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【文/觀察者網(wǎng)專欄作者 流紋巖】

6月26日，美國諾斯洛普·格魯曼公司進行了“助推器換代和壽命延長”（Booster Obsolescence and Life Extension，BOLE）助推器的“演示發(fā)動機-1”（Demonstration Motor-1）地面試驗。這是人類有史以來第二大的固體火箭點火實驗，計劃點火140秒，地點位于美國猶他州普羅蒙特里生產(chǎn)和測試基地試驗場。

諾斯洛普·格魯曼公司為BOLE助推器設(shè)置了763個測點以檢測發(fā)動機性能，并安裝了二氧化碳熄火系統(tǒng)，以保證關(guān)機后助推器的安全，避免余藥引燃試驗臺等現(xiàn)象。但即使做了大量準(zhǔn)備，BOLE還是在接近關(guān)機的時候出現(xiàn)了異常。

根據(jù)試車情況分析，BOLE助推器點火后101秒，位于天頂面的喉部下側(cè)首先燒穿，噴出了火焰。隨后當(dāng)?shù)孛鎴蟪觥包c火110秒”的幾乎同一時刻，BOLE的噴管破裂并飛出，而發(fā)動機繼續(xù)點火直至其內(nèi)部的固體推進劑燃盡。

BOLE尾噴管崩落的瞬間

BOLE是用于替代目前“太空發(fā)射系統(tǒng)”的5.5段式“五段重復(fù)使用固體火箭”（RSRMV），后者又繼承自航天飛機“重復(fù)使用固體火箭”（RSRM），采用相對古老的鋼制殼體和TP-H1148型聚丁二烯丙烯腈固體推進劑。

目前，“太空發(fā)射系統(tǒng)”仍然在使用航天飛機時代的固體火箭助推器，但并不計劃回收這些殼體，剩余的殼體將支持至該火箭執(zhí)行第八次飛行任務(wù)。BOLE將從第九次任務(wù)中加入“太空發(fā)射系統(tǒng)”，以形成Block 2型火箭。

為了實現(xiàn)目標(biāo)，BOLE使用了先進的T1100碳纖維殼體和端羥基聚丁二烯固體推進劑，可產(chǎn)生超過1800噸的地面推力，并增加3.9%的比沖和11%的總沖，這能夠?qū)ⅰ疤瞻l(fā)射系統(tǒng)”的奔月軌道運載能力提高至46噸以上。

廠房中的BOLE助推器分段

雖然BOLE計劃使用T1100高性能碳纖維殼體，但“演示發(fā)動機-1”的殼體使用性能稍差的IM7/T300碳纖維，后續(xù)會更換為T1100，而BOLE助推器的前后端頭仍然采用鋼結(jié)構(gòu)，因為NASA希望能夠保證一定的余量。BOLE通過優(yōu)化藥形以減小火箭的最大動壓，優(yōu)化氣動條件等，還重新設(shè)計了分離機構(gòu)并修改了助推分離方向等。

此外，BOLE還使用電液伺服取代了RSRMV的液壓伺服，以減少質(zhì)量和復(fù)雜度。更大的推力將BOLE的噴管直徑從RSRMV的3.9米提高至4.4米，諾斯洛普·格魯曼公司為此開發(fā)了由棕色玻璃酚醛復(fù)合材料制成的噴管。

此次試驗是BOLE兩次地面試驗之一，諾斯洛普·格魯曼公司專門將固體推進劑的溫度降低至15攝氏度，以評估在環(huán)境條件下的響應(yīng)，后續(xù)試驗還將評估BOLE在冷熱環(huán)境下的性能。

BOLE的分離方向?qū)⒏愃啤按罅ι?4”

諾斯羅普·格魯曼公司推進系統(tǒng)副總裁吉姆·卡爾貝勒表示：“今天的測試突破了大型固體火箭發(fā)動機設(shè)計的極限，以滿足嚴(yán)格的性能要求。雖然發(fā)動機在嚴(yán)苛的燃燒環(huán)境下表現(xiàn)良好，但我們在兩分多鐘的燃燒即將結(jié)束時觀察到了異常。作為一種全新設(shè)計，也是迄今為止建造的最大分段式固體火箭助推器，此次測試為我們提供了寶貴的數(shù)據(jù)，以便我們在未來的設(shè)計中不斷迭代改進。”

2024年上半年推出的第一段BOLE助推器

然而，這并不是該類固體火箭發(fā)動機的首次異常。

2019年5月29日，諾斯洛普·格魯曼公司研制以競標(biāo)“國家安全太空發(fā)射”的OmegA運載火箭中型構(gòu)型一級火箭Castor-600固體火箭發(fā)動機進行了地面試驗，在接近發(fā)動機關(guān)機時也出現(xiàn)了噴管破裂剝落的現(xiàn)象。原因來自于地面試驗和實際飛行環(huán)境的不同，固體火箭發(fā)動機接近關(guān)機的時候推力會迅速下降，噴管內(nèi)壓力也會隨之降低。隨著Castor-600發(fā)動機接近關(guān)機，噴管壓力迅速降低至小于一個大氣壓，導(dǎo)致外部的大氣壓力向內(nèi)壓碎了噴管。

在實際飛行過程中，由于關(guān)機時火箭已經(jīng)位于數(shù)十公里的高空，外部稀薄的氣壓并不足以壓爆噴管，因此也并不能算是特別大的問題，但諾格還是根據(jù)情況進行了改進。2020年的二級Castor-300發(fā)動機試車中，噴管沒有再發(fā)生問題，證明了改進方案的合理性。

OmegA一級Castor-600地面點火實驗

2019年OmegA火箭一級Castor-600試驗后噴管破裂

2020年OmegA火箭二級Castor-300試驗獲得成功

2021年，NASA將BOLE的合同授予了諾斯洛普·格魯曼公司，由于和Omega-I/H的通用核心級（CBS）均采用復(fù)合材料殼體，其技術(shù)都來自于1980年代NASA開發(fā)的“纖維纏繞殼體”（FWC），而為OmegA火箭研發(fā)的新型柔性密封系統(tǒng)、高噴管效率型面、復(fù)合材料噴管、電液伺服驅(qū)動機構(gòu)等技術(shù)也可以直接用于BOLE，降低了BOLE開發(fā)的風(fēng)險。