2008年美國航宇局（NASA）和兩家公司正式簽訂了商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同，其中之一的太空探索公司先發(fā)制人，不僅率先完成了“獵鷹”9號火箭的研制和試飛，而且開始向國際空間站發(fā)射貨運(yùn)飛船，執(zhí)行正式的貨運(yùn)補(bǔ)給任務(wù)。軌道科學(xué)公司雖然進(jìn)度較為落后，但也并非庸手，今年4月21日，軌道科學(xué)公司“天蝎座a”（Antares）運(yùn)載火箭也成功進(jìn)行了首次試驗(yàn)飛行，將一個(gè)模擬“天鵝座”（Cygnus）飛船的載荷送入軌道，這次飛行將為后續(xù)的“天鵝座”貨運(yùn)飛船試驗(yàn)飛行和執(zhí)行實(shí)際的貨運(yùn)補(bǔ)給發(fā)射合同鋪平道路。

全球采購控制成本

“天蝎座Q”火箭原名“金牛座”II（Taurus II）型火箭，是一種設(shè)計(jì)上追求廉價(jià)可靠的運(yùn)載火箭，主要用于執(zhí)行發(fā)射“天鵝座”貨運(yùn)飛船的任務(wù)，它的基本型號使用二級運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)，也有擴(kuò)展為三級運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)。火箭長度約40.5米，箭體直徑3.9米，起飛質(zhì)量約240噸，地球低軌道運(yùn)載能力超過5噸，是軌道科學(xué)公司研制的運(yùn)載能力最大的運(yùn)載火箭，不過仍屬于典型的中型運(yùn)載火箭。

“天蝎座a”火箭滿足NASA運(yùn)載火箭的第三類要求和美國國防部類似的標(biāo)準(zhǔn)，除了發(fā)射“天鵝座”貨運(yùn)飛船外，還可用于發(fā)射NASA的其他載荷并執(zhí)行美國國防部的軍用載荷發(fā)射任務(wù)，也試圖擠入商業(yè)遙感衛(wèi)星發(fā)射市場。

“天蝎座a”火箭無論是地球低軌道、太陽同步軌道還是逃逸軌道的運(yùn)力，都類似于美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“德爾它”2火箭，堪稱“德爾它”2火箭最佳的接班人。作為新型運(yùn)載火箭，“天蝎座a”火箭運(yùn)載系數(shù)并不出眾，但設(shè)計(jì)上有很多特色：它適中的運(yùn)力填補(bǔ)了美國小型的“米諾陶”4火箭與重型的“德爾它”4火箭之間的運(yùn)力空白；其次它預(yù)計(jì)的發(fā)射報(bào)價(jià)比現(xiàn)有的中等運(yùn)力火箭明顯降低，如基本型號發(fā)射報(bào)價(jià)只有7500萬～8000萬美元，有利于降低航天項(xiàng)目的總成本；“天蝎座a”火箭的廉價(jià)并非建立在性能不足甚至偷工減料上，它采用全球采購策略，使用其他運(yùn)載火箭上得到實(shí)際飛行驗(yàn)證的成熟技術(shù)和子系統(tǒng)，這樣的措施不僅降低了火箭的研發(fā)成本，而且讓新型的“天蝎座a”火箭實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性。

軌道科學(xué)公司的“天蝎座a”火箭采取全球采購策略，并大量使用經(jīng)過飛行驗(yàn)證的成熟子系統(tǒng)以降低成本，這種方式與競爭對手太空探索公司截然相反。太空探索公司研制的“獵鷹”9號火箭，發(fā)動(dòng)機(jī)、推進(jìn)劑箱、燃料輸送系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、制導(dǎo)導(dǎo)航控制系統(tǒng)等諸多關(guān)鍵子系統(tǒng)都盡量自力更生，通過高度集成的研制和制造降低火箭的成本。兩家公司都以火箭的低成本作為賣點(diǎn)，“獵鷹”9號火箭的研制成本約為3億美元，“天蝎座a”火箭成本略高一點(diǎn)，考慮到通脹等多方面因素，兩家公司各自火箭研制的成本控制能力難分高下。

復(fù)雜的火箭型號

2013年4月21日“天蝎座a”火箭的首次發(fā)射中，使用的火箭型號為“天蝎座a”110型號，它還規(guī)劃了120、121、133和130、131、132等諸多不同型號的火箭設(shè)計(jì)。根據(jù)“天蝎座a”火箭的命名規(guī)則，版本號的第一位數(shù)字表示第一級箭體的配置，依次第二位數(shù)字表示第二級、第三位數(shù)字表示第三級箭體的配置。具體地說，第一位數(shù)字的1表示使用標(biāo)準(zhǔn)的第一級箭體，也就是使用兩臺AJ26-62型高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；第二位數(shù)字的1表示第二級箭體使用ATK公司的Castor 30A固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第二位數(shù)字2表示使用ATK公司的Castor 30B固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第二位數(shù)字3表示使用ATK公司加長型的Castor30×L固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；第三位數(shù)字O表示沒有第三級發(fā)動(dòng)機(jī)，第三位數(shù)字1表示使用3臺日本IHI公司的BT-4液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，第三位數(shù)字2表示使用ATK公司的Star 48 BV固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

“天蝎座a”火箭這種第一級不變，以上面級的不同配置區(qū)分型號的做法，與“獵鷹”9號火箭截然相反?！矮C鷹”9號火箭只有1.0和1.1兩個(gè)版本，但兩種型號基本設(shè)計(jì)存在巨大的不同，使用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)和箭體，完全可以說是兩種火箭。這種命名方式的區(qū)別，體現(xiàn)的是兩家公司對發(fā)射市場的不同認(rèn)識，軌道科學(xué)公司的“天蝎座a”火箭主要用于發(fā)射“天鵝座”飛船，并試圖占領(lǐng)“德爾它”2火箭退役后的空缺，而太空探索公司的“獵鷹”9號火箭雖然也用于執(zhí)行商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)發(fā)射，但研制的主要目標(biāo)是爭奪商業(yè)通信衛(wèi)星的發(fā)射訂單。

俄羅斯血統(tǒng)的第一級

“天蝎座a”火箭的第一級箭體使用兩臺Aerojet公司的AJ26-62型高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，它實(shí)際上是蘇聯(lián)時(shí)代的遺產(chǎn)。雖然Aerojet公司是美國老牌火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制生產(chǎn)廠商，但AJ-26火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并非Aerojet公司研制，而是俄羅斯NK-33火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的美國編號。Aerojet公司從俄羅斯以難以想象的低價(jià)購買到一批庫存的NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)，對其控制系統(tǒng)進(jìn)行適應(yīng)性修改后，賦予AJ-26火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的編號。NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)是NK-15火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的改進(jìn)版本，而NK-15恰恰是蘇聯(lián)當(dāng)年計(jì)劃用于載人登月的N-1巨型運(yùn)載火箭的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然N-1火箭4次發(fā)射均以失敗告終，但Aerojet公司多年測試后認(rèn)為NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性相當(dāng)出色，NK-33/AJ-26發(fā)動(dòng)機(jī)還是目前已經(jīng)投入使用的推重比最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這對一種使用高壓補(bǔ)燃設(shè)計(jì)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來說尤為難得。雖然研制時(shí)間早外加推重比高，NK-33/AJ-26火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的其他性能也相當(dāng)出色，它的海平面推力約為166噸，真空推力約為185噸，海平面和真空比沖分別為297和331秒。性能強(qiáng)勁的AJ-26火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，是“天蝎座a”火箭設(shè)計(jì)的基石。

軌道科學(xué)公司成立于1981年，研制過包括“飛馬座”、“米諾陶”、“金牛座”在內(nèi)的多種固體運(yùn)載火箭，還承攬了美國陸基中段防御系統(tǒng)中陸基攔截彈的推進(jìn)段研制工作，但它缺乏大型液體火箭的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，因此第一級箭體的設(shè)計(jì)制造大量分包給烏克蘭的南方設(shè)計(jì)局，而軌道科學(xué)公司在已有成熟的模塊化航電控制硬件的基礎(chǔ)上，為“天蝎座a”火箭研制了合適的MACH飛行控制系統(tǒng)?！疤煨鵤”火箭的第一級箭體大量應(yīng)用了烏克蘭南方局已有的天頂火箭的成熟設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，火箭第一級的推進(jìn)劑箱、增壓儲箱、輸送管道、閥門等諸多硬件設(shè)備都出自烏克蘭南方局之手，甚至箭體直徑都是一樣的3.9米。如果進(jìn)一步探尋，我們還會發(fā)現(xiàn)3.9米的箭體直徑還與更早的“能源”火箭助推器有著血緣關(guān)系，“天蝎座a”火箭與蘇聯(lián)兩代巨型運(yùn)載火箭的淵源，只能讓人感慨命運(yùn)的無常了。

美國制造的第二級

“天蝎座a”火箭的第一級技術(shù)上有著濃厚的蘇聯(lián)血統(tǒng)，那么它的第二級就是貨真價(jià)實(shí)的美國制造了?！疤煨鵤”火箭的第二級使用美國ATK公司的Castor 30系列固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，Castor30發(fā)動(dòng)機(jī)是Castor 120固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的衍生型號，而Castor 120發(fā)動(dòng)機(jī)就是大名鼎鼎的“和平衛(wèi)士”大型固體洲際導(dǎo)彈的第一級發(fā)動(dòng)機(jī)。Castor 30系列發(fā)動(dòng)機(jī)使用高性能碳纖維殼體，外加高性能高可靠性的機(jī)電推力矢量控制裝置，它的推進(jìn)劑編號為TP—H8299，點(diǎn)火器直接使用了Castor IVB固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)?！疤煨鵤”110型火箭第二級使用Castor 30A固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，Castor30A發(fā)動(dòng)機(jī)直徑2.36米，長度約3.6米，總質(zhì)量約14噸，燃燒時(shí)間為136秒，最大推力約40噸，真空比沖高達(dá)302秒。兩次試驗(yàn)發(fā)射后，正式用于執(zhí)行商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)任務(wù)的天蝎座a120型火箭將換用性能更好的Castor 30B固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它的噴管面積比增加到76，以提高比沖指標(biāo)。此后再執(zhí)行兩次“天鵝座”飛船的發(fā)射，“天蝎座a”火箭還將使用加長型的Castor 30XL固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，大大增強(qiáng)它的地球低軌道運(yùn)載能力，用于發(fā)射增強(qiáng)版的“天鵝座”貨運(yùn)飛船。

“天蝎座a”火箭在設(shè)計(jì)之初，還曾考慮使用洛克達(dá)因公司PWR35M液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的增強(qiáng)型的液體火箭第二級設(shè)計(jì)，PWR35M發(fā)動(dòng)機(jī)雖然推力只有147千牛門5噸，但比沖高得多，可以實(shí)現(xiàn)更大的運(yùn)力。不過軌道科學(xué)公司與ATK公司關(guān)系極為密切，在技術(shù)路徑依賴和商業(yè)關(guān)系的影響下，“天蝎座a”火箭最后還是選用了Castor 30XL等達(dá)到更高的性能的發(fā)動(dòng)機(jī)。性能更強(qiáng)的Castor 30XL發(fā)動(dòng)機(jī)顯著提高了“天蝎座a”火箭的運(yùn)載能力，但固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖低和結(jié)構(gòu)質(zhì)量大等固有缺陷，導(dǎo)致二級型“天蝎座a”火箭缺乏高軌道發(fā)射能力。為了將載荷送入軌道高度較高的地球低軌道，“天蝎座a”火箭可以選用IHI公司的3臺BT-4液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或是ATK公司的1臺STAR 48BV固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為第三級發(fā)動(dòng)機(jī)，“天蝎座a”121和131型號都可將載荷送入1000千米高度的地球低軌道或是太陽同步軌道，大大擴(kuò)展了任務(wù)范圍。與“天蝎座a”火箭設(shè)計(jì)上復(fù)雜相比，“獵鷹”9號火箭的設(shè)計(jì)相當(dāng)簡潔，它使用高比沖的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過大面積比噴管的引入，第二級發(fā)動(dòng)機(jī)真空比沖可高達(dá)342秒，再加上第二級發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)點(diǎn)火能力，雖然只是一種二級火箭，仍可靈活的執(zhí)行地球低軌道、太陽同步軌道、同步轉(zhuǎn)移軌道和深空探測發(fā)射任務(wù)。從設(shè)計(jì)水平上說，“獵鷹”9號火箭無疑技高一籌，不過做熟不做生，軌道科學(xué)公司作為傳統(tǒng)的固體火箭研制生產(chǎn)廠商，為了保證研制進(jìn)度和可靠性，沒有冒險(xiǎn)使用液體上面級也在情理之中?！疤煨鵤”火箭的整流罩使用高性能輕質(zhì)復(fù)合材料制造，雖然質(zhì)量較輕，不過它的外形設(shè)計(jì)仍然比較中庸，沒有跟風(fēng)時(shí)髦的馮卡門曲線，而是有傾角分別為30度和15度的雙椎體拼接出頭部。火箭整流罩的直徑為3.9米，長度9.9米，考慮到底部適配器占用了部分高度和空間，以及頂部錐體的高度，能容納的衛(wèi)星等載荷的實(shí)際高度要遠(yuǎn)小于9.9米，不過話說回來，它的內(nèi)部容積為57.5立方米，仍比現(xiàn)有的中型運(yùn)載火箭如“德爾它”2火箭整流罩的內(nèi)部空間要大得多，方便發(fā)射尺寸和體積更大的載荷。

前景難測

“天蝎座a”火箭雖然首次發(fā)射成功，但并非一帆風(fēng)順。它的首次發(fā)射原定在2012年進(jìn)行，由于各種測試問題最終推遲到2013年，發(fā)射前還進(jìn)行了AJ-26發(fā)動(dòng)機(jī)長達(dá)27秒的點(diǎn)火，火箭原定4月17日發(fā)射，但第一次發(fā)射嘗試由于第二級連接問題發(fā)射中止，20日的第二次發(fā)射又由于高空風(fēng)的原因被迫取消，好在21日的第三次嘗試發(fā)射相當(dāng)順利。這次發(fā)射，除了模擬“天鵝座”飛船的載荷，還攜帶了4顆立方體衛(wèi)星，發(fā)射的成功不僅是軌道科學(xué)公司運(yùn)載火箭研制上的重要里程碑，而且洗刷了俄制NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)不吉利的惡名，說明N-1巨型火箭的悲劇主要是火箭研制中無視科學(xué)規(guī)律蠻干的結(jié)果。同時(shí)，這次成功發(fā)射，對于Aerojet公司研制引進(jìn)大推力雙室高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，參與SLS火箭的先進(jìn)助推器競爭也是一個(gè)好消息。

遺憾的是，雖然AJ-26是一種得到實(shí)際發(fā)射檢驗(yàn)的高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，但Aerojet公司在俄羅斯掃貨買到的NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量并不多，軌道科學(xué)公司更是只購買了20臺AJ-26發(fā)動(dòng)機(jī)，只能支持“天蝎座a”火箭10次發(fā)射的需要。軌道科學(xué)公司已經(jīng)表示，如果未來得到更多的訂單，將考慮研制AJ-26/NK-33發(fā)動(dòng)機(jī)的替代品。不過軌道科學(xué)公司也曾表示如果研制類似性能的發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭研制費(fèi)用將多支出至少5億美元。大推力高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制非常燒錢，美國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)公司獨(dú)立研制的可能性不大。如果不出意外的話，很可能仍然從俄羅斯引進(jìn)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，加上美國的控制系統(tǒng)使用，俄羅斯可能研制生產(chǎn)NK33—1發(fā)動(dòng)機(jī)，但更大的可能是RD-191占據(jù)大部分市場，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的推力都達(dá)到200噸級，雖然它們都具備節(jié)流能力，但“天蝎座a”第一級火箭箭體進(jìn)行相應(yīng)的修改也是無可避免的。

相比之下，太空探索公司自力更生研制燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的“灰背隼”液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)就要明智的多。“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)雖然推力遠(yuǎn)低于Nk-33，比沖更是無法望其項(xiàng)背，但推力小外加燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的結(jié)構(gòu)相對簡單，發(fā)動(dòng)機(jī)研制成本很低，獨(dú)立研制的發(fā)動(dòng)機(jī)也便于進(jìn)行改進(jìn)升級，目前“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)的推力已經(jīng)從最早的34.7噸增加到63.3噸，“獵鷹”系列火箭的性能也有了巨大的變化，可發(fā)射主流的大型通信衛(wèi)星，這是軌道科學(xué)公司的“天蝎座a”火箭無法比擬的。

由于第一級發(fā)動(dòng)機(jī)和未來任務(wù)量的不確定性，“天蝎座a”火箭的未來也有很大的變數(shù)。悲觀地說，“天蝎座a”火箭很可能完成NASA的8次商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同后就壽終正寢，樂觀地說，“天蝎座a”火箭成為“德爾它”2火箭接班人，用于執(zhí)行地球地軌道、太陽同步軌道、地球中軌道到各種小型星際探測器的發(fā)射任務(wù)。

總的說來，“天蝎座a”火箭在進(jìn)度、性能和擴(kuò)展?jié)摿Φ雀鞣矫娑悸浜笥凇矮C鷹”9號火箭，技術(shù)上無疑是大為遜色的。但對軌道科學(xué)公司而言，“天蝎座a”火箭不僅是軌道科學(xué)公司運(yùn)載火箭研制的里程碑，而且可以滿足軌道科學(xué)公司執(zhí)行商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)合同的需要，同時(shí)填補(bǔ)了美國運(yùn)載火箭運(yùn)力的空白，并可參與航天發(fā)射市場的競爭。事實(shí)上，如果論研制成本和發(fā)射成本，“天蝎座a”火箭在世界范圍內(nèi)也是相當(dāng)出色的，它不僅是軌道科學(xué)公司研制的合格產(chǎn)品，也是一種優(yōu)秀的運(yùn)載火箭。