低地球轨道上运送航天员的重任,自己专注于近地以远的深空探索。但就目前看,与NASA签订合同的波音公司和太空探索技术公司(SpaceX)还未达到NASA制定的标准。因此,NASA也必须加快正式启用“猎户座”。

NASA正在竭尽所能地动用国家“优势”资源,来助推深空探索的发展。这一举动既能给美国人民带来信心,也有利于发展国民经济。美国希望借助SLS和“猎户座”的任务,加上私营航天的辅助,继续确保美国在全球空间探索的领先地位。

2. 技术可行性较高,经费及风险管控成为重要影响因素

理论上,单就技术可行性来说,“猎户座”不仅继承了“阿波罗”遗留的老技术,还对很多技术进行了更新和升级。就现阶段技术情况来说,“猎户座”执行EM1任务是可行的。但因为“猎户座”未来要执行载人飞行任务,因此对生命保障系统的要求极高,目前,“猎户座”项目负责团队也在不断地加速相关技术升级。

值得指出的是,经费方面的压力和对风险的把控目前成为“猎户座”研制工作顺利开展的两大重要影响因素。未来,“猎户座”如何平衡好迫切的任务需求和这两大因素之间的矛盾有待持续观察。

NASA正在致力于构建灵活、可重复利用并可持续发展的载人航天核心能力与基础设施,这些基础设施将为一系列难度持续攀升的任务提供支持。以SLS与“猎户座”的首次合体任务为起点,这一崭新的深空探索系统将开启人类深空探索的新篇章。


(作者:佚名)
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