文/遲惑 于遠(yuǎn)航

2021 年8 月29 日，美國(guó)阿斯特拉公司的“火箭3.3”在阿拉斯加太平洋航天港發(fā)射。點(diǎn)火后，一級(jí)火箭的5 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)中，有一臺(tái)工作異常，導(dǎo)致推力不平衡?；鸺仁窃诎l(fā)射臺(tái)上橫著移動(dòng)，然后勉強(qiáng)向上飛，但因?yàn)樽藨B(tài)嚴(yán)重錯(cuò)誤，發(fā)射控制員不得不中斷飛行，火箭最終掉進(jìn)了太平洋。

目前正在努力為美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局研制小型快速響應(yīng)火箭的阿斯特拉公司，或許是小火箭公司在成本和性能之間掙扎的最典型案例。

▲ 阿斯特拉公司火箭爆炸

▲ 阿斯特拉公司團(tuán)隊(duì)

“火箭”火箭

阿斯特拉公司主要打算為軍方提供一種小型快速響應(yīng)火箭，根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)需要應(yīng)急發(fā)射衛(wèi)星。它的發(fā)射能力大概可以把150 千克的載荷送到500 千米高的近地軌道上。阿斯特拉公司在2016 年10月成立，2018 年3 月就把第一枚火箭豎到了發(fā)射臺(tái)上，聽(tīng)起來(lái)還是挺神速的。

這家公司在給自己火箭起名的時(shí)候非?！皯小?，僅僅叫做“火箭”而已。第一個(gè)型號(hào)就叫做“火箭一號(hào)”。不過(guò)這枚“火箭一號(hào)”并不能發(fā)射衛(wèi)星入軌，僅僅是拿來(lái)測(cè)試一級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)“德?tīng)柗摇保@個(gè)詞的意思是德語(yǔ)“海豚”。而第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)叫做“以太”，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出來(lái)，所以只是用了一個(gè)配重。

2018 年7 月，“火箭一號(hào)”升空。不過(guò)據(jù)悉，在3 月到7 月間，阿斯特拉公司多次試圖發(fā)射火箭卻沒(méi)能成功。7 月20 日的這次發(fā)射也沒(méi)有成功，“火箭一號(hào)”從阿拉斯加發(fā)射場(chǎng)升空，不過(guò)只飛行了27 秒就發(fā)生異常，掉回了地面，墜落點(diǎn)都沒(méi)有超出發(fā)射場(chǎng)的圍欄。然而阿斯特拉公司總裁卻對(duì)記者表示，客戶(hù)對(duì)這次的發(fā)射結(jié)果非常滿(mǎn)意。

4 個(gè)月后，阿斯特拉公司再次組織發(fā)射，火箭飛行了30 秒之后中止飛行，墜落到地面。而公司聲稱(chēng)這次發(fā)射是成功的。

阿斯特拉公司的1.0 和2.0 兩枚火箭的發(fā)射應(yīng)該認(rèn)為是成功的，因?yàn)橹挥幸患?jí)火箭，并且只是把它垂直打上天去，并不要求入軌，這件事的難度不算太大。但是到了3.0 期間，阿斯特拉公司就必須要研制一種能夠入軌的運(yùn)載火箭了，所以問(wèn)題的難度立刻成幾何級(jí)數(shù)上升。

怎么也不能入軌

第3 版火箭也就是真正要入軌的型號(hào)，它的編號(hào)是按照3.x 的方式進(jìn)行的。第一枚稱(chēng)為“火箭3.0”。這枚火箭用來(lái)正式執(zhí)行美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的發(fā)射任務(wù)。本來(lái)2020 年的3 月2日是火箭3.0 的發(fā)射最后窗口，但是由于地面準(zhǔn)備工作沒(méi)有能夠完成，所以錯(cuò)過(guò)了這個(gè)窗口。但是美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局并沒(méi)有因此撤回對(duì)阿斯特拉公司的支持，他們要求這家企業(yè)繼續(xù)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

▲ 準(zhǔn)備發(fā)射的阿斯特拉公司火箭3.0

3 月23 日火箭3.0 終于準(zhǔn)備再次實(shí)施發(fā)射，但它在發(fā)射準(zhǔn)備期間著火了。當(dāng)時(shí)地面技術(shù)人員完成了一次演練，然而因?yàn)椴幻髟?，火箭起火把整箭完全燒毀。?jù)說(shuō)火箭上當(dāng)時(shí)沒(méi)有衛(wèi)星，因此也沒(méi)有造成載荷方面的損失。

火箭3.0 損毀之后，阿斯特拉公司繼續(xù)挑戰(zhàn)第一宇宙速度。2020 年8 月31 日火箭3.1 豎到了發(fā)射臺(tái)上，但是天公不作美，發(fā)射只能推遲。9 月12 日，火箭3.1 終于點(diǎn)火，但是很快就墜回了地面，在一片空?qǐng)錾险ǖ梅鬯椤０⑺固乩竟賳T表示，這次飛行沒(méi)有攜帶有效載荷，所以發(fā)生失敗造成的損失不大。

▲ 阿斯特拉公司火箭3.1 墜毀

下一枚火箭就是3.2。2020 年12月15 日，火箭3.2 從阿拉斯加州起飛，這次看起來(lái)似乎要接近成功了，火箭成功地穿過(guò)了卡門(mén)線(xiàn)，達(dá)到了390 千米的高度。這原本是它應(yīng)該部署衛(wèi)星的軌道，但是由于上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料混合出現(xiàn)問(wèn)題，所以模擬有效載荷并沒(méi)有達(dá)到第一宇宙速度。但阿斯特拉公司宣布這次任務(wù)是成功的，因?yàn)樗麄兊膶?shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是實(shí)現(xiàn)一級(jí)關(guān)機(jī)和一二級(jí)分離，只要能把這件事情做到就算是任務(wù)成功，人們也就姑妄聽(tīng)之吧。

橫著飛的火箭3.3

2021 年8 月29 日，火 箭3.3 在阿拉斯加太平洋航天港發(fā)射，結(jié)果再次遭到失敗。其失敗的情形正如本文開(kāi)頭所描述。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官肯普在失敗后約90 分鐘召開(kāi)的電話(huà)記者會(huì)上稱(chēng)，一級(jí)火箭5 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)，由于不明原因在起飛后不到1秒即發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)射失敗。

大家可能會(huì)問(wèn)了，一般火箭發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，火箭不是會(huì)爆炸嗎？阿斯特拉公司的火箭怎么這么“頑強(qiáng)”，掙扎了一段時(shí)間，還飛了上去？這就得從火箭的飛行原理說(shuō)起了。

我們知道，火箭要想獲得向上飛行的速度，其火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力一定要大于火箭的重量。對(duì)于這個(gè)指標(biāo)，業(yè)內(nèi)有一個(gè)專(zhuān)用名詞，叫“推重比”。阿斯特拉公司發(fā)布的資料顯示，此次發(fā)射的火箭采用液氧和煤油推進(jìn)劑，長(zhǎng)11.6米，直徑1.32 米，被設(shè)計(jì)成能裝入標(biāo)準(zhǔn)貨運(yùn)集裝箱，設(shè)計(jì)太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力為25 千克，低軌運(yùn)載能力為100千克?；鸺患?jí)裝有5 臺(tái)由電泵驅(qū)動(dòng)的“海豚”發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力約140 千牛；二級(jí)安裝單臺(tái)“以太”發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力約3.1 千牛。

在此次發(fā)射中，該火箭在一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)不能工作的情況下，仍然能維持不墜落地面，且貼著地面橫向移動(dòng)，說(shuō)明火箭剩下的仍然在工作的4 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的推力恰好與火箭的重量相等。此時(shí)的火箭無(wú)法獲得向上飛升的加速度。但是隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不斷消耗推進(jìn)劑，火箭的總質(zhì)量在不斷減輕。當(dāng)推進(jìn)劑被消耗到一定程度時(shí)，火箭再次獲得向上的加速度，重新開(kāi)始爬升。

大家可能還有一個(gè)疑問(wèn)，那就是火箭為什么不原地浮空，而是發(fā)生了側(cè)向偏移呢？

這就說(shuō)明此次火箭發(fā)生故障的那一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并沒(méi)有被布置在5 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的中間位置，而是布置在了一側(cè)。在這種情況下，火箭的推力不平衡，理論上火箭應(yīng)該傾倒在地才對(duì)，但它為什么沒(méi)有倒地呢？這要?dú)w功于火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)。

▲ 準(zhǔn)備發(fā)射的阿斯特拉公司火箭3.2

我們知道，一般運(yùn)載火箭都有制導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)告訴火箭，在什么時(shí)候應(yīng)該轉(zhuǎn)彎，應(yīng)該轉(zhuǎn)多大的彎，以及在什么條件下關(guān)閉火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。遵從制導(dǎo)系統(tǒng)的指令，運(yùn)載火箭就會(huì)最終到達(dá)預(yù)定的軌道。

那么是誰(shuí)指揮發(fā)動(dòng)機(jī)偏轉(zhuǎn)，控制火箭執(zhí)行制導(dǎo)系統(tǒng)的指令呢？那就是火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)。

姿態(tài)控制系統(tǒng)要隨時(shí)感受火箭當(dāng)前的姿態(tài)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)行調(diào)整，使火箭的姿態(tài)回歸到制導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)定的位置上來(lái)。其間，火箭的姿態(tài)必然會(huì)受到各種各樣的擾動(dòng)，姿態(tài)控制系統(tǒng)必須克服這些擾動(dòng)，控制好火箭的姿態(tài)。

火箭發(fā)射時(shí)，制導(dǎo)系統(tǒng)給出的指令一般是垂直90 度向上飛行。當(dāng)阿斯特拉公司的這枚火箭，在其一側(cè)安裝的一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障關(guān)機(jī)后，由于火箭的重心要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)動(dòng)機(jī)推力的作用位置，火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)為了保持火箭的平衡，就必須控制發(fā)動(dòng)機(jī)向另一側(cè)擺動(dòng)，產(chǎn)生相反的推力力矩，使火箭的姿態(tài)盡量保持在垂直狀態(tài)。但這樣也會(huì)產(chǎn)生另外一個(gè)副作用，那就是火箭獲得了一個(gè)側(cè)向力，推動(dòng)火箭發(fā)生橫向飛行。

遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在地面控制人員關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候，這枚火箭達(dá)到了距離地球表面大約50 千米的高度。所以，阿斯特拉公司距離發(fā)射成功還是挺遠(yuǎn)的。

雖屢敗但雄心不減

發(fā)射雖然又一次失敗了，但似乎并沒(méi)影響阿斯特拉公司必勝的雄心。按照他們的說(shuō)法，過(guò)去的3 次軌道飛行雖然都失敗了，但是一次比一次接近最終成功的目標(biāo)，也就是進(jìn)入近地軌道。

▲ 阿斯特拉公司的火箭3 第一級(jí)有5 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)

▲ 火箭3.3 居然用四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)起飛了

▲ 一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)失靈，導(dǎo)致火箭3,3 橫飛

公司負(fù)責(zé)人在推特上給自己打氣，說(shuō)為團(tuán)隊(duì)感到無(wú)比自豪，征服太空可能很艱難，但是就像這枚火箭一樣，我們是不會(huì)放棄的。這樣的豪言壯語(yǔ)聽(tīng)起來(lái)非常讓人感動(dòng)，但實(shí)際上真正讓他不會(huì)放棄的，是已經(jīng)拿到手的大約1 億美元投資。有了這么一大筆錢(qián)作為底氣，再加上美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的預(yù)售合同，這家企業(yè)當(dāng)然還可以把試錯(cuò)的工作繼續(xù)推進(jìn)下去。