細(xì)數(shù)小型運載火箭的各種省錢大法

文/李宇飛

近些年來，商業(yè)航天尤其是商業(yè)運載火箭的創(chuàng)業(yè)熱潮一浪高過一浪，成為航天產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的新一輪推動力量。然而，航天領(lǐng)域相比于其他行業(yè)，具有投資周期長、資金需求大、技術(shù)門檻高等特點，而如此高的風(fēng)險之下投資的利潤率和回報率卻并不明朗，因此很多公司在創(chuàng)業(yè)初期融資難度很大。

在這種情況下，近些年初創(chuàng)的航天企業(yè)大多選擇低成本的商業(yè)模式，采取規(guī)避高技術(shù)門檻的思路。運載火箭的創(chuàng)業(yè)企業(yè)也是如此，在創(chuàng)業(yè)初期大都將融資壓力沒那么大的小型運載火箭作為第一選擇。小型運載火箭的技術(shù)門檻相對較低，又能全面覆蓋火箭系統(tǒng)的各個研制環(huán)節(jié)，便于快速切入航天發(fā)射服務(wù)市場。

這些公司在自己的產(chǎn)品上增加不同的特色，各出奇招，盡力降低小型運載火箭的制造和發(fā)射成本，以便在這個越來越擁擠的市場中占得一席之地。今天我們就來細(xì)細(xì)地看一看大家在降低小型運載火箭成本上都使出了些什么招數(shù)吧。

▲ 電子號火箭

采用3D打印技術(shù)

我們知道3D打印又叫做增材制造，是近年來迅速走紅的一項技術(shù)。只需要一臺3D打印機，我們就可以把在電腦里繪制的任意復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變?yōu)榭梢灾苯佑|摸到的實物。隨著增材制造所使用的材料由塑料擴展至金屬，3D打印也已經(jīng)成為航天制造業(yè)的一項重要技術(shù)。

仔細(xì)算來，3D打印技術(shù)已經(jīng)有30年的歷史了。最初3D打印技術(shù)僅應(yīng)用于原型設(shè)計領(lǐng)域，用于快速呈現(xiàn)設(shè)計構(gòu)思，進(jìn)而縮短研發(fā)周期。相當(dāng)長時間以來，3D打印作為一種新興的制造工藝，一直存在著一些致命的缺點，比如打印實物的結(jié)構(gòu)中存在孔隙、力學(xué)性能較差、打印過程中存在應(yīng)力變形等。但是近年來隨著技術(shù)的進(jìn)步，形成了從材料到工藝的整套系統(tǒng)化的解決方案，使得3D打印技術(shù)正成為傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要推手。

將3D打印技術(shù)應(yīng)用于運載火箭制造，能夠?qū)崿F(xiàn)制造過程的無人值守化，大大節(jié)省所需人力；能夠節(jié)約傳統(tǒng)制造工藝所需要的大量設(shè)備和工裝；能夠簡化工序，縮短復(fù)雜零部件的制造周期；能夠擺脫傳統(tǒng)制造手段限制，生產(chǎn)更為輕巧的零件。合理應(yīng)用3D打印技術(shù)，將使得未來的運載火箭性能更高、成本更低、生產(chǎn)組織更為靈活。

▲ 火箭實驗室公司的“盧瑟?！币貉趺河桶l(fā)動機

▲ 相對論公司打印設(shè)備

美國太空探索公司于2013年就成功使用鎳鉻高溫合金材料3D打印出了配備在龍飛船上的“超級天龍座”火箭發(fā)動機推力室。該公司于2017年1月成功發(fā)射的“獵鷹9號”運載火箭上也含有大量的3D打印零件，其中包括至關(guān)重要的氧化劑閥體。典型的鑄件制造周期通常以月來計算，而3D打印閥體在兩天內(nèi)就完成了制造。加工處理后的3D打印閥體通過了全面的嚴(yán)格測試，展現(xiàn)出相比于傳統(tǒng)鑄件更優(yōu)的強度、延展性和抗斷裂性。

美國老牌火箭發(fā)動機制造商洛克達(dá)因公司也于2014年宣布，他們用3D打印技術(shù)直接制造了一臺完整的液氧/煤油發(fā)動機，并成功通過測試，推力約為2.3噸。由于制造技術(shù)的改變，這臺發(fā)動機的零部件被合并至只有三個，大大降低了制造成本。該公司為競標(biāo)“火神”火箭而研制的AR1液氧/煤油火箭發(fā)動機，地面推力達(dá)到250噸級，也計劃應(yīng)用3D打印技術(shù)生產(chǎn)主噴注器和預(yù)燃室。僅主噴注器一項，3D打印就把零部件的交貨時間減少了9個月，并降低了70%的成本。

AR1發(fā)動機的競爭對手藍(lán)色起源公司正在開發(fā)BE-4液氧/甲烷發(fā)動機。BE-4火箭發(fā)動機的關(guān)鍵部件氧化劑渦輪泵就設(shè)計使用了大量的3D打印零件。用鋁打印的渦輪泵殼體，以及用鎳合金打印的渦輪，集成了常規(guī)方法難以做到的復(fù)雜的內(nèi)部流動通道。打印的渦輪噴嘴和渦輪轉(zhuǎn)子僅需要很少的后期加工即可滿足配合精度要求。

2017年5月25日在新西蘭成功發(fā)射的“電子號”火箭，它是美國私人公司“火箭實驗室”研制的，所使用“盧瑟?！币貉?煤油發(fā)動機的所有主要部件都是應(yīng)用電子束熔化鈦合金3D打印技術(shù)制造的，包括其發(fā)動機推力室、泵、主推進(jìn)劑閥門和噴注器等。

越來越多的廠家正在利用3D打印技術(shù)來制造運載火箭，而且應(yīng)用的范圍也越來越廣，從單個的零件逐漸應(yīng)用到了復(fù)雜的部組件。美國一家致力于研發(fā)運載火箭的初創(chuàng)公司“相對論空間”公司更是要利用3D打印來生產(chǎn)整枚火箭。

相對論公司已經(jīng)研制出了稱為“星門”的設(shè)備，號稱是全球最大的金屬3D打印機，所用原料是一種專利合金。待制造工藝成熟后，這種裝備能夠快速地擴大規(guī)模和批量生產(chǎn)火箭。該公司的目標(biāo)是要能在60天內(nèi)把原料變成能飛的火箭。

相對論公司還有一種自研的液氧/甲烷發(fā)動機，稱為“永世1”。發(fā)動機推力超過66.7千牛，已按相關(guān)協(xié)議在NASA斯坦尼斯航天中心進(jìn)行過試驗。相對論公司打算研制的火箭稱為“地球人1”，為兩級構(gòu)型?；鸺谝患壓偷诙壏謩e安裝9臺和1臺“永世1”發(fā)動機，低軌運載能力可達(dá)1250千克。

模塊化分解

人類進(jìn)入工業(yè)化社會之后獲得的一個發(fā)現(xiàn)，就是通過產(chǎn)品的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，可以實現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)，進(jìn)而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，降低勞動強度。

模塊化的大規(guī)模生產(chǎn)使得“學(xué)習(xí)曲線”得以實現(xiàn)，不斷提高復(fù)雜產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。生產(chǎn)者重復(fù)同一工作過程，一定會從所經(jīng)歷的作業(yè)中獲得技能并提升效率，即所謂的“熟能生巧”，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)時間以一種遞減的速率下降。

▲ NEPTUNE5小型運載火箭

20世紀(jì)初，福特通過堅持只做T型車一種車型，使得這種車的生產(chǎn)率最終達(dá)到每10秒鐘一輛，價格也降到了使普通民眾都能開上自己的汽車。二戰(zhàn)時期，通過大批量的飛機制造，人們發(fā)現(xiàn)每當(dāng)產(chǎn)量翻倍，用于制造飛機的生產(chǎn)時間就會減少20%。

產(chǎn)品實現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化之后，與產(chǎn)品有關(guān)的維護(hù)、保養(yǎng)等支持服務(wù)活動也能夠標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化，進(jìn)而簡化社會協(xié)作，降低經(jīng)營成本。

到了近代，不僅是制造業(yè)，連快餐店這樣的服務(wù)業(yè)都已經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，最典型的就是我們經(jīng)常見到的麥當(dāng)勞和肯德基。以標(biāo)準(zhǔn)化理念迅速擴張的快餐店，使得去過麥當(dāng)勞的人都相信，無論去到哪一家店，吃到的食品以及享受的服務(wù)，以及就餐的環(huán)境都是一樣的。

▲ 運載器一號運載火箭

模塊化的威力如此巨大，自然運載火箭初創(chuàng)企業(yè)這樣的航天從業(yè)者也不會漠視不理，開始在各種層面上踐行著標(biāo)準(zhǔn)化的思想，努力降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期。

傳統(tǒng)運載火箭為追求運載能力，很多都會在基礎(chǔ)級和上面級選用不同的發(fā)動機類型。但是這需要開發(fā)兩種甚至更多種不同的火箭發(fā)動機，還需要配套研發(fā)適應(yīng)不同燃料組合的貯箱和增壓輸送系統(tǒng)，成本和技術(shù)難度都很高。

美國太空探索公司主打的“獵鷹9”火箭一、二級采用同種燃料組合的同款發(fā)動機的不同版本。同時為了彌補單臺發(fā)動機推力不足的窘境，規(guī)避大推力發(fā)動機開發(fā)的技術(shù)挑戰(zhàn)，火箭一級采用按特定結(jié)構(gòu)并聯(lián)的9臺“梅林”發(fā)動機來獲得足夠的起飛推力。

火箭實驗室公司的電子號小型運載火箭采用了與“獵鷹9”十分類似的設(shè)計，也是二級構(gòu)型，也是9臺發(fā)動機并聯(lián)，也是火箭一、二級共用同款液氧/煤油發(fā)動機的不同版本。

美國的螢火蟲空間系統(tǒng)公司更進(jìn)一步，該公司研發(fā)的“阿爾法”小型運載火箭的一級采用了12臺并聯(lián)的小推力火箭發(fā)動機，把發(fā)動機模塊化推到了更高的高度。

美國軌際系統(tǒng)公司更是將模塊化應(yīng)用到了箭體結(jié)構(gòu)上，設(shè)計了模塊化的NEPTUNE小型運載火箭。該火箭通過捆綁不同數(shù)量的通用模塊，實現(xiàn)不同的運載能力，規(guī)劃的構(gòu)型包括N3、N5、N7、N36，數(shù)字表示通用模塊數(shù)量，310公里的SSO運載能力從15千克-1000千克不等。2014年該公司已經(jīng)完成了通用模塊的飛行試驗。

▲ 螢火蟲空間系統(tǒng)公司的火箭發(fā)動機

▲ 維珍銀河公司的“宇宙女孩”

提高發(fā)射高度

將小型運載火箭用載機或其他方式運送到高空，然后從空中進(jìn)行發(fā)射，可以帶來一系列的好處?？罩邪l(fā)射的小型運載火箭不受地理條件的限制，可從不同的機場起飛和從地球上空任何地點發(fā)射，不僅能夠增加發(fā)射窗口時間，還能擴大軌道傾角范圍?？罩邪l(fā)射的小型運載火箭不需要經(jīng)受低層稠密大氣的影響，火箭的受力較小，便于采用質(zhì)量輕的結(jié)構(gòu)與材料?？罩邪l(fā)射的小型運載火箭不需要耗費提升飛行高度所需要的推進(jìn)劑，重力損失變小，整體推進(jìn)效能更高。在有效載荷一定時，高空發(fā)射運載火箭所需的總速度增量可降低10%-15%。

“飛馬座”是第一種由載機運送到高空并從空中進(jìn)行發(fā)射的運載火箭。“飛馬座”的氣動外形類似飛機，在外形、尺寸、質(zhì)量以及低速釋放動力學(xué)與初始分離彈道等方面都與著名的X-15火箭飛機十分相似。該火箭在設(shè)計初期利用了X-15的設(shè)計與試驗數(shù)據(jù)，縮短了研制周期，節(jié)省了研制費用。

軌道科學(xué)公司在對無翼運載器作過多次模擬試驗后決定采用帶三角翼的火箭方案。三角翼可產(chǎn)生足夠大的升力（超聲速升阻比達(dá)4），使火箭能在較小攻角下（小于20°）飛行，從而使結(jié)構(gòu)應(yīng)力下降。三角翼采用平面形狀能縮小在飛行馬赫數(shù)變化時火箭壓心的移動范圍，最大限度地減少控制問題。采用鈍前緣翼型可減少傳給火箭結(jié)構(gòu)的熱量。削去兩端翼尖則能在一定程度上控制渦流，使升力增大，還能使翼展控制在6.7米的范圍內(nèi)。

飛馬座火箭在設(shè)計上充分利用了經(jīng)過驗證的技術(shù)和美國在固體推進(jìn)、材料及電子等領(lǐng)域的最新成果，因而具有質(zhì)量輕、成本低、簡單可靠和使用靈活方便等優(yōu)點。零件的數(shù)量和總裝工作量少，試驗類型與次數(shù)也被壓縮到最低限度。飛馬座火箭的發(fā)射費用僅為對等的地面發(fā)射火箭的一半，而運載能力卻提高了1倍。

維珍銀河公司也對空射情有獨鐘，正在開發(fā)空射型的“運載器一號”小型運載火箭。維珍銀河公司的“太空船2號”亞軌道飛行旅游飛船同樣采用空中發(fā)射的方式，不過其載機是專門設(shè)計的雙機身構(gòu)型的“白騎士2號”，而“運載器一號”火箭則是用波音747-400通用民航飛機發(fā)射，目前維珍銀河已經(jīng)采購了1架，并命名為“宇宙女孩”。

▲ 為美國平流層發(fā)射公司研制的“世界最大飛機”

“運載器一號”是一款兩級構(gòu)型的小型運載火箭，太陽同步軌道運力約300千克、近地軌道運載能力約500千克。它由載機攜帶到約1萬米高空后進(jìn)行投放，然后一級發(fā)動機點火。大約3分鐘后，二級點火直至將有效載荷送入預(yù)定軌道，這個時間大約需要6分鐘。

美國平流層發(fā)射公司也計劃使用大型飛機作為空中發(fā)射平臺，攜帶運載火箭在高空發(fā)射，將衛(wèi)星等設(shè)備送入地球軌道。為此研制的“世界最大飛機”，采用雙機身設(shè)計，機長73米，高15米，翼展117米，尾部距地面57米高。由于機身龐大，設(shè)計團(tuán)隊為其安裝了6臺波音747飛機配備的發(fā)動機提供動力。該機最大起飛重量接近590噸，有效載荷重量超過226噸，不過飛行速度和續(xù)航能力不算突出，僅有10小時滯空時間和1800公里左右的有效航程。

▲ 零至無窮公司的bloostar

按照其設(shè)想，平流層發(fā)射公司的飛機起飛后，經(jīng)過20分鐘爬升后到達(dá)一萬米左右高空進(jìn)入巡航狀態(tài)。當(dāng)接到地面指令后，飛機迅速調(diào)整飛行姿態(tài)，以合適的仰角釋放機上搭載的運載火箭，火箭發(fā)射后，很快將衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。2019年4月13日清晨，這架大型飛機從美國莫哈韋航空航天港起飛，在沙漠上空進(jìn)行了一段時長150分鐘、時速304公里/小時的試飛后，安全返回機場著陸，成功完成首飛任務(wù)。

西班牙的零至無窮公司更加別出心裁，提出了利用高空氣球發(fā)射小型運載火箭的Bloostar方案。Bloostar為三級火箭，配備以液氧和煤油為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機，設(shè)計用于將小衛(wèi)星送至近地軌道。在其標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)射任務(wù)中，氣球?qū)袯loostar提升至大氣密度只有地面5%的高空，隨后火箭點火，將75千克重的衛(wèi)星運送至高度600公里的太陽同步軌道。這項新技術(shù)可以更加靈活地發(fā)射小衛(wèi)星。射前地面準(zhǔn)備時間只需要2周，可以大幅降低成本提高發(fā)射頻率。不過和飛機空中發(fā)射相比，這種方案并不能給火箭級提供初始速度，實際的效果可能會打折扣。