張乃千

小型運(yùn)載火箭：航天發(fā)射的明日之星

張乃千

小型運(yùn)載火箭是指近地軌道運(yùn)載能力在1000千克左右的運(yùn)載火箭，具有發(fā)射成本低、反應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)等突出特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展和火箭設(shè)計(jì)、復(fù)合材料、電子技術(shù)以及固體推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，將小型運(yùn)載火箭推上了航天發(fā)射的大舞臺(tái)。未來(lái)，可實(shí)現(xiàn)快速有效航天發(fā)射的小型運(yùn)載火箭具有巨大的軍用和民用價(jià)值，將成為人類(lèi)開(kāi)展太空活動(dòng)的明日之星。

小型運(yùn)載火箭的前世今生

時(shí)光流逝，歲月如梭，運(yùn)載火箭大家族也正經(jīng)歷著更新?lián)Q代的如火如荼進(jìn)程。目前，圍繞低成本、快速反應(yīng)這一發(fā)射需求，美國(guó)、俄羅斯、歐洲、日本等航天大國(guó)可謂“八仙過(guò)海，各顯神通”，紛紛推出了自己的新一代運(yùn)載火箭計(jì)劃，并迅速將小型運(yùn)載火箭推向航天發(fā)射的大舞臺(tái)。

在小型運(yùn)載火箭領(lǐng)域，航天技術(shù)大國(guó)美國(guó)投入了較大精力。美國(guó)研制的飛馬座、金牛座等小型運(yùn)載火箭早已投入使用。這些小型運(yùn)載火箭的“老前輩”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)發(fā)射，不僅操作簡(jiǎn)單、發(fā)射迅速，發(fā)射設(shè)備也較為簡(jiǎn)單，全套發(fā)射裝置由鐵路和飛機(jī)運(yùn)輸后，5天內(nèi)就可完成各級(jí)火箭的組裝和檢測(cè)，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)后只需72小時(shí)就可完成發(fā)射，整個(gè)發(fā)射過(guò)程只需要20個(gè)人進(jìn)行操作。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，美國(guó)更是充分嗅到了小型運(yùn)載火箭的巨大軍民用價(jià)值。2007年5月，美國(guó)國(guó)防部成立了快速響應(yīng)空間辦公室，旨在進(jìn)一步增強(qiáng)和充分利用美國(guó)的空間作戰(zhàn)力量。在快速響應(yīng)空間辦公室的支持下，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室提出Super-Strypi固體小型火箭方案。該火箭長(zhǎng)18米，直徑僅1.32米，采用地基導(dǎo)軌發(fā)射，近地軌道的運(yùn)載能力達(dá)到300千克。2015年11月，Super-Strypi曾攜帶10余顆立方體衛(wèi)星進(jìn)行首飛，雖然發(fā)射升空1分鐘后爆炸，卻掀起了小型運(yùn)載火箭的研究熱潮。目前，美國(guó)從事小型運(yùn)載火箭研制設(shè)計(jì)的商業(yè)公司接近20家，其中有部分“急先鋒”甚至已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)生產(chǎn)，即將開(kāi)展飛行試驗(yàn)。美國(guó)ARCA航天公司推出的Haas 2C火箭燃燒室和噴管全部采用復(fù)合材料，推力可達(dá)220千牛，而向量空間系統(tǒng)公司研制的小型運(yùn)載火箭，結(jié)構(gòu)質(zhì)量甚至只有685千克。

在小型運(yùn)載火箭的“競(jìng)技場(chǎng)”上，其他航天俱樂(lè)部成員也不甘示弱。歐洲航天局從2003年就開(kāi)始研制織女星號(hào)小型運(yùn)載火箭，可實(shí)現(xiàn)將15 0 0千克有效載荷發(fā)射到700千米高度的軌道，也可一次發(fā)射300～2000千克不同載荷的衛(wèi)星，同時(shí)還能讓微小衛(wèi)星搭上順風(fēng)車(chē)。被稱(chēng)為“世界上最小”運(yùn)載火箭的日本SS520火箭全長(zhǎng)僅9.54米，只有電線桿那么粗，是日本自主研發(fā)的三段式小型火箭。此外，俄羅斯也計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)新型小型運(yùn)載火箭“聯(lián)盟”號(hào)2LK的首飛。

小身板擔(dān)當(dāng)使命重?fù)?dān)

與大推力火箭發(fā)射成本高、準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、缺乏快速反應(yīng)能力相比，小型運(yùn)載火箭制造技術(shù)先進(jìn)、發(fā)射成本低、反應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強(qiáng)，尤其在衛(wèi)星小型化大行其道的今天，小型運(yùn)載火箭更是擔(dān)負(fù)起這類(lèi)簡(jiǎn)單成熟衛(wèi)星發(fā)射的重任，同時(shí)更因自身獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)而備受青睞。

別看小型運(yùn)載火箭個(gè)子小，但絕對(duì)是個(gè)“短跑健將”。一般的大中型運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間動(dòng)輒數(shù)月，小型運(yùn)載火箭卻是用天乃至小時(shí)來(lái)計(jì)算。法國(guó)的阿里安火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月，而美國(guó)的Super-Strypi小型運(yùn)載火箭發(fā)射時(shí)間只有21天，飛馬座火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間為14天，金牛座火箭更只有短短72小時(shí)。由美國(guó)和新西蘭聯(lián)合研制的電子小型運(yùn)載火箭，可實(shí)現(xiàn)每隔72小時(shí)進(jìn)行1次航天發(fā)射的超高頻率，堪稱(chēng)世界航天領(lǐng)域快速發(fā)射的代表作。這么短的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，意味著一旦遭遇自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)等突發(fā)事件，小型運(yùn)載火箭可快速將偵察、通信等用途的衛(wèi)星發(fā)射升空，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星的快速發(fā)射和空間部署，及時(shí)獲取相關(guān)重要信息，戰(zhàn)略意義相當(dāng)重要。

此外，小型運(yùn)載火箭的發(fā)射升空方式可謂多姿多彩。除可以像“老字號(hào)”運(yùn)載火箭一樣從地面及海上發(fā)射外，小型運(yùn)載火箭還可直接開(kāi)啟空中發(fā)射模式，堪稱(chēng)航天發(fā)射領(lǐng)域的一個(gè)偉大創(chuàng)舉。美國(guó)自20世紀(jì)50年代就開(kāi)始空中發(fā)射火箭的試驗(yàn)工作，飛馬座小型運(yùn)載火箭利用B-52轟炸機(jī)攜帶到空中，是世界上第一種實(shí)現(xiàn)空中發(fā)射的運(yùn)載火箭。在空中發(fā)射領(lǐng)域，美國(guó)的維珍銀河公司可算是情有獨(dú)鐘，不但研發(fā)設(shè)計(jì)的太空船2號(hào)亞軌道飛行旅游飛船采用空中發(fā)射升空，專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的運(yùn)載器1號(hào)小型運(yùn)載火箭也采取了通過(guò)波音747-400民用航空飛機(jī)發(fā)射的方案。

飛馬座小型運(yùn)載火箭

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界各航天大國(guó)的新一代運(yùn)載火箭都擺脫了研制初期以彈道導(dǎo)彈為基礎(chǔ)衍生的復(fù)雜設(shè)計(jì)方案，從設(shè)計(jì)之初就開(kāi)始考慮組合化、模塊化和通用化，通過(guò)不同的模塊搭配組合，實(shí)現(xiàn)覆蓋更加寬廣發(fā)射運(yùn)力范圍，從而滿足主流航天發(fā)射的需求。小型運(yùn)載火箭更是模塊化設(shè)計(jì)的先行軍，美國(guó)軌際系統(tǒng)公司研制的NEPTUNE小型運(yùn)載火箭通過(guò)捆綁不同數(shù)量的通用模塊，就可實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)載能力，目前已經(jīng)完成了通用模塊的飛行試驗(yàn)。同時(shí)，為進(jìn)一步降低航天發(fā)射成本，小型運(yùn)載火箭也將“省錢(qián)模式”發(fā)揮到了極致。

新興航天發(fā)射的敲門(mén)磚

天下武功，惟快不破。相比于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭漫長(zhǎng)的吊裝對(duì)接、狀態(tài)監(jiān)測(cè)和加注燃料時(shí)間，小型運(yùn)載火箭發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間明顯縮短，不僅提升了發(fā)射效率，更可大大掌握航天發(fā)射的先機(jī)。

其實(shí)，小型運(yùn)載火箭的研制并不復(fù)雜，尤其是火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)和結(jié)構(gòu)規(guī)模要小很多，在制造、試驗(yàn)等方面的更容易實(shí)現(xiàn)，因而在美國(guó)、歐洲等工業(yè)基礎(chǔ)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)掀起了研制小型運(yùn)載火箭的熱潮。目前，挺進(jìn)小型運(yùn)載火箭領(lǐng)域的都是近些年成立的新興商業(yè)航天公司，技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低，又能全面覆蓋火箭系統(tǒng)研制的切入點(diǎn)。商業(yè)公司開(kāi)展小型運(yùn)載火箭研制的一個(gè)共同特點(diǎn)就是完全掌握發(fā)動(dòng)機(jī)、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等核心技術(shù)，還要自建試驗(yàn)和制造設(shè)施，以便最大程度降低研制和生產(chǎn)成本，在新興航天發(fā)射的強(qiáng)烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中牢牢掌握主動(dòng)權(quán)。

新概念技術(shù)的大量涌入也將大大降低小型運(yùn)載火箭的發(fā)射成本。美國(guó)Bagaveev公司研制的小型運(yùn)載火箭一大特點(diǎn)就是采用了3D打印的發(fā)動(dòng)機(jī)，電子小型運(yùn)載火箭甚至將火箭的渦輪泵、閥門(mén)、噴射器和燃燒室等部件都采用了3D打印，不僅能提高火箭的制造效率，同時(shí)也可大幅度降低出現(xiàn)故障概率，大大縮短了火箭發(fā)射需要的檢測(cè)時(shí)間。

歐洲航天局研制的織女小型運(yùn)載火箭

當(dāng)然，我們更不能忘了小型運(yùn)載火箭在軍事領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景。近年來(lái)，一些退役下來(lái)的性能先進(jìn)的彈道導(dǎo)彈相繼加入小型運(yùn)載火箭的改裝行列。小型運(yùn)載火箭機(jī)動(dòng)靈活、反應(yīng)速度快，一旦在軍事上遭遇突發(fā)事件和局部戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，任務(wù)衛(wèi)星的損失補(bǔ)充和應(yīng)急發(fā)射等都需要小型快速火箭出來(lái)大顯身手。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，美軍就應(yīng)急發(fā)射過(guò)兩顆近地軌道小型通信衛(wèi)星，確保了戰(zhàn)時(shí)美軍通暢的戰(zhàn)場(chǎng)通信能力。此外，小型運(yùn)載火箭的大量新技術(shù)還可用于開(kāi)展高超音速武器的飛行試驗(yàn)。

美國(guó)早在數(shù)年前就曾提出過(guò)“衛(wèi)星即插即用”概念，對(duì)于及時(shí)響應(yīng)型衛(wèi)星和一系列低成本快速發(fā)射型火箭的需求成為當(dāng)務(wù)之急。美國(guó)國(guó)防部為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星快速部署，曾開(kāi)展過(guò)多個(gè)快速響應(yīng)發(fā)射技術(shù)研制項(xiàng)目，但直到目前，機(jī)載發(fā)射輔助進(jìn)入空間項(xiàng)目、試驗(yàn)性太空飛機(jī)項(xiàng)目和士兵-戰(zhàn)斗者應(yīng)急響應(yīng)投放器等進(jìn)展遲緩，小型運(yùn)載火箭為衛(wèi)星的快速發(fā)射提供了新的曙光。未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的通信、導(dǎo)航、偵察等都需要大量衛(wèi)星組成天基輔助作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)缺失都會(huì)對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)制勝產(chǎn)生巨大威脅。從這個(gè)意義上講，可實(shí)現(xiàn)快速發(fā)射、重復(fù)利用且成本低廉的小型運(yùn)載火箭將成為未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的又一“殺手锏”武器。

責(zé)任編輯：劉靖鑫