□ 張雪松

2014年烏克蘭危機，對美國航天工業(yè)也造成了巨大的沖擊。美國在參議院麥凱恩推動下，要求研制國產(chǎn)的大推力碳氫燃料發(fā)動機取代俄羅斯進口的RD-180發(fā)動機，以擺脫現(xiàn)有“宇宙神”5火箭對俄羅斯發(fā)動機的依賴。經(jīng)過幾個月的討論，加上聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）面對太空探索技術(shù)公司（SpaceX）越來越強的競爭壓力，最終產(chǎn)生了“宇宙神”5火箭的換代型號，2014年9月ULA非正式公開了新一代模塊化火箭NGLS的消息。

NGLS的起因

年初的烏克蘭危機后，面對美國的經(jīng)濟制裁和美國航宇局中斷航天合作的動作，俄羅斯副總理羅戈津曾威脅禁止美國使用RD-180發(fā)動機發(fā)射軍用載荷。羅戈津不過是虛張聲勢的復(fù)讀，所謂禁止發(fā)射軍用載荷，是美國引進RD-180發(fā)動機時就簽訂的協(xié)議，不過這個軍用載荷的定義和我們多數(shù)人理解的不一樣，它指的是天基激光器之類武器的狹義定義，連發(fā)射天基紅外預(yù)警衛(wèi)星也不在限制之列。盡管如此，俄國官方的非正式聲明還是進一步引發(fā)了美國國內(nèi)對使用俄國火箭發(fā)動機的擔憂和指責：美國空軍又一次開始討論國產(chǎn)化RD-180的問題，但根據(jù)更早的研究報告，盡管美俄早就簽訂了相關(guān)合同，但美國進行RD-180發(fā)動機的國產(chǎn)化，仍然需要將近5年時間和約10億美元的巨額費用。美國共和黨參議院麥凱恩后來又提出并通過了一項決議，禁止美國繼續(xù)進口RD-180發(fā)動機，更是把洛馬公司使用該型發(fā)動機的“宇宙神”5火箭逼到墻角。與此同時，SpaceX公司高調(diào)宣傳廉價全國產(chǎn)化“獵鷹”火箭的擠兌，也給ULA造成了很大的輿論和政治壓力。

“德爾它”4運載火箭

面對政治上的不利形勢，ULA只好以拖待變，一方面全力運回RD-180發(fā)動機，另一方面希望通過政治游說取消進口禁令，最后它們還承諾在未來的發(fā)射中降低成本和報價。2014年美俄關(guān)系并沒有轉(zhuǎn)暖，雖然俄羅斯沒有禁止出口RD-180發(fā)動機的跡象，但美國國內(nèi)日益要求擺脫“宇宙神”5火箭在發(fā)動機上對俄羅斯的依賴，ULA也只能做好無法繼續(xù)采購的準備，精打細算把發(fā)射任務(wù)盡可能轉(zhuǎn)交給“德爾它”4火箭，延長“宇宙神”5火箭的服役時間，同時將研制下一代漸進一次性運載火箭提上日程，于是誕生了下一代發(fā)射系統(tǒng)（NGLS），它正式服役時或許會被命名為“宇宙神”6火箭。

NGLS的出現(xiàn)

冰凍三尺非一日之寒，同樣NGLS也不是突然出現(xiàn)在大家面前的。2014年9月17日，藍色起源公司宣布它將與ULA建立合作關(guān)系，藍色起源公司將為ULA的火箭研制發(fā)動機。

藍色起源公司是亞馬遜公司總裁杰夫·貝索斯創(chuàng)立的私營航天公司，雖然在美國商業(yè)貨運和商業(yè)客運發(fā)射的競爭中沒能脫穎而出，但藍色起源公司也絕非泛泛之輩，它開發(fā)的“新謝帕德”（New Shepard）號垂直起降亞軌道航天器很早就進行了超音速飛行，2011年9月墜毀前新謝帕德號在14000米高空達到1.2馬赫速度，而SpaceX公司的垂直起降試驗飛行器蚱蜢的第一次試飛已經(jīng)是一年后的事情了，直到現(xiàn)在蚱蜢2/F9R也沒有突破新謝帕德號當初的記錄。

“宇宙神”5運載火箭

ACES先進通用漸進上面級

藍色起源公司在發(fā)動機研制上同樣做出了很大的成績，如果說BE-2發(fā)動機還有些稚嫩的話，BE-3發(fā)動機上已經(jīng)顯示出它強勁的實力。BE-2發(fā)動機使用過氧化氫/煤油推進劑，單發(fā)推力也只有15噸，新謝帕德飛行器不得不使用5臺BE-2發(fā)動機并聯(lián)推動，而BE-3發(fā)動機則是一種液氧液氫發(fā)動機，地面推力更是一躍增加到490千牛，這個指標和我國長征五號火箭芯級的主發(fā)動機YF-77非常相近。不僅如此，BE-3發(fā)動機還具有深度節(jié)流能力和重復(fù)使用能力，它的最低推力僅有110千牛，可以方便地用于垂直降落飛行器的著陸控制。截至2013年12月，BE-3發(fā)動機進行了160次熱試車，試車時間累計達到了9100秒。藍色起源公司還為運載火箭上面級研制了BE-3U發(fā)動機，它為真空環(huán)境進行了優(yōu)化，是一種一次性使用的上面級發(fā)動機。

基于這樣的背景，2014年9月17日藍色起源公司宣布和ULA的合作關(guān)系，并將為其研制2450千牛的BE-4發(fā)動機時，雖然引起了轟動，但很少有人懷疑藍色起源的實力。隨著時間的推移，藍色起源和ULA透露了更多的消息，BE-4發(fā)動機的細節(jié)也越發(fā)清晰起來。綜合它們的聲明和媒體報道，BE-4發(fā)動機是一種富氧分級燃燒循環(huán)的液氧甲烷發(fā)動機，它的混合比為3.5，燃燒室壓強只有13兆帕，而噴管的膨脹比也僅有23。由于技術(shù)參數(shù)并不高，它的性能也談不上出眾，藍色起源公司公布的數(shù)據(jù)顯示，BE-4液氧甲烷發(fā)動機的推力為550千磅（249.8噸），可以節(jié)流到40%，發(fā)動機地面和真空比沖分別為307秒和342秒。據(jù)稱BE-4發(fā)動機已經(jīng)進行了縮比富氧預(yù)燃器研制試驗，預(yù)燃器的分級燃燒試驗以及主噴注器組裝。下一個里程碑將是測試渦輪泵和主閥，預(yù)計可以在2016—2017年開始進行全尺寸發(fā)動機的測試，并在2019年進行首次發(fā)射。

公 示

根據(jù)新聞出版總署《2014年新聞記者證換發(fā)實施辦法》的要求，我單位太空探索雜志社已對換發(fā)記者證人員及符合《新聞采編人員崗位培訓(xùn)考試》免考資格的人員進行嚴格審核，現(xiàn)將我單位通過新聞記者證換發(fā)資格審查的人員名單及符合《新聞采編人員崗位培訓(xùn)考試》免考資格的人員名單進行公示，公示期2015年1月7日—1月14日。

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太空探索雜志社舉報電話：010-68767130

通過新聞記者證換發(fā)資格審查的人員名單：周武、楊建、薛滔、陳彩連、夏丹

符合《新聞采編人員崗位培訓(xùn)考試》免考資格的人員名單：周武、楊建、薛滔

“宇宙神”5和NGLS火箭比較圖

根據(jù)俄羅斯授權(quán)完成RD-180發(fā)動機的國產(chǎn)化需要至少5年時間，而全新的BE-4居然也只需要5年時間，而BE-4發(fā)動機的性能略高，這不能不說是令人稱奇的。其實原因也很簡單，BE-4發(fā)動機雖然是全新的設(shè)計，但也是傾向于低成本高可靠性的新設(shè)計：它使用富氧分級燃燒循環(huán)，最根本的原因就是這種設(shè)計可以降低燃料泵的出口壓力，降低泵和閥門出現(xiàn)事故的可能性；它還是一種低室壓的發(fā)動機，13兆帕的燃燒室壓強不僅和RD-180發(fā)動機的25兆帕相去甚遠，也比我國YF-100發(fā)動機的18兆帕低得多，甚至不如蘇聯(lián)第一代富氧高壓補燃發(fā)動機NK-33的16兆帕壓強。較低的燃燒室壓強，也降低了從燃燒室到輸送泵和渦輪泵的設(shè)計制造難度。BE-4發(fā)動機還通過使用更先進的設(shè)計和制造技術(shù)降低研制和生產(chǎn)成本，而RD-180發(fā)動機使用的是數(shù)十年前的技術(shù)，很多制造技術(shù)和工藝在美國工業(yè)界已經(jīng)被淘汰，肯定要為此大費周章的使用新技術(shù)，反而增加了美國生產(chǎn)的難度和費用。BE-4發(fā)動機研制費用低進度快，還有一個重要原因是藍色起源公司已經(jīng)秘密研制了長達3年之久，它本來是藍色起源為自己的運載工具研制的發(fā)動機，現(xiàn)在不過是簽訂合作協(xié)議后提供給ULA分攤成本。杰夫·貝索斯號稱到2014年7月已經(jīng)為藍色起源公司投資5億美元之多，其中很大一部分就投資于BE-4發(fā)動機及其測試設(shè)施的研制和建造上，2014年5月藍色起源公司的液氧甲烷發(fā)動機地面測試設(shè)施已經(jīng)建成，它可以測試最大推力450噸的發(fā)動機。

ULA確保BE-4發(fā)動機的研制和供應(yīng)后，馬上就提出了下一代漸進一次性運載火箭的設(shè)計方案。該公司副總裁佐沃2014年9月20日在著名的NASA太空飛行論壇上回答航天愛好者們的提問時，涉及了很多下一代火箭的細節(jié)，其中包括新火箭暫時不考慮重復(fù)使用能力，火箭最大起飛質(zhì)量約430噸，芯級將從“德爾它”4火箭上衍生，不會使用更先進的復(fù)合材料儲箱，當然推進劑使用液氧甲烷，選擇甲烷推進劑主要原因是全系統(tǒng)的綜合成本。此外他還提到新的火箭將保留“宇宙神”5的固體助推器捆綁模式，可能使用新的上面級和上面級發(fā)動機，但不會使用藍色起源公司的BE-3發(fā)動機。2014年10月，ULA的新總裁托里·布魯諾在接受采訪時提到，新火箭的初始設(shè)計有望在年底前完成，而且它的發(fā)射費用將只有該公司現(xiàn)有火箭的一半左右，該公司打算以此為契機重新進軍商業(yè)發(fā)射市場。

NGLS的基本設(shè)計

目前NGLS火箭尚未完成基本設(shè)計，但熱心的NASA太空飛行論壇網(wǎng)友已經(jīng)根據(jù)媒體報道和訪談建模做出了簡單的火箭模型，如果后續(xù)不發(fā)生大的變化，火箭的基本性能也不會有多大變化。

NGLS火箭最大起飛質(zhì)量約430噸，這個構(gòu)型很可能是一個芯級捆綁6個固體助推器的設(shè)計，并將使用更新的上面級。火箭芯級目前確定使用兩臺藍色起源公司的BE-4發(fā)動機，而固體助推器不出意外仍然使用航空噴氣公司的產(chǎn)品?；鸺炯夁€將使用自生增壓技術(shù)，降低使用成本，而甲烷推進劑的沸點較高，因此也無需液氫儲箱那樣使用復(fù)雜厚重的保溫隔熱措施，這將有利于火箭芯級提高質(zhì)量比?；鸺厦婕壢绻褂酶倪M型半人馬座，它的同步轉(zhuǎn)移軌道運力可達13噸以上，如果使用全新的類似先進通用漸進上面級（ACES）的設(shè)計，同步轉(zhuǎn)移軌道運力更是可以達到16噸～18噸，其運力將僅次于SpaceX公司的獵鷹重型火箭。

NGLS火箭將使用“宇宙神”5火箭現(xiàn)有的位于卡納維拉爾角基地的LC-41和位于范登堡空軍基地的SLC-3E發(fā)射工位，無需新建新工位增加成本。由于NGLS火箭起飛質(zhì)量更大，火箭運力也有了不小的提高，為此NGLS將取消“宇宙神”5火箭研制時曾提出的“宇宙神”5重型構(gòu)型，但為了降低成本，捆綁不同數(shù)量助推器的芯級仍要求通用。NGLS的同步轉(zhuǎn)移軌道運力將超過“德爾它”4重型火箭，根據(jù)目前的推測，NGLS首先將取代由于RD-180發(fā)動機問題的發(fā)射一枚少一枚的“宇宙神”5火箭，隨后使用類似ACES上面級的設(shè)計后，可能進一步取代現(xiàn)有的“德爾它”4火箭。

BE-4 發(fā)動機測試

XCOR公司的XR-5H25發(fā)動機點火

NGLS火箭最初將沿用半人馬座上面級，不過新上面級也開始露出風聲。XCOR公司研制了山貓（Lynx）亞軌道飛機用于太空旅游，不過很少有人注意，XCOR公司還曾研制過全活塞泵的火箭發(fā)動機，XCOR公司還和ULA合作，計劃以這項技術(shù)出發(fā)研制新的高性能氫氧發(fā)動機。根據(jù)NGLS出現(xiàn)前的報道，雙方聯(lián)合研制的縮比XR-5H25發(fā)動機曾在2013年11月首次熱點火成功，這是第一種全活塞泵的液氧液氫發(fā)動機。雖然XR-5H25推力僅有2500磅/11.12千牛，但該公司還在研制推力更大的XR-8H21發(fā)動機，它仍將使用獨特的熱力循環(huán)和活塞泵技術(shù)，推力將達到111.2千牛，與現(xiàn)有的RL-10發(fā)動機相比，XCOR公司研制的氫氧發(fā)動機將具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更廉價的生產(chǎn)成本。

2014年11月ULA總裁托里.布魯諾進一步確認了和XCOR的合作，稱NGLS將使用研制多年的新型上面級和XCOR公司的新型液氧液氫發(fā)動機，不出意外的話，新上面級將使用ACES的設(shè)計概念和XCOR公司XR-8H21發(fā)動機。ACES上面級除了氣球共底儲箱的設(shè)計外，最顯著的特點是全新概念的推進劑管理系統(tǒng)，具體說是利用受熱蒸發(fā)的氫氣和氧氣進行自生增壓、姿態(tài)控制和發(fā)電，這樣就完全取消了冷氦/超臨界氦增壓系統(tǒng)，省去了姿態(tài)控制系統(tǒng)所需的大部分推進劑和維持上面級活動所需的大部分電池，從而將上面級的質(zhì)量比提高到一個前所未有的水平。2013年ULA對“德爾它”4火箭未來升級的介紹中，ACES達到了92%的質(zhì)量系數(shù)，或者說質(zhì)量比達到了12.5，使用ACES升級后“德爾它”4重型火箭的近地軌道運力將從28噸增加到37噸。雖然現(xiàn)在看來“德爾它”4火箭很可能被NGLS取代，但類似ACES設(shè)計的新型上面級對NGLS運力的提升，仍然可見一斑。不過去年的ACES上面級設(shè)計中，使用的是RL-10C發(fā)動機，而未來NGLS火箭使用的ACES上面級改進型，使用的將是推力和比沖相近的XR-8H21發(fā)動機。

BE-4發(fā)動機

NGLS火箭可以說是ULA被逼上梁山的產(chǎn)物，雖然NGLS火箭使用的技術(shù)并不是最新最好的，不過NGLS火箭使用低成本設(shè)計，同時運載能力上又有了進一步的提高，通過捆綁不同數(shù)量的固體助推器，還能靈活的應(yīng)對不同的發(fā)射運力要求，很好的適應(yīng)了新時代發(fā)射市場的需求。它不僅得到了美國空軍航天部門領(lǐng)導(dǎo)的贊許，如果真能做到發(fā)射報價減半的話，也將重返商業(yè)發(fā)射市場，和SpaceX公司的“獵鷹”火箭一樣成為商業(yè)發(fā)射市場的佼佼者。

BE-3 發(fā)動機試車