+ 張雪松

小衛(wèi)星快速發(fā)射，八仙過(guò)海 各顯神通

+ 張雪松

編者按：

回顧近來(lái)與火箭發(fā)射有關(guān)的熱點(diǎn)新聞，其中三條吸引了我們的注意：XS1項(xiàng)目花落波音、新西蘭“電子號(hào)”小火箭首次發(fā)射、世界最大飛機(jī)正式亮相。這三者之間的內(nèi)在聯(lián)系不難發(fā)現(xiàn)：新聞中的主體，都是一種新興的航天器發(fā)射方式，而它們的目的，都是為了實(shí)現(xiàn)低成本、快速地將小衛(wèi)星（這里指重量為一噸左右及以下的衛(wèi)星）送入太空。

隨著微小衛(wèi)星的爆炸性發(fā)展，小衛(wèi)星發(fā)射工具也日益熱門(mén)，其中既有一次性的小型運(yùn)載火箭，也有重復(fù)使用的運(yùn)載工具。世界各國(guó)多家公司和機(jī)構(gòu)研發(fā)的針對(duì)小衛(wèi)星快速發(fā)射的手段可以說(shuō)是八仙過(guò)海各顯神通，經(jīng)過(guò)深入盤(pán)點(diǎn)后我們發(fā)現(xiàn)，這些手段各有優(yōu)劣，想必將在未來(lái)的發(fā)射市場(chǎng)上展開(kāi)白熱化的競(jìng)爭(zhēng)。

太空飛機(jī)

2017年5月24日美國(guó)先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）發(fā)布消息，XS-1太空飛機(jī)項(xiàng)目第二階段選中波音公司作為唯一的承包商繼續(xù)進(jìn)行研制，波音將其稱為“幻影快車(chē)”。

“幻影快車(chē)”力圖通過(guò)重復(fù)使用來(lái)實(shí)現(xiàn)航天發(fā)射的廉價(jià)化，原型機(jī)將在2020年亮相。按照DARPA對(duì)XS-1項(xiàng)目的要求，“幻影快車(chē)”太空飛機(jī)加上一個(gè)一次性的上面級(jí)，將具備把3000磅（1360千克）的載荷送入近地軌道的能力，每年發(fā)射10次以上的頻率下單次發(fā)射費(fèi)用只有不超過(guò)500萬(wàn)美元，相當(dāng)于“米諾陶”火箭發(fā)射價(jià)格的1/10。DARPA還要求“幻影快車(chē)”具備10天進(jìn)行10次高超音速飛行的能力，雖然沒(méi)有要求攜帶上面級(jí)，但理論上有翼的第一級(jí)有這樣的重復(fù)出動(dòng)能力，一次性上面級(jí)更不是障礙。簡(jiǎn)而言之，“幻影快車(chē)”將具備廉價(jià)的快速發(fā)射能力，如果波音公司研制成功的話，它在未來(lái)市場(chǎng)上將產(chǎn)生顛覆性的影響，把所有的一次性小火箭擠出市場(chǎng)。

“幻影快車(chē)”太空飛機(jī)的紙面性價(jià)比很高，但它的未來(lái)卻存在著潛在風(fēng)險(xiǎn)——它是一個(gè)公私合營(yíng)的項(xiàng)目，DARPA只給1.43億美元撥款，剩下的部分都要靠波音出錢(qián)，這意味著一旦出現(xiàn)技術(shù)障礙或是進(jìn)度拖延，“幻影快車(chē)”的研制出現(xiàn)超支就會(huì)下馬。臨淵慕魚(yú)不如退而結(jié)網(wǎng)，火箭實(shí)驗(yàn)室的“電子號(hào)”火箭雖然是一次性運(yùn)載火箭，但卻是已經(jīng)試射的火箭，它將是未來(lái)最有前途的小型運(yùn)載火箭之一。

小火箭

今年5月25日，“電子號(hào)”火箭從新西蘭北島的馬希亞航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射升空，雖然由于火箭姿控的一些問(wèn)題最終沒(méi)有將載荷送入預(yù)定軌道，但這對(duì)于一家商業(yè)航天公司研制的使用諸多新技術(shù)的運(yùn)載火箭，這已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成功。“電子號(hào)”火箭使用大量新技術(shù)，比如3D打印制造、碳纖維復(fù)合材料的液氧和煤油儲(chǔ)箱，和電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)的渦輪泵，這些革命性的新技術(shù)由一家小型商業(yè)航天公司引入液體運(yùn)載火箭工業(yè)，實(shí)在令老牌廠商汗顏。但“電子號(hào)”火箭更令人拍案叫絕的是它的成本和發(fā)射頻率——“電子號(hào)”火箭具備將220千克載荷送入近地軌道的能力，而發(fā)射費(fèi)用只需要490萬(wàn)美元，它為了實(shí)現(xiàn)高密度發(fā)射還專(zhuān)門(mén)跑到新西蘭新建了發(fā)射場(chǎng)，甚至打算未來(lái)做到一周一發(fā)。

或許有人會(huì)問(wèn)，“電子號(hào)”火箭的單位發(fā)射成本比大型火箭還貴，真的有信心拉到那么多訂單么？這就要說(shuō)小型火箭的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)了。小衛(wèi)星發(fā)展過(guò)程中，早期一般是作為大中型火箭發(fā)射的次級(jí)載荷順路上天的，但這也帶來(lái)很多問(wèn)題。首先就是發(fā)射響應(yīng)時(shí)間的問(wèn)題，某些微小衛(wèi)星可能需要應(yīng)急快速發(fā)射，而大型火箭的發(fā)射基本不會(huì)考慮次級(jí)載荷的發(fā)射時(shí)間要求；其次，很多微小衛(wèi)星會(huì)運(yùn)行在比較特殊的軌道上，和傳統(tǒng)的太陽(yáng)同步軌道或是空間站軌道有不小的區(qū)別，這也帶來(lái)了獨(dú)立發(fā)射的需求，蓬勃興起的小火箭瞄準(zhǔn)的就是這些市場(chǎng)。以電子號(hào)火箭為例，美國(guó)“月球快車(chē)（Moon Express）”就將使用“電子號(hào)”火箭發(fā)射他們的月球探測(cè)器，如果要等美國(guó)或是其他國(guó)家的大型火箭發(fā)射月球探測(cè)器時(shí)順路搭車(chē)搭載，“月球快車(chē)”的發(fā)射就不知道要等到猴年馬月了。

現(xiàn)有的小型運(yùn)載火箭中，“電子號(hào)”火箭的報(bào)價(jià)是很有競(jìng)爭(zhēng)力的，甚至可以說(shuō)是最具競(jìng)爭(zhēng)力的運(yùn)載火箭。那么除了火箭本身使用新技術(shù)挖潛，還有沒(méi)有別的道路呢？空射火箭就是另一條不錯(cuò)的路線。例如維珍銀河公司的“發(fā)射者一號(hào)（LauncherOne）”火箭將使用波音747載機(jī)空中發(fā)射，廉價(jià)實(shí)現(xiàn)更為靈活的航天發(fā)射。

空射火箭

空中發(fā)射當(dāng)然不是異想天開(kāi)，而是有著貨真價(jià)實(shí)的優(yōu)勢(shì)。

第一，空射火箭具有更好的發(fā)射靈活性。5月底，“電子號(hào)”火箭的首次發(fā)射曾接二連三地發(fā)生推遲，主要原因就是發(fā)射場(chǎng)高空氣象不佳。而如果火箭在萬(wàn)米高空發(fā)射，加上載機(jī)的大范圍機(jī)動(dòng)，就可以規(guī)避絕大部分氣象問(wèn)題，從而減少推遲發(fā)射發(fā)生的幾率。此外，“電子號(hào)”火箭之所以選擇在地廣人稀的新西蘭發(fā)射，一個(gè)主要考慮是為了遠(yuǎn)離繁忙的航班，便于空管部門(mén)的空域協(xié)調(diào)，以實(shí)現(xiàn)更高頻率的發(fā)射。而空射火箭就沒(méi)有這種煩惱，載機(jī)可以攜帶火箭飛到更合適的區(qū)域，規(guī)避火箭發(fā)射對(duì)航空活動(dòng)的干擾?？丈浠鸺哂懈玫陌l(fā)射靈活性，這對(duì)某些時(shí)效性較強(qiáng)的發(fā)射是十分合適的，也有利于把維護(hù)基地放在工作生活更便利的繁華地區(qū)。

第二，空中發(fā)射還有一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)，就是高空發(fā)射減少了火箭起飛、加速、爬升到高空的燃料消耗。雖然載機(jī)在萬(wàn)米高空以亞音速發(fā)射火箭，載機(jī)速度和火箭入軌速度相差甚遠(yuǎn)，但根據(jù)火箭方程細(xì)算，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)普通運(yùn)載火箭從地面發(fā)射到飛抵萬(wàn)米高空所消耗的燃料，無(wú)論按絕對(duì)數(shù)量還是相對(duì)比例都相當(dāng)不少，空射火箭實(shí)際上相當(dāng)于增加了一個(gè)復(fù)用的第一級(jí)，只不過(guò)波音747這樣的噴氣飛機(jī)比“幻影快車(chē)”這樣火箭飛機(jī)速度和高度都差得遠(yuǎn)，所以效果不太突出而已。

“發(fā)射者一號(hào)”使用波音747空中發(fā)射，它是一種二級(jí)空射運(yùn)載火箭，使用新的“牛頓”發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)指標(biāo)是以不高于1000萬(wàn)美元的成本，將230千克的載荷送入太陽(yáng)同步軌道。綜合算下來(lái)，“發(fā)射者一號(hào)”的單位發(fā)射成本只比“電子號(hào)”火箭略高，同樣具有很強(qiáng)的商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。不過(guò)它主要用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星，與用于發(fā)射近地軌道載荷的“電子號(hào)火箭”并沒(méi)有短兵相接的機(jī)會(huì)。

“Stratolaunch”搭載三枚火箭效果圖

空射火箭具有方便快捷和廉價(jià)發(fā)射的諸多優(yōu)勢(shì)，不僅小型火箭、就連中型火箭也來(lái)湊熱鬧。近日，一則新聞轟動(dòng)了整個(gè)科技圈——同溫層發(fā)射系統(tǒng)公司（Stratolaunch Systems）的空中發(fā)射載機(jī)”Stratolaunch”，綽號(hào)“大鵬”的史上最大飛機(jī)于5月31日，在加利福尼亞州的莫哈維基地正式下線。

作為空射火箭，同溫層發(fā)射系統(tǒng)的確能夠更準(zhǔn)確、快速地把衛(wèi)星送入軌道，然而其“能夠降低成本”的說(shuō)法似乎只對(duì)傳統(tǒng)的火箭地面發(fā)射方式有效。因?yàn)榕c本文前述發(fā)射方式相比，同溫層發(fā)射系統(tǒng)并不便宜——“飛馬座XL”火箭的價(jià)格一直比較貴，作為“米諾陶”火箭的空射變種，其過(guò)去使用L-1011客機(jī)空中發(fā)射時(shí)單價(jià)居然高達(dá)5600萬(wàn)美元。如上文所述，“米諾陶”火箭的高價(jià)正是催生XS-1“幻影快車(chē)”的重要原因，未來(lái)，除非“飛馬座XL”火箭能夠大幅降價(jià)、或者“大鵬”更換火箭搭檔，否則同溫層發(fā)射系統(tǒng)的大飛機(jī)做得再好，也沒(méi)法和地面發(fā)射的“電子號(hào)”小火箭或是空射的“發(fā)射者一號(hào)”火箭競(jìng)爭(zhēng)，更不要說(shuō)為滿世界找火箭的小衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)者們帶來(lái)“白菜價(jià)”、準(zhǔn)確又快速的發(fā)射服務(wù)了。