波音公司2021年航天發展研究

【全球三大宇航防務公司2021年航天發展研究（三）】

波音公司2021年航天發展研究

文 | 張京男

本文刊登於《衛星與網路》雜誌2022年4期

2021年，波音公司在航天領域的發展雖然並未完全扭轉頹勢，但在登月運載火箭和載人飛船等重要系統工程項目中取得了顯著進展，為美國重返月球和載人航天發展提供了重要支撐。

一、運載火箭

波音公司作為NASA「阿爾忒彌斯」（Artemis）重返月球計劃SLS火箭的主承包商，研製了火箭的芯級、上面級和航電設備。

（一）SLS火箭芯級靜態點火測試

2021年，首個執行發射任務的SLS火箭的芯級完成了2次靜態點火測試。為開展點火測試，波音公司組建了一個測試團隊，成員是來自全國各地、公司內外的熟練航空電子設備、液壓、推進系統、地面電子設備和測試的專家。包括：波音公司、NASA和Aerojet Rocketdyne公司等，擁有從火箭、太空梭、衛星發射到測試的技術優勢。

1、第一次

2021年1月，NASA、波音公司和Aerojet Rocketdyne公司在密西西比州的斯坦尼斯航天中心（Stennis Space Center）B-2試驗台對參與SLS火箭首飛的芯級進行了首次點火測試。芯級的燃料加註和增壓過程中，4台由Aerojet Rocketdyne公司製造的RS-25發動機完成了67.2秒點火測試，而收集火箭重要數據最少需要大約4分鐘，實際飛行中需要工作8分鐘。

波音公司表示，為了確保該芯級的安全，特意將測試參數設計得比較保守且僅適用於地面測試，以避免對芯級產生不必要風險，從而較早地觸發了發動機關閉，但點火後芯級狀態良好。該團隊分析了測試數據，清理和修復了發動機，對芯級的熱保護系統進行了小的修理，對之前保守的控制邏輯參數進行了更新，還修復了故障的電線束。該電線束導致出現了芯級4號發動機故障信息，但這僅是一個儀錶問題，並沒有影響發動機工作。

該芯級點火測試獲得了芯級和發動機在更長工作時間內主推進系統和推力矢量控制系統的數據。本次主要測試及操作內容包括：轉變為由芯級飛行計算機和「綠色運行」測試軟體操作的自動發射序列；完成最後倒計時序列，就像發射倒計時；給燃料貯箱加壓，向發動機輸送推進劑，演示芯級主要推進系統性能；以109%的功率啟動發動機；操縱推力矢量控制系統來轉動發動機。

2021年1月16日，用於Artemis 1任務的芯級的燃料加註和加壓測試，4台RS-25發動機點火工作1分鐘後關機

2021年1月16日，在密西西比州聖路易斯灣附近的NASA斯坦尼斯航天中心進行的一項預定的熱火測試中，波音公司為NASA首枚SLS火箭建造的芯級被看到在B-2試驗台上。在測試過程中，水從試驗台流出，產生巨大的蒸汽雲。

2、第二次

2021年3月，波音公司為NASA研製的SLS火箭芯級在NASA斯坦尼斯航天中心完成了第二次點火測試。測試數據證明芯級運行正常，可用于飛行，數據用於為飛行任務提供支持。此次測試中，發動機點火工作了499.6秒，即8分19秒。測試後，該芯級被送往NASA位於佛羅里達州的肯尼迪航天中心，與「獵戶座」載人飛船、臨時低溫上面級和固體火箭助推器進行集成，用於執行Artemis 1載人繞月任務，為後續載人任務做準備。

2021年3月18日，NASA在密西西比州的斯坦尼斯航天中心（Stennis Space Center）進行首枚太空發射系統火箭核心階段的熱火測試，蒸汽從B-2試驗台下滾滾而出

3、B-2試驗台

B-2試驗台高106.7米，由43.9米長的鋼筋混凝土固定在地面上，自「阿波羅」計劃（Apollo）時期以來開始使用，經現代化改裝加固後，用於2021年1月的SLS火箭芯級的點火測試。此前用於美國「土星」系列火箭和「德爾塔4」火箭和太空梭的測試。當前，B-2試驗台支架及其滅火和燃料系統已經被翻新，以處理更大更重SLS火箭芯級。

SLS火箭測試工作啟動之前， B-2試驗台鋼鐵已生鏽並且設施設備過於陳舊。為SLS火箭測試，NASA對B-2試驗台進行改造主要有：高壓工業水廠每分鐘可向B-2輸送126萬升水，比原來的系統每分鐘增加了94635升；為了吊裝SLS火箭芯級，B-2支架上的主吊杆起重機已經延長了15.2米，額定負載增加了177噸，該芯級比早期的「土星5」火箭級更大、更重；輔助移動提升系統和臨時接入平台可以進入芯級的整個外殼。

（二）芯級研製與交付

1.首枚SLS火箭芯級研製

2021年，波音公司向NASA交付了SLS火箭芯級，芯級高65米，重85.275噸。4月，SLS火箭芯級在肯尼迪航天中心的一艘駁船上卸載，並轉移到火箭組裝大樓。65米長的芯一級將與1個臨時低溫上級、2個固體火箭助推器、1個運載火箭級適配器和1艘「獵戶座」飛船組成。各團隊將準備SLS發射獵戶座飛船，在無人駕駛的情況下繞月球飛行。臨時低溫上級由波音公司與聯合發射聯盟公司聯合研製。6月，SLS火箭芯級被送入肯尼迪航天中心（KSC）運載火箭組裝大樓（VAB）的移動發射台。

首枚SLS火箭的芯級

2021年4月21日，位於斯坦尼斯航天中心的SLS火箭芯級

SLS火箭的芯一級抵達肯尼迪航天中心

2.噴塗泡沫保護SLS火箭

在2021年研製工藝中，波音公司將火箭熱保護系統（TPS）應用於SLS火箭芯二級，比芯一級操作更快。SLS火箭表面黃色到橙色的塗層是TPS，即噴霧泡沫。在準備和發射的極端環境中，它用於承受73.3萬加侖液氫和液氧推進劑的溫度，溫度分別為-423華氏度和-297華氏度。整個芯二級噴塗過程經歷了100分鐘。對芯二級貯箱圓頂採用了自動化噴塗，此前由於圓頂的複雜幾何形狀，需要人工噴塗。經歷點火測試的芯一級性能穩定，4台發動機點火工作時部分TPS區域被大火燒蝕，後續會進行翻新。

波音公司使用3D投影技術進行泡沫修剪，以獲得更精確和更高質量的應用。通過工藝改進，熱保護泡沫都定製了3D列印模具，可噴塗於之前芯級上無法噴塗的小部件，如發動機和箱間段。模具被安裝在複雜外形周圍，並充滿灌注泡沫，在澆注泡沫固化後取出模具。仍有區域需要手工噴塗，如芯級各部分之間的法蘭介面。在3D列印製造工藝下，製造出了300多模具，可以做出複雜的幾何形狀。

SLS火箭採用的泡沫是一種輕質的聚氨酯泡沫材料，足夠堅固，能保護火箭的硬體，且足夠靈活，能在極端溫度下保持其保護密封，未來仍會不斷改進。波音公司正在為SLS火箭使用第3代泡沫材料，並開始驗證第4代。

3.首枚SLS火箭與「獵戶座」飛船對接

2021年9月，SLS火箭完成了2項主要測試：臍帶釋放和收回測試（URRT），以及使用「獵戶座」質量模擬器進行的綜合模態測試。臍帶纜連接著將火箭芯級、上面級連接至發射塔的電氣和流體介面，發射前必須實現無縫釋放和收回。4個臍帶連接至芯級、級間段、液氧貯箱和液氫貯箱，此外還有2個穩定器固定在前裙上。URRT測試驗證了操作時序和功能。波音公司支持測試前後的檢查，然後幫助分析數據。SLS火箭還進行了綜合模態測試，以確定火箭的全部頻率和振動範圍，以便飛行軟體和導航系統能夠在發射和上升過程中安全引導火箭。

10月，在佛羅里達州肯尼迪航天中心的火箭裝配大樓，攜帶上面級和航電設備的首枚SLS火箭芯級，在頂部安裝了「獵戶座」適配器和「獵戶座」飛船。其中「獵戶座」適配器吊裝至臨時低溫推進級（ICPS）之上，整體高度達到了98米。波音公司還完成了SLS火箭的設計認證審查（DCR），在團隊準備發射期間檢查所有測試數據、報告和驗證，以確保安全的操作條件和可靠性。

位於佛羅里達州的NASA肯尼迪航天中心，「獵戶座」飛船吊裝於SLS火箭頂部

4.其它芯級研製

2021年，波音公司在Michoud組裝了Artemis 2任務SLS火箭芯級的液氧貯箱和級間段，並開始準備安裝前裙。波音公司還在Artemis 2任務SLS火箭芯級的下半部分工作，包括安裝發動機，並對液氫貯箱進行熱保護噴塗，並準備最後的組裝。當前波音公司研製的用於SLS火箭的5枚芯級每個都將承擔獨特的飛行任務，相應的每種設備的安裝操作也不相同，包括計算機、電池、線路和儀錶、推進劑管路和其他系統的集成。

8月，聯合發射聯盟（United Launch Alliance）公司將第2個臨時低溫推進級（ICPS）從阿拉巴馬州迪凱特（Decatur）的工廠運送到佛羅里達州的設施進行集成，後續將交付NASA。Artemis 2任務的SLS火箭在新奧爾良的「米丘德」（Michoud）組裝工廠進行集成。ULA和波音公司在ULA的迪凱特工廠研製了第3個ICPS。同時，波音公司正在研製SLS火箭的第2枚、第3枚和第4枚芯級，以及探索上級（EUS）取代前期的ICPS，從而研製出後續任務使用的SLS Block 1B火箭。

Artemis 2任務的SLS火箭芯級發動機與部件對接

Artemis 2任務的火箭臨時低溫推進級（ICPS）抵達卡納維拉爾角的太空軍站

Artemis 2任務芯二級液氧貯箱

（三）後續工作

Artemis 1任務之後，會進行首次載人的Artemis 2任務。位於新奧爾良的Michoud組裝工廠為Artemis 2和Artemis 3任務製造SLS火箭芯級，通過摩擦攪拌工藝為Artemis 3任務的焊接SLS火箭芯級結構。Artemis 3任務將使首位女性宇航員和下一位男性宇航員登上月球表面。波音公司研製的探索上面段（EUS）已在Michoud投入生產，用於Artemis計劃的遠期發射任務。波音公司還在設計研製後續SLS火箭使用的探索上面級。

首次SLS火箭發射中，除了無人乘坐的「獵戶座」飛船，ICPS還將部署10個次級有效載荷，「獵戶座」繞月飛行後，會返回地球並濺落海上。SLS火箭未來將向土星的衛星土衛二發射探測器，對其間歇泉進行採樣，並在其表面放置科學探測器。SLS火箭還可以用於行星防禦，比如可以將大質量物體送到目標，實施動能推動、表面爆炸或者重力牽引，最終重定向威脅地球的小行星。另外，NASA正在論證使用帶有探索上面段（EUS）的SLS火箭用於2033年也即下一個火星沖日年完成1次火星飛掠任務。

二、載人飛船

（一）安裝並測試飛船的NASA對接系統（NDS）外殼

2021年1月，在佛羅里達州肯尼迪航天中心的組裝工廠，CST-100「星際飛船」（Starliner）上安裝並測試了一個新的NASA對接系統（NDS）外殼。NDS由波音公司設計研製，是一種標準化的對接系統，可使2個航天器可靠對接並自動形成一個短隧道，以便宇航員可以在2個航天器之間移動。新的外殼將為自動對接系統在重返大氣層期間提供額外的保護。在重返大氣層期間，太空艙將面臨約1650度的溫度，然後在美國西部5個著陸點之一著陸。NDS最初是為一次性使用而設計的，然而，增加再入大氣層的外殼後，可多次執行任務。

發射時，NDS外殼位於乘員艙的半球形「上升外殼」之下，在「上升外殼」丟棄後的入軌操作時會暴露在外面。它作為飛船頂部的一個艙口，在與國際空間站上波音製造的國際對接適配器對接時打開，在脫離對接後關閉。NDS外殼於2020年12月安裝在未來進行第2次試飛的CST-100飛船上，即「軌道飛行試驗-2」（OFT-2）飛船。

NASA對接系統（NDS）外殼在肯尼迪航天中心商業載人和貨物處理設施進行功能測試

（二）載人著陸點安置

鑒於安全考慮，未來宇航員乘坐「星際飛船」著陸時，要求陸上回收小組必須在大約1小時內將宇航員從太空艙中撤離飛船。「星際飛船」飛船設計為陸地著陸，在美國西部有5個著陸點，其中2個在新墨西哥州，猶他州、亞利桑那州和加利福尼亞州各有1處。2021年，任務安全工作組與猶他大學健康中心協調猶他州著陸點，亞利桑那大學附屬學術醫院班納-圖森大學醫學中心協調亞利桑那州著陸點，愛德華茲空軍基地協調加州著陸點。大多數著陸點都非常偏遠，在24小時內很可能經歷極端的溫度變化和對人有嚴重傷害的野生動物。

（三）系統安全驗證與演練

2021年1月，波音公司完成了「星際飛船」飛行軟體的重新認證，並對未來的任務修改或升級進行了正式審核。通過一系列測試，確認更新後的飛船軟體符合設計規範，並在軟體集成實驗室內進行了數百個案例的靜態和動態測試，從單個命令驗證到使用核心軟體的全面端到端任務場景。

5月，波音公司和NASA在波音公司位於休斯頓的航電設備和軟體集成實驗室（ASIL），使用飛行硬體和飛行軟體的最終版本對「星際飛船」第2次試飛任務進行了持續5天的端到端任務模擬演練，包括完整的發射前、對接、分離和著陸操作。在NASA約翰遜航天中心的飛行控制室里的任務操作小組使用實際的飛行程序指揮了此次演練。演練從發射前26小時開始，並持續至飛船對接國際空間站、站上操作、32小時的電源啟動程序，然後脫離、著陸並關閉電源。此次演練讓軟體與最高保真度的硬體和任務控制器在迴路中運行，最大程度接近真實飛行。

目前，「星際飛船」計劃在2022年上半年試飛停靠在國際空間站2個可用的埠，但有可能被「載人龍」飛船、「貨運龍」飛船、或者「載人龍」商用飛船佔用。

在佛羅里達州肯尼迪航天中心，未來執行「軌道飛行試驗-2」（OFT-2）任務的CST-100飛船船員艙進行重量和重心測試

美國宇航局宇航員巴里·威爾莫和邁克·芬克通過與模擬器連接的宇航員顯示器，在實驗室內部監控發射過程每一個動態

（四）人體測量測試設備準備第二次飛行

2021年6月，波音公司的人體測量測試設備「羅西火箭人」安裝在「星際飛船」，準備第二次試飛。

「羅西火箭人」是一個重約82千克測試設備，整個體征位於人體身高和體重的中位數,曾在「星際飛船」首次試飛中提供了數百個關於宇航員飛行中承重的數據，「羅西火箭人」的第二次飛行用於保持飛船上升、對接、分離和著陸過程中的重心。之前連接到它的15個感測器的航天器數據捕獲埠將被用於收集沿座椅托盤放置的感測器的數據，以描述所有4個座位的運動特徵。

在「星際飛船」和「宇宙神5」火箭集成之前，由乘員艙和服務艙組成的星際飛船將被裝載到肯尼迪航天中心商業乘員和貨物處理設施的重量和重心機上測試，以確保飛船上的「羅西火箭人」和貨物的保持平衡。

未來，「星際飛船」在成功完成第二次試飛後，將首次搭載宇航員飛行。

「羅西火箭人」綁在指揮官的座位上

三、衛星系統

（一）5G衛星研製

2021年2月，位於美國加州埃爾塞貢多的波音衛星系統工廠共有16顆商用衛星正處於不同的開發階段。其中，包括波音公司為衛星運營商SES公司設計、測試和製造的SES-20衛星和SES-21衛星，兩者均採用小型平台702SP。2022年，這2顆衛星將搭載同1枚火箭發射進入地球靜止軌道，清理300兆赫的C波段通信，在整個美國實現5G通信。

通過SES-20和SES-21衛星，美國聯邦通信委員會（FCC將清理主要運營頻譜，推動美國5G無線運營商業務。這也是FCC「5G FAST」計劃的一部分，該計劃是一項促進美國5G行業領導地位的綜合性戰略。

同時，波音公司還在為SES公司研製11顆中地球軌道（MEO）衛星，建成SES公司高度為8000千米的下一代MEO軌道星座。O3b mPOWER系統推出後，能夠向電信、海事、航空和能源以及世界各地的政府和機構提供50 Mbps到每秒幾吉比特速度的連接服務。第一批O3b mPOWER衛星已推遲至2022年發射。

（二）波音公司獲准開展受保護戰術衛星（PTS）下一步研製工作

2021年4月，波音公司和諾格公司各自承擔的受保護戰術衛星（PTS）通信項目獲准進入下一階段研製工作，完成設計、建造、測試，並於2024年將2個有效載荷搭載於軍事衛星或商業衛星發射入軌進行在軌演示和操作。

PTS項目的後續研製工作將繼續全面而公開的競標。PTS原型作為下一代安全通信衛星的方案選項，未來十年可補充或替換現有的用於高密級通信的先進極高頻（AEHF）衛星。

美國太空軍太空和導彈系統中心曾在2020年2月和3月分別授予波音公司、洛馬公司和諾格公司1.91億美元、2.4億美元和2.53億美元的合同，為PTS項目設計有效載荷原型。

獲得合同後，三家承包商的項目設計接受全面評估，包括有效載荷性能、可擴展性、模塊化、可穩定性、成本、進度和風險，並2021年3月完成了評估。

（三）FCC批准了波音公司的147顆衛星V波段星座

2021年11月，美國聯邦通信委員會（FCC）批准了波音公司2017年3月提交的V波段星座申請，允許波音公司開發和運行147顆非地球靜止軌道（NGSO）寬頻衛星。2017年與波音公司同期提交NGSO申請的還有SpaceX、OneWeb等公司，波音公司是這批申請中最後一家得到FCC結論的公司。

按照監管規定，各家需要在6年內將一半的計劃衛星發射入軌，星座其餘衛星可以在9年內部署完成。波音公司的星座包括132顆軌道高度為1056千米的近地軌道衛星，其餘衛星位於27355～44221千米之間，將為全球的住宅、商業、機構、政府和企業客戶提供服務。

波音公司專長於研製地球靜止軌道（GEO）大型衛星。為了加強NGSO衛星的研製能力，波音公司在2018年收購了小型衛星專業公司千禧空間系統公司（Millennium Space Systems），以加強在該領域競爭力。

與SpaceX公司「星鏈」衛星的Ka波段和Ku波段相比，波音公司使用的更高頻率的V波段寬頻網速更快，但降雨可能會減干擾V波段信號傳輸。除了允許波音公司在V波段提供衛星服務外，FCC的批准波音公司在部分V波段建立星間鏈路。然而，FCC駁回了波音公司在Ka波段和V波段其他部分建立星間鏈路的請求，以避免出現潛在的在軌通信問題。

（四）獲得GPS衛星未來10年在軌運行保障合同

2021年12月，美國太空軍授予波音公司1份價值3.293億美元的合同，未來10年為GPS-2F衛星在軌運行提供支持。美國目前在軌服役的31顆GPS衛星中有12顆是GPS-2F衛星。GPS-2F衛星在2010年至2016年期間發射，取代了1990年至1997年期間發射的GPS-2A衛星。2010年，美國空軍選擇洛馬公司研製下一代的GPS-3衛星。GPS-2F衛星的設計使用壽命為12年，從美國軍事和商業衛星在軌運行經驗來看，GPS-2F衛星的使用壽命預計將超過設計壽命數年。

四、國際空間站

2021年，波音公司研製的太陽能電池板安裝於國際空間站。

6月，波音公司研製的2塊新型太陽能電池板發射入軌進入國際空間站，並通過站上宇航員3次太空行走完成了安裝。舊的太陽能電池板不會被移除了仍將繼續使用。

新型太陽能電池板長18.6米，寬6.1米，尺寸是舊板的一半，但產生的電能是舊板的2倍。到2023年，國際空間站還會再增加4塊新型太陽能電池板，均由波音公司光譜實驗室（Spectrolab）研製。在每次6.5小時的太空行走中，任務控制中心的NASA飛行控制人員直接與宇航員協作，並得到國際空間站上16.8米長的機械臂和移動運輸裝置的協助。該裝置能夠沿著國際空間站的桁架移動，專門用於將放置設備。

新型太陽能電池板可以在發射時緊密地捲起來，由1個無需重型電動機就能自行展開的結構支撐，可利用自身的能量展開，並且其尺寸小，進入軌道後可由國際空間站的機械臂放置好，宇航員可通過太空行走將其帶至國際空間站桁架的遠端進行安裝。

這些電池板會受到微流星體碎片撞擊和宇宙射線，每天還能承受16次500度的溫度變化。當6塊新型太陽能電池板都完成安裝後，國際空間站發電總功率將增至215千瓦，總供電量提升20%到30%，可支持更多的科學實驗、技術研究、更多宇航員生存以及近地軌道的商業需求。

2021年早些時候，NASA在國際空間站上安裝了一個安裝結構，為波音公司的新太陽能電池板做準備

新太陽能電池板安裝在國際空間站

「貨運龍」飛船發射前裝載的2個新型太陽能電池板

五、總結分析

（一）SLS運載火箭研製進展顯著，已具備首飛能力以支撐美國重返月球計劃

SLS運載火箭研製項目是波音公司當前承擔的規模最大的航天系統工程項目，是波音公司航天系統能力建設與發展的重點。2021年，SLS運載火箭在翻新後的B-2試驗台上完成了2次芯級的靜態點火測試，充分驗證了系統工作性能，達到預期目標，並且與「獵戶座」飛船完成了對接，後續將進一步開展全系統測試。2021年之前，波音公司研製SLS火箭的進度相對較慢，NASA經費投入非常巨大，已超100億美元，但由於工程研製進度較慢，導致首飛時間多次推遲。

隨著美國載人重返月球時間節點的臨近，波音公司與NASA加大了研製力度，共同推進工程進度，截至2021年，SLS運載火箭自身基本達到了發射準備狀態，具備了在2022年上半年執行首次無人試飛的能力。

（二）載人飛船經過持續測試與優化，已具備再次無人試飛能力以支撐美國載人航天能力

「星際飛船」在2019年的無人首飛中因飛行控制系統故障，導致未能對接國際空間站。直到2021年底，NASA與波音公司一直在持續測試並排除故障，同時對飛船系統進行了局部升級。

「星際飛船」的全系統軟體模擬演練、飛船著陸點安置、飛船對接系統等均順利推進，預計在2022年能夠完成繼2019年之後的第二次無人試飛，若試飛順利的話便可快速轉入載人飛行對接國際空間站。

「星際飛船」是波音公司擁有的僅將於SLS運載火箭的第二大航天系統工程項目，在進度落後於SpaceX公司「載人龍」飛船的情況下，能否順利完成第2次無人試飛將決定波音公司在航天領域的地位和前景。

（三）中小衛星研製與星座部署項目成為衛星系統領域發展重點

目前，全球大衛星系統研製業務普遍減少，中小衛星業務增多，波音公司採取了與洛馬公司相似的策略，即在自身具有中小衛星平台的同時，收購研製小衛星平台的公司。

波音公司正在通過已有702SP小型衛星平台研製SES-20衛星和SES-21衛星，通過702X中型衛星平台研製O3b mPOWER衛星，而2018年收購的小型衛星專業公司千禧空間系統公司將在該領域進一步支撐波音公司研製更多類型的微小衛星，研製新申請下來的147顆V波段低軌寬頻衛星。

波音公司作為傳統大型衛星的系統集成商，在全球微小衛星和低軌衛星的趨勢下，正在轉變其發展思路，預計未來將產出更多中小衛星或微小衛星。