十年过去了,诺斯罗普格鲁曼公司反思了从航天飞机到 SLS 时代固体火箭发动机的变化

by 克里斯·格布哈特

十年前,即 2011 年 7 月 8 日,在肯尼迪航天中心的 LC-39A 上,两个四段式固体火箭助推器 (SRB) 出现,推动亚特兰蒂斯号轨道飞行器和她的四名机组人员在第 135 次和最后一次向太空飞去。航天飞机任务。

它标志着航天飞机项目 SRB 的第 269 次和第 270 次飞行发射,以及标志性火箭发动机的第 265 次和第 266 次以及最后一次恢复,它们总是成对飞行——不仅是完整的助推器堆栈,而且是每个人在犹他州铸造时,发动机部分也与“推进剂双胞胎”配对。

对于 SLS,对助推器进行了两个有据可查且可见的更改,技术上称为五段可重复使用固体火箭发动机(RSRMV):增加了第五个推进剂段并移除了所有回收和再利用硬件。

然而,这些变化比看起来更复杂。

“我们从航天飞机那里继承了很多知识,”诺斯罗普格鲁曼公司 SLS 项目工程经理 Matt Mecham 在接受 NASASpaceflight 采访时说。  “为了能够提供满足要求的高效设计,我们非常依赖于数字化 [航天飞机] 数据。”

“如果您想到 Shuttle 计划,[需要] 成百上千的纸上不同的图纸,才能将这些概念通过制造过程应用到车辆中。  我们所经历的,所有旧数据,所有旧图纸…… [我们] 将它们放入我们的建模和模拟室中的数字领域。â€

该建模对于理解 - 在首次飞行之前 - 每个助推器和助推器对如何在上升过程中共同发挥作用以及它们在脱离后将分别做什么至关重要 the Core Stage 向大西洋进行破坏性潜水。

随着固体火箭助推器的分离,核心级继续为阿尔忒弥斯 1 号地球轨道任务提供动力。 (信用:麦克克劳福德为 NSF/L2)

“通常,推力预测 [来自模型] 之类的事情对于大型电机来说非常合适。  这是一个非常有特色的系统,即使从四段到五段 [设计] 的细微差异也是如此。  推进剂差不多。  新绝缘。  由于新的推力特性,您必须调整喷嘴的尺寸,”马特指出。

与航天飞机时代的设计相比,增加的第五段将产生 20% 的平均推力和 24% 的总冲量,并将略微增加五段 SRB 的整体燃烧时间至大约 2 分 12 秒,比航天飞机长 10 秒。

新段将增加每个助推器能够产生的总推力,每个五段 SRB 产生最大 360 万磅力 (16,103 kN) 的推力,总推力从 720 万磅力 (32,027 kN) 的 SRB 开始的推力。

像航天飞机 SRB 一样, 五段式 SLS 助推器的推进剂颗粒形状将根据飞行的不同部分的推力进行调整,从而允许固体为 Max-Q“节流”,然后“节流回升”。

就像新的部分导致建模的变化一样,另一个主要区别,不是恢复 SRB 以进行再利用和飞行后检查,导致了它自己必须研究和解释的一系列变化。

“显然,在核心阶段和助推器之间有更多的数据通信。  我们已经更新了其中一些组件以容纳所有这些数据。  但额外的数据意味着额外的线束、额外的线路,” said Matt.

有关 SRB 飞行性能的数据和来自附属于助推器的开发飞行仪表 (DFI) 网络的信息不能再存储在助推器上以供飞行后审查。  所有这些现在都必须实时传输到地面。

阿尔忒弥斯 1 号任务中左侧助推器的 RSRMV 案例的地面测试和操作飞行使用历史。 (信用:诺斯罗普格鲁曼公司)

“因为阿尔忒弥斯 1 号是第一次飞行,所以有点像试飞。  我们有一个大型演示套件,我们称之为助推器上的 DFI。  所有这些信息都是让我们真正了解这些任务配置文件的作用,以及它们如何影响火箭。  我说的是环境负荷,从温度到加速度,诸如此类,”马特说。

“所有这些都必须通过遥测来完成,这样我们才能对其进行分析。  特定航班的指导信息也是如此。”

这将有助于验证一些建模预测的飞行性能与实际看到的情况——即使模型和实时飞行数据可能非常密切地相互反映。

不恢复助推器也意味着诺斯罗普格鲁曼公司将无法检查将五个电机段连接在一起的现场接头是否有任何异常。 

虽然只在飞行中而不是在地面测试期间出现的问题很少见,但在航天飞机项目的 RSRM 设计中确实发生了这样的事件。  1996 年 6 月,STS-78/Columbia 透露,新的 EPA(环境保护局)法规导致了清除溶液的变化,这是导致飞行中热气路径渗透到 SRB 现场接头的原因。

虽然捕获接头按预期运行并在引发任何飞行安全或烧毁问题之前停止了气体,但在之前的地面测试中并未发现该问题。  下一个任务被推迟,同时修复程序被开发,该计划最终在三个月后恢复飞行。

阿尔忒弥斯 1 号任务中右侧助推器的 RSRMV 案例的地面测试和操作飞行使用历史。 (信用:诺斯罗普格鲁曼公司)

对于航天飞机计划的其余部分,RSRM 没有发现其他重大问题。

谈到现在无法进行此类飞行后检查,Matt 说:“我可以从在 KSC 担任设计支持角色堆叠的第一手经验告诉你,所有的检查都进行了非常详细和细致的检查。表面和 O 形圈。”

“它们经过多次清洁和检查,以确保在它们组合在一起时,这些接头中没有缺陷、没有颗粒、没有任何东西、没有污染物。  然后在它们组装好后,我们进行了非常严格的泄漏检查,这非常敏感,以确保所有这些接头在那个点都被密封以在飞行过程中发挥作用。”

“所有这些都是建立在 Shuttle 计划的基础上的。  我们继续使用开发和真正设计的丰富知识,使我们的产品真正可靠和强大。”

SLS 的另一个与 SRB 相关的元素是发射中止电机, 也由诺斯罗普格鲁曼公司建造.  猎户座发射中止系统上的这个马达会将太空舱和机组人员从失败的火箭上拉开——即使在 SRB 正在燃烧的时候。

通过这种方式,如果 SLS 上发生热气穿透事件(并且没有理由相信自挑战者号之后重新设计以来系统的传统和性能),船上的机组人员将是安全的。

这样,结合 RSRM 从 1988 年到 2011 年的航天飞机飞行历史、新设计的 RSRMV 设计的地面测试点火加上计算机建模,以及发射中止系统提供了足够的数据,表明恢复助推器进行检查不是飞行安全SLS 的问题。

然而,这些更明显的变化以及它们给 SLS 带来的不为人知的考虑,并不是 SRB 从 Shuttle 到新时代的唯一变化。

“总的来说,在 SLS 上,一些新的东西是一个新的航电套件。  这将是我们的导航控制套件,与整个 SLS 飞行计算机进行交互。  这一切都被重新包装了,”马特说。

“我们在基地中使用移动发射平台开发了一种新的地面脐带缆。  我们还更新了隔热帘,以保护后裙板空间——我们有航空电子设备的地方——免受由于靠近核心级液体发动机而产生的额外热量。”

助推器的环境和工人安全变化是消除了放置在每个电机段内的推进剂衬里中的石棉。  正是在这些衬里上浇注了推进剂——从而在推进剂燃烧期间为外壳提供了一些保护。

石棉的消除和新设计的测试表明推进剂和衬里之间存在推进剂空隙问题。  这导致了一项由 NASASpaceflight 广泛覆盖的调查,以及一项不涉及在设计中重新添加石棉的解决方案。

“——这一切都在我们身后。  我可以告诉你,我们花了很多精力来解决这个问题,并确保不会发生大的空洞问题。  我们确保这一点的部分方法是,每次我们进行铸件时,都会进行大量 NDE [无损评估] 检查,这些检查经过多年更新和现代化。”

“我们对安装到推进剂上的铸造材料进行了大量检查,以检测任何可能的空隙,并确保我们拥有优质安全的产品。”

然而,对于 SLS 固体火箭来说,这并不是什么新鲜事。  将它们安全地推离 SLS Core Stage 的助推器分离电机与用于 Shuttle 的它们相同且处于相同的位置。

信用:美国宇航局

“就助推器的位置而言,它们实际上与航天飞机的设计相同。  前部组件有四个,后裙部有四个,它们在同一个地方,”相关的马特。  “这是使用传统硬件的一个方面,我们选择将其中一些东西保留在早期的同一个地方,就像一块垫脚石,一种前进的方式。”

换句话说,如果没有设计要求的理由来改变某些东西,它在很大程度上是从 Shuttle 留下的。

“我们正在使用相当多的旧航天飞机主要结构和其他部件,并改造其他部件,我猜你会说,或者修改它们以适应新的任务概况。  这真的是站在我们面前的航天飞机计划的肩膀上,还有那些伟大的工程师和所有参与其中的人。”

2020 年 6 月 12 日,用于 SLS 的前两次飞行 SRB 的所有 10 个推进剂段均已交付给肯尼迪航天中心 并于 11 月开始在 VAB 进行堆垛作业。  虽然一些管段套管元件是新的,但其他部分正在从 Shuttle 重新使用。

总之,Artemis 1 上最古老的部分可以追溯到 STS-34 和 1989 年 10 月使用伽利略木星探测器发射的亚特兰蒂斯号,而 Artemis 1 外壳元件的最新飞行使用是在 STS-133 和 Discoveryâ 2011 年 2 月的最终任务。

(主图:Artemis 1 的双 RSRMV 助推器的尾部和裙部组件堆叠在 VAB 的移动发射器上。信用:NSF/L2 的 Stephen Marr。)

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