楊開 才滿瑞（北京航天長征科技信息研究所）

2018年4月29日，藍(lán)色起源公司（Blue Origin）的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道飛行器完成第8次飛行試驗(yàn)，最大飛行高度為107km，達(dá)到未來太空旅游任務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)高度，朝著商業(yè)化運(yùn)營又邁出了重要一步。

1 技術(shù)理念

藍(lán)色起源公司由網(wǎng)絡(luò)零售商亞馬遜創(chuàng)始人——杰夫·貝索斯于2000年創(chuàng)立，重點(diǎn)關(guān)注火箭垂直返回著陸技術(shù)，以此實(shí)現(xiàn)亞軌道飛行和軌道發(fā)射?！八{(lán)色起源”意指人類生活的地球是未來航天活動(dòng)的根源。

藍(lán)色起源公司的理念是“堅(jiān)實(shí)做好每一步”（Step by Step, Feriously），突出技術(shù)為本和樸實(shí)低調(diào)的風(fēng)格，采用漸進(jìn)式發(fā)展模式，從垂直起降技術(shù)驗(yàn)證和發(fā)動(dòng)機(jī)研制起步，到成功試驗(yàn)亞軌道重復(fù)使用飛行器，再進(jìn)一步挑戰(zhàn)大推力液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)以及“新格倫”（New Glenn）大型運(yùn)載火箭，秉持從易到難、從小到大的方案設(shè)計(jì)理念。藍(lán)色起源公司的低調(diào)內(nèi)斂和太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的高調(diào)宣傳形成鮮明對(duì)比，但是通過一步一個(gè)腳印地打好技術(shù)基礎(chǔ)、做好每款產(chǎn)品，也成長為商業(yè)航天領(lǐng)域內(nèi)的重要力量之一。

藍(lán)色起源公司在2005年到2011年間設(shè)計(jì)制造了多個(gè)垂直返回著陸技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，但是很少對(duì)外宣傳。這種相對(duì)“傳統(tǒng)”和保守的漸進(jìn)式發(fā)展理念，使其在開始并未得到廣泛關(guān)注，反而是更晚介入垂直返回著陸技術(shù)的SpaceX公司博取了更多眼球。不過藍(lán)色起源公司的長期研發(fā)投入終于在2015年得到回報(bào)，“新謝潑德”飛行器在SpaceX公司的獵鷹－9（Falcon－9）火箭之前實(shí)現(xiàn)垂直返回著陸，實(shí)現(xiàn)里程碑式的跨越，也為后續(xù)發(fā)展計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)。

2 發(fā)展歷程

“新謝潑德”飛行器研制計(jì)劃最早于2006年公布，該方案包括提供上升段推力的動(dòng)力模塊和搭載游客的乘員艙。乘員艙安裝在動(dòng)力模塊上方，利用動(dòng)力模塊的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)頂推到一定高度（約40km）后，動(dòng)力模塊發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，乘員艙分離，利用慣性自由滑行至100km左右的高空，讓游客體驗(yàn)微重力環(huán)境、欣賞高空景象，最后乘員艙返回，利用降落傘減速著陸。動(dòng)力模塊下降到接近地面時(shí)，會(huì)重新啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過動(dòng)力反推實(shí)現(xiàn)垂直返回著陸。為保證發(fā)射起飛階段的人員安全，乘員艙配備了逃逸系統(tǒng)。

前期技術(shù)驗(yàn)證

藍(lán)色起源公司在2005年利用一架稱為“卡戎”（Charon）的驗(yàn)證機(jī)啟動(dòng)了垂直返回著陸技術(shù)的驗(yàn)證。該驗(yàn)證機(jī)使用4臺(tái)羅羅公司（Royce-Rolls）生產(chǎn)的航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，垂直安裝到一個(gè)鋁合金焊接的框架結(jié)構(gòu)上，利用推力矢量控制實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)?！翱ㄈ帧痹?005年3月5日完成飛行試驗(yàn)，最大飛行高度96.3m，成功降落到地面上。藍(lán)色起源公司利用“卡戎”初步了解垂直返回著陸技術(shù)的設(shè)計(jì)、制造和操作流程。

“卡戎”之后，藍(lán)色起源公司啟動(dòng)了“新謝潑德”亞軌道旅游飛行器的規(guī)劃，通過多型驗(yàn)證機(jī)從低空到高空循序漸進(jìn)地開展垂直返回著陸技術(shù)的研發(fā)驗(yàn)證，同時(shí)開展試驗(yàn)、發(fā)射、測控等設(shè)施的建設(shè)，最后再對(duì)全尺寸的“新謝潑德”飛行器開展高空飛行試驗(yàn)。

在“新謝潑德”飛行器研制計(jì)劃下的首個(gè)技術(shù)驗(yàn)證機(jī)名為“戈達(dá)德”（Goddard），也稱為動(dòng)力模塊－1（Propulsion Module 1）。該飛行器采用了9臺(tái)BE－1火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，于2006年11月13日進(jìn)行首次垂直起降飛行試驗(yàn)，最大飛行高度為85m。2007年又完成了2次飛行試驗(yàn)，提升了飛行高度。通過動(dòng)力模塊－1的飛行試驗(yàn)，藍(lán)色起源公司驗(yàn)證了其飛行軟件的設(shè)計(jì)。該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)射前準(zhǔn)備、發(fā)射、飛行和著陸的自動(dòng)控制。BE－1是一臺(tái)采用過氧化氫推進(jìn)劑的單組元發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為8.9kN。

之后，藍(lán)色起源公司開始研制動(dòng)力模塊－2（Propulsion Module 2）技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，該驗(yàn)證機(jī)在外形上更加接近于現(xiàn)在的“新謝潑德”飛行器。動(dòng)力模塊－2采用5臺(tái)BE－2火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，2011年5月6日進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)，飛行高度達(dá)到167m，完成低空垂直返回的驗(yàn)證。2011年8月14日在第2次飛行試驗(yàn)中，動(dòng)力模塊－2達(dá)到Ma 1.2的速度，最大飛行高度達(dá)到13.7km。不過由于飛行失穩(wěn)，安全系統(tǒng)終止了推力，動(dòng)力模塊－2最終墜落到沙漠中。BE－2發(fā)動(dòng)機(jī)采用過氧化氫/煤油推進(jìn)劑，推力為140kN。

在開展動(dòng)力模塊驗(yàn)證的同時(shí)，藍(lán)色起源公司通過參與“商業(yè)乘員開發(fā)”（CCDev）計(jì)劃，在美國國家航空航天局（NASA）的資助下于2012年完成了乘員艙的逃逸試驗(yàn)。乘員艙采用一種推進(jìn)器逃逸系統(tǒng)，在上升段出現(xiàn)緊急狀態(tài)時(shí)，利用頂推的方式使乘員艙遠(yuǎn)離動(dòng)力模塊。而傳統(tǒng)載人飛船的逃逸塔一般采用拉拽的方式使飛船遠(yuǎn)離火箭。

全尺寸飛行試驗(yàn)

從動(dòng)力模塊－1和動(dòng)力模塊－2分別采用BE－1、BE－2發(fā)動(dòng)機(jī)可以看到，藍(lán)色起源公司最初將發(fā)動(dòng)機(jī)研制的重點(diǎn)放到了過氧化氫/煤油推進(jìn)劑上。而且在2006年披露的設(shè)計(jì)方案中，“新謝潑德”飛行器原計(jì)劃也采用過氧化氫/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。不過在2011年的動(dòng)力模塊－2飛行試驗(yàn)失敗之后，藍(lán)色起源公司對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)方案進(jìn)行了重大調(diào)整。當(dāng)時(shí)，該公司正在NASA的CCDev計(jì)劃下開展BE－3液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制（原計(jì)劃用于發(fā)射載人飛船的重復(fù)使用助推系統(tǒng)），由于得到NASA的支持，研制進(jìn)展非常順利。BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)研制項(xiàng)目是在2011年提出的，2012年完成推力室試車，2013年進(jìn)行首次發(fā)動(dòng)機(jī)試車。

考慮液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)在性能上的絕對(duì)優(yōu)勢以及BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)的研制進(jìn)展，再加上動(dòng)力模塊－2飛行試驗(yàn)出現(xiàn)意外，藍(lán)色起源公司決定將“新謝潑德”飛行器的過氧化氫/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)替換為BE－3液氫/液氫發(fā)動(dòng)機(jī)。

BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)采用抽氣循環(huán)方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、關(guān)機(jī)方便等優(yōu)勢，推力達(dá)到490kN，具有多次點(diǎn)火啟動(dòng)能力，而推力調(diào)節(jié)范圍則達(dá)到了18%～100%，其設(shè)計(jì)方案非常符合垂直返回著陸技術(shù)的要求。

更換為BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)之后，藍(lán)色起源公司在2015年完成了第1架“新謝潑德”飛行器的研制，開始進(jìn)行全尺寸飛行器的飛行試驗(yàn)。同時(shí)，還公布了“新謝潑德”的部分設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。動(dòng)力模塊頭部設(shè)計(jì)了環(huán)形翼和可展開的垂直翼，幫助在返回過程中調(diào)整壓心，提高穩(wěn)定性。環(huán)形翼上還有8塊可展開的減速板，在返回過程中將動(dòng)力模塊的速度降低50%。尾翼利用液壓作動(dòng)裝置操縱，在上升過程中提高飛行穩(wěn)定性，在返回過程中控制方向，返回著陸點(diǎn)。乘員艙內(nèi)部有15m3的空間，能夠搭載6名乘客，設(shè)有大面積舷窗便于觀賞景色。

截至2018年4月，藍(lán)色起源公司共對(duì)3架“新謝潑德”飛行器進(jìn)行了8次飛行試驗(yàn)。其中，第1架“新謝潑德”于2015年4月29日進(jìn)行飛行試驗(yàn)時(shí)，乘員艙利用降落傘成功著陸，但是動(dòng)力模塊在返回過程中由于失控而墜毀。第2架“新謝潑德”于2015年11月23日首次完成了動(dòng)力模塊的垂直返回著陸，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的重大突破，同時(shí)還成功回收了乘員艙?！靶轮x潑德”飛行器通過8次試驗(yàn)飛行，正在逐步走向成熟和商業(yè)運(yùn)營。藍(lán)色起源公司計(jì)劃從第4架“新謝潑德”飛行器開始進(jìn)行載人飛行。另外，藍(lán)色起源公司不僅利用“新謝潑德”飛行器開展太空旅游業(yè)務(wù)，還將利用飛行任務(wù)中3～4min的微重力環(huán)境，為各類微重力試驗(yàn)提供搭載機(jī)會(huì)。

3 未來規(guī)劃

“新謝潑德”亞軌道飛行器不是藍(lán)色起源公司發(fā)展的終點(diǎn)，而是其漸進(jìn)式發(fā)展模式中的必要一環(huán)。藍(lán)色起源公司將以亞軌道飛行器驗(yàn)證的動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)和垂直返回著陸技術(shù)為基礎(chǔ)，研制推力更大的BE－4液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)和“新格倫”大型運(yùn)載火箭，為美國提供本土化的主動(dòng)力系統(tǒng)，參與發(fā)射服務(wù)競爭。

BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)

2014年，美俄在烏克蘭問題上出現(xiàn)沖突之后，美國政府為確保本國獨(dú)立進(jìn)入空間的能力，計(jì)劃研制新一代主發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)槊绹?lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的主力運(yùn)載火箭宇宙神－5（Atlas－5）采用的是從俄羅斯進(jìn)口的RD－180發(fā)動(dòng)機(jī)，藍(lán)色起源公司借助這個(gè)機(jī)會(huì)，同聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司合作，快速推進(jìn)BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。

BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)是首個(gè)采用液氧/甲烷推進(jìn)劑的工程應(yīng)用型號(hào)，采用分級(jí)燃燒循環(huán)，推力為2400kN，具備重復(fù)使用能力和推力調(diào)節(jié)能力，面向未來的重復(fù)使用運(yùn)載器設(shè)計(jì)。藍(lán)色起源公司通過BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)積累了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，在得到資金支持和政府技術(shù)支撐后，BE－4項(xiàng)目快速發(fā)展。到2015年，已經(jīng)完成了包括預(yù)燃器、再生冷卻推力室、噴注器在內(nèi)多個(gè)組件的100多次試驗(yàn)，驗(yàn)證了關(guān)于噴注器性能、熱傳遞、燃燒穩(wěn)定性的理論模型，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。2017年3月，第1臺(tái)BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)完成裝配下線。同年10月，對(duì)BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行第1次試車，在50%的推力水平下，點(diǎn)火工作3s。2018年3月，BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)在65%的推力水平下，試車114s。盡管BE－4項(xiàng)目在2015年和2017年曾出現(xiàn)過2次推力室試車事故，不過藍(lán)色起源公司在BE－4項(xiàng)目上投入了充足的資源，建設(shè)了新的試車臺(tái)，保證了研制進(jìn)度，預(yù)計(jì)在2018年底完成鑒定，2019年能夠投入使用。

“新謝潑德”飛行器的8次飛行試驗(yàn)情況

“新格倫”火箭

在“新謝潑德”飛行試驗(yàn)不斷取得成功，BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)得到快速發(fā)展之后，藍(lán)色起源公司在2016年公布了“新格倫”大型運(yùn)載火箭研制計(jì)劃。該火箭基礎(chǔ)構(gòu)型的直徑為7m，一子級(jí)采用7臺(tái)BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)，二子級(jí)采用2臺(tái)BE－3U發(fā)動(dòng)機(jī)，整流罩直徑達(dá)到7m，近地軌道運(yùn)載能力45t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力13t。根據(jù)任務(wù)需求，可以選裝三子級(jí)，采用1臺(tái)BE－3U發(fā)動(dòng)機(jī)?；A(chǔ)構(gòu)型全長86m，三級(jí)構(gòu)型全長99m。其中，BE－3U發(fā)動(dòng)機(jī)在BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上針對(duì)真空環(huán)境進(jìn)行改進(jìn)，適用于火箭上面級(jí)。

“新格倫”火箭的一子級(jí)采用垂直返回著陸技術(shù)，利用海上平臺(tái)實(shí)現(xiàn)回收和復(fù)用，充分繼承“新謝潑德”飛行器的現(xiàn)有技術(shù)，形成該型火箭的核心競爭力。

藍(lán)色起源公司計(jì)劃在2020年 實(shí)現(xiàn)“新格倫”火箭的首飛，將與SpaceX公司、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司、阿里安空間公司（Arianespace）等競爭大型載荷的發(fā)射任務(wù)。目前，“新格倫”火箭已經(jīng)得到4份發(fā)射合同，包括歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）、泰國Mu航天公司、日本完美天空日星公司（Sky Perfect JSAT）的3顆同步軌道衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，以及一網(wǎng)公司（ONEWEB）的4次近地軌道互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)射任務(wù)。

藍(lán)色起源公司曾表示，很多空間載荷受制于運(yùn)載能力限制而不能做大，希望通過運(yùn)載能力的提升來拉動(dòng)發(fā)射需求的增長。例如，如果具備了更大的運(yùn)載能力，衛(wèi)星廠商可以開發(fā)直徑更大的天線或者規(guī)模更大的商業(yè)空間站，研究機(jī)構(gòu)也可以制造口徑更大的天文望遠(yuǎn)鏡。

重型火箭和月球著陸器

“新格倫”火箭是藍(lán)色起源公司從亞軌道飛行向軌道發(fā)射邁出的重要一步，但不是其終點(diǎn)。該公司創(chuàng)始人杰夫·貝索斯在公布“新格倫”火箭方案時(shí)，還透露了未來將發(fā)展一型運(yùn)載能力更大的火箭“新阿姆斯特朗”（New Amstrong），瞄準(zhǔn)月球探索。而且，2017年藍(lán)色起源公司還專門在美國國會(huì)航天分委會(huì)的聽證會(huì)上，陳述了關(guān)于利用“藍(lán)月”（Blue Moon）月球著陸器支撐月球探索任務(wù)的方案?！八{(lán)月”著陸器可以攜帶質(zhì)量為4.5t的載荷在月球表面著陸，為科研用月球車、資源探測開采、探索任務(wù)后勤補(bǔ)給甚至遠(yuǎn)期的月球居住站提供支持。

4 小結(jié)

藍(lán)色起源公司在2000年成立之后，用了10多年的時(shí)間才在“新謝潑德”飛行器上取得了重要進(jìn)展，其進(jìn)度看上去非常“慢”，但就像杰夫·貝索斯曾經(jīng)引用的一句話：“慢就會(huì)順利，順利就會(huì)快?！?/p>

藍(lán)色起源公司目前披露的產(chǎn)品型號(hào)計(jì)劃，包括“新格倫”大型火箭、“新阿姆斯特朗”重型火箭以及未來月球探索計(jì)劃，都需要以垂直返回著陸技術(shù)和發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)。所以“新謝潑德”項(xiàng)目需要在這兩項(xiàng)技術(shù)上進(jìn)行長時(shí)間的打磨，奠定能力基礎(chǔ)。也正因如此，藍(lán)色起源公司才能在BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)和“新格倫”火箭項(xiàng)目上實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展。從“新謝潑德”項(xiàng)目可以看到，在基礎(chǔ)技術(shù)上進(jìn)行長期投入，形成核心競爭力，對(duì)于藍(lán)色起源公司的長遠(yuǎn)發(fā)展具有重要意義。

另外，從“新謝潑德”的產(chǎn)品定位而言，亞軌道太空旅游市場還不成熟，涉足競爭的公司也很少，存在很大的不確定性。而藍(lán)色起源公司其他幾型產(chǎn)品也都是如此，例如“新格倫”火箭50噸級(jí)別的運(yùn)載能力，也不是當(dāng)下發(fā)射市場的需求。所以藍(lán)色起源公司開展商業(yè)競爭的定位，可能更多地是瞄準(zhǔn)航天領(lǐng)域的“藍(lán)?！?，而不是在已經(jīng)競爭非常嚴(yán)重的大中型商業(yè)衛(wèi)星和小型商業(yè)衛(wèi)星方面發(fā)力。當(dāng)然，這種定位和競爭策略可能存在很大的風(fēng)險(xiǎn)，要在需求分析和市場調(diào)研及預(yù)判上做好十足的準(zhǔn)備。不過這樣一種競爭策略值得我們思考和研究，隨著航天技術(shù)越來越成熟，進(jìn)入門檻越來越低，勢必有更多的競爭者入局，依靠什么樣的能力和產(chǎn)品才能形成優(yōu)勢，在航天領(lǐng)域占得一席之地？