波音公司2021年航天发展研究

　　【全球三大宇航防务公司2021年航天发展研究（三）】
　　波音公司2021年航天发展研究
　　文张京男
　　本文刊登于《卫星与网络》杂志2022年4期
　　2021年，波音公司在航天领域的发展虽然并未完全扭转颓势，但在登月运载火箭和载人飞船等重要系统工程项目中取得了显著进展，为美国重返月球和载人航天发展提供了重要支撑。
　　一、运载火箭
　　波音公司作为NASA阿尔忒弥斯（Artemis）重返月球计划SLS火箭的主承包商，研制了火箭的芯级、上面级和航电设备。
　　（一）SLS火箭芯级静态点火测试
　　2021年，首个执行发射任务的SLS火箭的芯级完成了2次静态点火测试。为开展点火测试，波音公司组建了一个测试团队，成员是来自全国各地、公司内外的熟练航空电子设备、液压、推进系统、地面电子设备和测试的专家。包括：波音公司、NASA和AerojetRocketdyne公司等，拥有从火箭、航天飞机、卫星发射到测试的技术优势。
　　1、第一次
　　2021年1月，NASA、波音公司和AerojetRocketdyne公司在密西西比州的斯坦尼斯航天中心（StennisSpaceCenter）B2试验台对参与SLS火箭首飞的芯级进行了首次点火测试。芯级的燃料加注和增压过程中，4台由AerojetRocketdyne公司制造的RS25发动机完成了67。2秒点火测试，而收集火箭重要数据最少需要大约4分钟，实际飞行中需要工作8分钟。
　　波音公司表示，为了确保该芯级的安全，特意将测试参数设计得比较保守且仅适用于地面测试，以避免对芯级产生不必要风险，从而较早地触发了发动机关闭，但点火后芯级状态良好。该团队分析了测试数据，清理和修复了发动机，对芯级的热保护系统进行了小的修理，对之前保守的控制逻辑参数进行了更新，还修复了故障的电线束。该电线束导致出现了芯级4号发动机故障信息，但这仅是一个仪表问题，并没有影响发动机工作。
　　该芯级点火测试获得了芯级和发动机在更长工作时间内主推进系统和推力矢量控制系统的数据。本次主要测试及操作内容包括：转变为由芯级飞行计算机和绿色运行测试软件操作的自动发射序列；完成最后倒计时序列，就像发射倒计时；给燃料贮箱加压，向发动机输送推进剂，演示芯级主要推进系统性能；以109的功率启动发动机；操纵推力矢量控制系统来转动发动机。
　　2021年1月16日，用于Artemis1任务的芯级的燃料加注和加压测试，4台RS25发动机点火工作1分钟后关机
　　2021年1月16日，在密西西比州圣路易斯湾附近的NASA斯坦尼斯航天中心进行的一项预定的热火测试中，波音公司为NASA首枚SLS火箭建造的芯级被看到在B2试验台上。在测试过程中，水从试验台流出，产生巨大的蒸汽云。
　　2、第二次
　　2021年3月，波音公司为NASA研制的SLS火箭芯级在NASA斯坦尼斯航天中心完成了第二次点火测试。测试数据证明芯级运行正常，可用于飞行，数据用于为飞行任务提供支持。此次测试中，发动机点火工作了499。6秒，即8分19秒。测试后，该芯级被送往NASA位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心，与猎户座载人飞船、临时低温上面级和固体火箭助推器进行集成，用于执行Artemis1载人绕月任务，为后续载人任务做准备。
　　2021年3月18日，NASA在密西西比州的斯坦尼斯航天中心（StennisSpaceCenter）进行首枚太空发射系统火箭核心阶段的热火测试，蒸汽从B2试验台下滚滚而出
　　3、B2试验台
　　B2试验台高106。7米，由43。9米长的钢筋混凝土固定在地面上，自阿波罗计划（Apollo）时期以来开始使用，经现代化改装加固后，用于2021年1月的SLS火箭芯级的点火测试。此前用于美国土星系列火箭和德尔塔4火箭和航天飞机的测试。当前，B2试验台支架及其灭火和燃料系统已经被翻新，以处理更大更重SLS火箭芯级。
　　SLS火箭测试工作启动之前，B2试验台钢铁已生锈并且设施设备过于陈旧。为SLS火箭测试，NASA对B2试验台进行改造主要有：高压工业水厂每分钟可向B2输送126万升水，比原来的系统每分钟增加了94635升；为了吊装SLS火箭芯级，B2支架上的主吊杆起重机已经延长了15。2米，额定负载增加了177吨，该芯级比早期的土星5火箭级更大、更重；辅助移动提升系统和临时接入平台可以进入芯级的整个外壳。
　　（二）芯级研制与交付
　　1。首枚SLS火箭芯级研制
　　2021年，波音公司向NASA交付了SLS火箭芯级，芯级高65米，重85。275吨。4月，SLS火箭芯级在肯尼迪航天中心的一艘驳船上卸载，并转移到火箭组装大楼。65米长的芯一级将与1个临时低温上级、2个固体火箭助推器、1个运载火箭级适配器和1艘猎户座飞船组成。各团队将准备SLS发射猎户座飞船，在无人驾驶的情况下绕月球飞行。临时低温上级由波音公司与联合发射联盟公司联合研制。6月，SLS火箭芯级被送入肯尼迪航天中心（KSC）运载火箭组装大楼（VAB）的移动发射台。
　　首枚SLS火箭的芯级
　　2021年4月21日，位于斯坦尼斯航天中心的SLS火箭芯级
　　SLS火箭的芯一级抵达肯尼迪航天中心
　　2。喷涂泡沫保护SLS火箭
　　在2021年研制工艺中，波音公司将火箭热保护系统（TPS）应用于SLS火箭芯二级，比芯一级操作更快。SLS火箭表面黄色到橙色的涂层是TPS，即喷雾泡沫。在准备和发射的极端环境中，它用于承受73。3万加仑液氢和液氧推进剂的温度，温度分别为423华氏度和297华氏度。整个芯二级喷涂过程经历了100分钟。对芯二级贮箱圆顶采用了自动化喷涂，此前由于圆顶的复杂几何形状，需要人工喷涂。经历点火测试的芯一级性能稳定，4台发动机点火工作时部分TPS区域被大火烧蚀，后续会进行翻新。
　　波音公司使用3D投影技术进行泡沫修剪，以获得更精确和更高质量的应用。通过工艺改进，热保护泡沫都定制了3D打印模具，可喷涂于之前芯级上无法喷涂的小部件，如发动机和箱间段。模具被安装在复杂外形周围，并充满灌注泡沫，在浇注泡沫固化后取出模具。仍有区域需要手工喷涂，如芯级各部分之间的法兰接口。在3D打印制造工艺下，制造出了300多模具，可以做出复杂的几何形状。
　　SLS火箭采用的泡沫是一种轻质的聚氨酯泡沫材料，足够坚固，能保护火箭的硬件，且足够灵活，能在极端温度下保持其保护密封，未来仍会不断改进。波音公司正在为SLS火箭使用第3代泡沫材料，并开始验证第4代。
　　3。首枚SLS火箭与猎户座飞船对接
　　2021年9月，SLS火箭完成了2项主要测试：脐带释放和收回测试（URRT），以及使用猎户座质量模拟器进行的综合模态测试。脐带缆连接着将火箭芯级、上面级连接至发射塔的电气和流体接口，发射前必须实现无缝释放和收回。4个脐带连接至芯级、级间段、液氧贮箱和液氢贮箱，此外还有2个稳定器固定在前裙上。URRT测试验证了操作时序和功能。波音公司支持测试前后的检查，然后帮助分析数据。SLS火箭还进行了综合模态测试，以确定火箭的全部频率和振动范围，以便飞行软件和导航系统能够在发射和上升过程中安全引导火箭。
　　10月，在佛罗里达州肯尼迪航天中心的火箭装配大楼，携带上面级和航电设备的首枚SLS火箭芯级，在顶部安装了猎户座适配器和猎户座飞船。其中猎户座适配器吊装至临时低温推进级（ICPS）之上，整体高度达到了98米。波音公司还完成了SLS火箭的设计认证审查（DCR），在团队准备发射期间检查所有测试数据、报告和验证，以确保安全的操作条件和可靠性。
　　位于佛罗里达州的NASA肯尼迪航天中心，猎户座飞船吊装于SLS火箭顶部
　　4。其它芯级研制
　　2021年，波音公司在Michoud组装了Artemis2任务SLS火箭芯级的液氧贮箱和级间段，并开始准备安装前裙。波音公司还在Artemis2任务SLS火箭芯级的下半部分工作，包括安装发动机，并对液氢贮箱进行热保护喷涂，并准备最后的组装。当前波音公司研制的用于SLS火箭的5枚芯级每个都将承担独特的飞行任务，相应的每种设备的安装操作也不相同，包括计算机、电池、线路和仪表、推进剂管路和其他系统的集成。
　　8月，联合发射联盟（UnitedLaunchAlliance）公司将第2个临时低温推进级（ICPS）从阿拉巴马州迪凯特（Decatur）的工厂运送到佛罗里达州的设施进行集成，后续将交付NASA。Artemis2任务的SLS火箭在新奥尔良的米丘德（Michoud）组装工厂进行集成。ULA和波音公司在ULA的迪凯特工厂研制了第3个ICPS。同时，波音公司正在研制SLS火箭的第2枚、第3枚和第4枚芯级，以及探索上级（EUS）取代前期的ICPS，从而研制出后续任务使用的SLSBlock1B火箭。
　　Artemis2任务的SLS火箭芯级发动机与部件对接
　　Artemis2任务的火箭临时低温推进级（ICPS）抵达卡纳维拉尔角的太空军站
　　Artemis2任务芯二级液氧贮箱
　　（三）后续工作
　　Artemis1任务之后，会进行首次载人的Artemis2任务。位于新奥尔良的Michoud组装工厂为Artemis2和Artemis3任务制造SLS火箭芯级，通过摩擦搅拌工艺为Artemis3任务的焊接SLS火箭芯级结构。Artemis3任务将使首位女性宇航员和下一位男性宇航员登上月球表面。波音公司研制的探索上面段（EUS）已在Michoud投入生产，用于Artemis计划的远期发射任务。波音公司还在设计研制后续SLS火箭使用的探索上面级。
　　首次SLS火箭发射中，除了无人乘坐的猎户座飞船，ICPS还将部署10个次级有效载荷，猎户座绕月飞行后，会返回地球并溅落海上。SLS火箭未来将向土星的卫星土卫二发射探测器，对其间歇泉进行采样，并在其表面放置科学探测器。SLS火箭还可以用于行星防御，比如可以将大质量物体送到目标，实施动能推动、表面爆炸或者重力牵引，最终重定向威胁地球的小行星。另外，NASA正在论证使用带有探索上面段（EUS）的SLS火箭用于2033年也即下一个火星冲日年完成1次火星飞掠任务。
　　二、载人飞船
　　（一）安装并测试飞船的NASA对接系统（NDS）外壳
　　2021年1月，在佛罗里达州肯尼迪航天中心的组装工厂，CST100星际飞船（Starliner）上安装并测试了一个新的NASA对接系统（NDS）外壳。NDS由波音公司设计研制，是一种标准化的对接系统，可使2个航天器可靠对接并自动形成一个短隧道，以便宇航员可以在2个航天器之间移动。新的外壳将为自动对接系统在重返大气层期间提供额外的保护。在重返大气层期间，太空舱将面临约1650度的温度，然后在美国西部5个着陆点之一着陆。NDS最初是为一次性使用而设计的，然而，增加再入大气层的外壳后，可多次执行任务。
　　发射时，NDS外壳位于乘员舱的半球形上升外壳之下，在上升外壳丢弃后的入轨操作时会暴露在外面。它作为飞船顶部的一个舱口，在与国际空间站上波音制造的国际对接适配器对接时打开，在脱离对接后关闭。NDS外壳于2020年12月安装在未来进行第2次试飞的CST100飞船上，即轨道飞行试验2（OFT2）飞船。
　　NASA对接系统（NDS）外壳在肯尼迪航天中心商业载人和货物处理设施进行功能测试
　　（二）载人着陆点安置
　　鉴于安全考虑，未来宇航员乘坐星际飞船着陆时，要求陆上回收小组必须在大约1小时内将宇航员从太空舱中撤离飞船。星际飞船飞船设计为陆地着陆，在美国西部有5个着陆点，其中2个在新墨西哥州，犹他州、亚利桑那州和加利福尼亚州各有1处。2021年，任务安全工作组与犹他大学健康中心协调犹他州着陆点，亚利桑那大学附属学术医院班纳图森大学医学中心协调亚利桑那州着陆点，爱德华兹空军基地协调加州着陆点。大多数着陆点都非常偏远，在24小时内很可能经历极端的温度变化和对人有严重伤害的野生动物。
　　（三）系统安全验证与演练
　　2021年1月，波音公司完成了星际飞船飞行软件的重新认证，并对未来的任务修改或升级进行了正式审核。通过一系列测试，确认更新后的飞船软件符合设计规范，并在软件集成实验室内进行了数百个案例的静态和动态测试，从单个命令验证到使用核心软件的全面端到端任务场景。
　　5月，波音公司和NASA在波音公司位于休斯顿的航电设备和软件集成实验室（ASIL），使用飞行硬件和飞行软件的最终版本对星际飞船第2次试飞任务进行了持续5天的端到端任务模拟演练，包括完整的发射前、对接、分离和着陆操作。在NASA约翰逊航天中心的飞行控制室里的任务操作小组使用实际的飞行程序指挥了此次演练。演练从发射前26小时开始，并持续至飞船对接国际空间站、站上操作、32小时的电源启动程序，然后脱离、着陆并关闭电源。此次演练让软件与最高保真度的硬件和任务控制器在回路中运行，最大程度接近真实飞行。
　　目前，星际飞船计划在2022年上半年试飞停靠在国际空间站2个可用的端口，但有可能被载人龙飞船、货运龙飞船、或者载人龙商用飞船占用。
　　在佛罗里达州肯尼迪航天中心，未来执行轨道飞行试验2（OFT2）任务的CST100飞船船员舱进行重量和重心测试
　　美国宇航局宇航员巴里威尔莫和迈克芬克通过与模拟器连接的宇航员显示器，在实验室内部监控发射过程每一个动态
　　（四）人体测量测试设备准备第二次飞行
　　2021年6月，波音公司的人体测量测试设备罗西火箭人安装在星际飞船，准备第二次试飞。
　　罗西火箭人是一个重约82千克测试设备，整个体征位于人体身高和体重的中位数，曾在星际飞船首次试飞中提供了数百个关于宇航员飞行中承重的数据，罗西火箭人的第二次飞行用于保持飞船上升、对接、分离和着陆过程中的重心。之前连接到它的15个传感器的航天器数据捕获端口将被用于收集沿座椅托盘放置的传感器的数据，以描述所有4个座位的运动特征。
　　在星际飞船和宇宙神5火箭集成之前，由乘员舱和服务舱组成的星际飞船将被装载到肯尼迪航天中心商业乘员和货物处理设施的重量和重心机上测试，以确保飞船上的罗西火箭人和货物的保持平衡。
　　未来，星际飞船在成功完成第二次试飞后，将首次搭载宇航员飞行。
　　罗西火箭人绑在指挥官的座位上
　　三、卫星系统
　　（一）5G卫星研制
　　2021年2月，位于美国加州埃尔塞贡多的波音卫星系统工厂共有16颗商用卫星正处于不同的开发阶段。其中，包括波音公司为卫星运营商SES公司设计、测试和制造的SES20卫星和SES21卫星，两者均采用小型平台702SP。2022年，这2颗卫星将搭载同1枚火箭发射进入地球静止轨道，清理300兆赫的C波段通信，在整个美国实现5G通信。
　　通过SES20和SES21卫星，美国联邦通信委员会（FCC将清理主要运营频谱，推动美国5G无线运营商业务。这也是FCC5GFAST计划的一部分，该计划是一项促进美国5G行业领导地位的综合性战略。
　　同时，波音公司还在为SES公司研制11颗中地球轨道（MEO）卫星，建成SES公司高度为8000千米的下一代MEO轨道星座。O3bmPOWER系统推出后，能够向电信、海事、航空和能源以及世界各地的政府和机构提供50Mbps到每秒几吉比特速度的连接服务。第一批O3bmPOWER卫星已推迟至2022年发射。
　　（二）波音公司获准开展受保护战术卫星（PTS）下一步研制工作
　　2021年4月，波音公司和诺格公司各自承担的受保护战术卫星（PTS）通信项目获准进入下一阶段研制工作，完成设计、建造、测试，并于2024年将2个有效载荷搭载于军事卫星或商业卫星发射入轨进行在轨演示和操作。
　　PTS项目的后续研制工作将继续全面而公开的竞标。PTS原型作为下一代安全通信卫星的方案选项，未来十年可补充或替换现有的用于高密级通信的先进极高频（AEHF）卫星。
　　美国太空军太空和导弹系统中心曾在2020年2月和3月分别授予波音公司、洛马公司和诺格公司1。91亿美元、2。4亿美元和2。53亿美元的合同，为PTS项目设计有效载荷原型。
　　获得合同后，三家承包商的项目设计接受全面评估，包括有效载荷性能、可扩展性、模块化、可稳定性、成本、进度和风险，并2021年3月完成了评估。
　　（三）FCC批准了波音公司的147颗卫星V波段星座
　　2021年11月，美国联邦通信委员会（FCC）批准了波音公司2017年3月提交的V波段星座申请，允许波音公司开发和运行147颗非地球静止轨道（NGSO）宽带卫星。2017年与波音公司同期提交NGSO申请的还有SpaceX、OneWeb等公司，波音公司是这批申请中最后一家得到FCC结论的公司。
　　按照监管规定，各家需要在6年内将一半的计划卫星发射入轨，星座其余卫星可以在9年内部署完成。波音公司的星座包括132颗轨道高度为1056千米的近地轨道卫星，其余卫星位于2735544221千米之间，将为全球的住宅、商业、机构、政府和企业客户提供服务。
　　波音公司专长于研制地球静止轨道（GEO）大型卫星。为了加强NGSO卫星的研制能力，波音公司在2018年收购了小型卫星专业公司千禧空间系统公司（MillenniumSpaceSystems），以加强在该领域竞争力。
　　与SpaceX公司星链卫星的Ka波段和Ku波段相比，波音公司使用的更高频率的V波段宽带网速更快，但降雨可能会减干扰V波段信号传输。除了允许波音公司在V波段提供卫星服务外，FCC的批准波音公司在部分V波段建立星间链路。然而，FCC驳回了波音公司在Ka波段和V波段其他部分建立星间链路的请求，以避免出现潜在的在轨通信问题。
　　（四）获得GPS卫星未来10年在轨运行保障合同
　　2021年12月，美国太空军授予波音公司1份价值3。293亿美元的合同，未来10年为GPS2F卫星在轨运行提供支持。美国目前在轨服役的31颗GPS卫星中有12颗是GPS2F卫星。GPS2F卫星在2010年至2016年期间发射，取代了1990年至1997年期间发射的GPS2A卫星。2010年，美国空军选择洛马公司研制下一代的GPS3卫星。GPS2F卫星的设计使用寿命为12年，从美国军事和商业卫星在轨运行经验来看，GPS2F卫星的使用寿命预计将超过设计寿命数年。
　　四、国际空间站
　　2021年，波音公司研制的太阳能电池板安装于国际空间站。
　　6月，波音公司研制的2块新型太阳能电池板发射入轨进入国际空间站，并通过站上宇航员3次太空行走完成了安装。旧的太阳能电池板不会被移除了仍将继续使用。
　　新型太阳能电池板长18。6米，宽6。1米，尺寸是旧板的一半，但产生的电能是旧板的2倍。到2023年，国际空间站还会再增加4块新型太阳能电池板，均由波音公司光谱实验室（Spectrolab）研制。在每次6。5小时的太空行走中，任务控制中心的NASA飞行控制人员直接与宇航员协作，并得到国际空间站上16。8米长的机械臂和移动运输装置的协助。该装置能够沿着国际空间站的桁架移动，专门用于将放置设备。
　　新型太阳能电池板可以在发射时紧密地卷起来，由1个无需重型电动机就能自行展开的结构支撑，可利用自身的能量展开，并且其尺寸小，进入轨道后可由国际空间站的机械臂放置好，宇航员可通过太空行走将其带至国际空间站桁架的远端进行安装。
　　这些电池板会受到微流星体碎片撞击和宇宙射线，每天还能承受16次500度的温度变化。当6块新型太阳能电池板都完成安装后，国际空间站发电总功率将增至215千瓦，总供电量提升20到30，可支持更多的科学实验、技术研究、更多宇航员生存以及近地轨道的商业需求。
　　2021年早些时候，NASA在国际空间站上安装了一个安装结构，为波音公司的新太阳能电池板做准备
　　新太阳能电池板安装在国际空间站
　　货运龙飞船发射前装载的2个新型太阳能电池板
　　五、总结分析
　　（一）SLS运载火箭研制进展显著，已具备首飞能力以支撑美国重返月球计划
　　SLS运载火箭研制项目是波音公司当前承担的规模最大的航天系统工程项目，是波音公司航天系统能力建设与发展的重点。2021年，SLS运载火箭在翻新后的B2试验台上完成了2次芯级的静态点火测试，充分验证了系统工作性能，达到预期目标，并且与猎户座飞船完成了对接，后续将进一步开展全系统测试。2021年之前，波音公司研制SLS火箭的进度相对较慢，NASA经费投入非常巨大，已超100亿美元，但由于工程研制进度较慢，导致首飞时间多次推迟。
　　随着美国载人重返月球时间节点的临近，波音公司与NASA加大了研制力度，共同推进工程进度，截至2021年，SLS运载火箭自身基本达到了发射准备状态，具备了在2022年上半年执行首次无人试飞的能力。
　　（二）载人飞船经过持续测试与优化，已具备再次无人试飞能力以支撑美国载人航天能力
　　星际飞船在2019年的无人首飞中因飞行控制系统故障，导致未能对接国际空间站。直到2021年底，NASA与波音公司一直在持续测试并排除故障，同时对飞船系统进行了局部升级。
　　星际飞船的全系统软件模拟演练、飞船着陆点安置、飞船对接系统等均顺利推进，预计在2022年能够完成继2019年之后的第二次无人试飞，若试飞顺利的话便可快速转入载人飞行对接国际空间站。
　　星际飞船是波音公司拥有的仅将于SLS运载火箭的第二大航天系统工程项目，在进度落后于SpaceX公司载人龙飞船的情况下，能否顺利完成第2次无人试飞将决定波音公司在航天领域的地位和前景。
　　（三）中小卫星研制与星座部署项目成为卫星系统领域发展重点
　　目前，全球大卫星系统研制业务普遍减少，中小卫星业务增多，波音公司采取了与洛马公司相似的策略，即在自身具有中小卫星平台的同时，收购研制小卫星平台的公司。
　　波音公司正在通过已有702SP小型卫星平台研制SES20卫星和SES21卫星，通过702X中型卫星平台研制O3bmPOWER卫星，而2018年收购的小型卫星专业公司千禧空间系统公司将在该领域进一步支撑波音公司研制更多类型的微小卫星，研制新申请下来的147颗V波段低轨宽带卫星。
　　波音公司作为传统大型卫星的系统集成商，在全球微小卫星和低轨卫星的趋势下，正在转变其发展思路，预计未来将产出更多中小卫星或微小卫星。