聯合發射公司的新一代火箭

□ 張雪松

2014年烏克蘭危機，對美國航天工業也造成了巨大的沖擊。美國在參議院麥凱恩推動下，要求研制國產的大推力碳氫燃料發動機取代俄羅斯進口的RD-180發動機，以擺脫現有“宇宙神”5火箭對俄羅斯發動機的依賴。經過幾個月的討論，加上聯合發射聯盟（ULA）面對太空探索技術公司（SpaceX）越來越強的競爭壓力，最終產生了“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發動機發射軍用載荷。羅戈津不過是虛張聲勢的復讀，所謂禁止發射軍用載荷，是美國引進RD-180發動機時就簽訂的協議，不過這個軍用載荷的定義和我們多數人理解的不一樣，它指的是天基激光器之類武器的狹義定義，連發射天基紅外預警衛星也不在限制之列。盡管如此，俄國官方的非正式聲明還是進一步引發了美國國內對使用俄國火箭發動機的擔憂和指責：美國空軍又一次開始討論國產化RD-180的問題，但根據更早的研究報告，盡管美俄早就簽訂了相關合同，但美國進行RD-180發動機的國產化，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，禁止美國繼續進口RD-180發動機，更是把洛馬公司使用該型發動機的“宇宙神”5火箭逼到墻角。與此同時，SpaceX公司高調宣傳廉價全國產化“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射中降低成本和報價。2014年美俄關系并沒有轉暖，雖然俄羅斯沒有禁止出口RD-180發動機的跡象，但美國國內日益要求擺脫“宇宙神”5火箭在發動機上對俄羅斯的依賴，ULA也只能做好無法繼續采購的準備，精打細算把發射任務盡可能轉交給“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射系統（NGLS），它正式服役時或許會被命名為“宇宙神”6火箭。

NGLS的出現

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

藍色起源公司是亞馬遜公司總裁杰夫·貝索斯創立的私營航天公司，雖然在美國商業貨運和商業客運發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是一年后的事情了，直到現在蚱蜢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

藍色起源公司在發動機研制上同樣做出了很大的成績，如果說BE-2發動機還有些稚嫩的話，BE-3發動機上已經顯示出它強勁的實力。BE-2發動機使用過氧化氫/煤油推進劑，單發推力也只有15噸，新謝帕德飛行器不得不使用5臺BE-2發動機并聯推動，而BE-3發動機則是一種液氧液氫發動機，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動機YF-77非常相近。不僅如此，BE-3發動機還具有深度節流能力和重復使用能力，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發動機，它為真空環境進行了優化，是一種一次性使用的上面級發動機。

基于這樣的背景，2014年9月17日藍色起源公司宣布和ULA的合作關系，并將為其研制2450千牛的BE-4發動機時，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發動機的細節也越發清晰起來。綜合它們的聲明和媒體報道，BE-4發動機是一種富氧分級燃燒循環的液氧甲烷發動機，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。由于技術參數并不高，它的性能也談不上出眾，藍色起源公司公布的數據顯示，BE-4液氧甲烷發動機的推力為550千磅（249.8噸），可以節流到40%，發動機地面和真空比沖分別為307秒和342秒。據稱BE-4發動機已經進行了縮比富氧預燃器研制試驗，預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，預計可以在2016—2017年開始進行全尺寸發動機的測試，并在2019年進行首次發射。

公 示

根據新聞出版總署《2014年新聞記者證換發實施辦法》的要求，我單位太空探索雜志社已對換發記者證人員及符合《新聞采編人員崗位培訓考試》免考資格的人員進行嚴格審核，現將我單位通過新聞記者證換發資格審查的人員名單及符合《新聞采編人員崗位培訓考試》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。

新聞出版總署舉報電話:010-83138953

太空探索雜志社舉報電話：010-68767130

通過新聞記者證換發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

根據俄羅斯授權完成RD-180發動機的國產化需要至少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發動機雖然是全新的設計，但也是傾向于低成本高可靠性的新設計：它使用富氧分級燃燒循環，最根本的原因就是這種設計可以降低燃料泵的出口壓力，降低泵和閥門出現事故的可能性；它還是一種低室壓的發動機，13兆帕的燃燒室壓強不僅和RD-180發動機的25兆帕相去甚遠，也比我國YF-100發動機的18兆帕低得多，甚至不如蘇聯第一代富氧高壓補燃發動機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計制造難度。BE-4發動機還通過使用更先進的設計和制造技術降低研制和生產成本，而RD-180發動機使用的是數十年前的技術，很多制造技術和工藝在美國工業界已經被淘汰，肯定要為此大費周章的使用新技術，反而增加了美國生產的難度和費用。BE-4發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動機，現在不過是簽訂合作協議后提供給ULA分攤成本。杰夫·貝索斯號稱到2014年7月已經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發動機及其測試設施的研制和建造上，2014年5月藍色起源公司的液氧甲烷發動機地面測試設施已經建成，它可以測試最大推力450噸的發動機。

ULA確保BE-4發動機的研制和供應后，馬上就提出了下一代漸進一次性運載火箭的設計方案。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，其中包括新火箭暫時不考慮重復使用能力，火箭最大起飛質量約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動機，但不會使用藍色起源公司的BE-3發動機。2014年10月，ULA的新總裁托里·布魯諾在接受采訪時提到，新火箭的初始設計有望在年底前完成，而且它的發射費用將只有該公司現有火箭的一半左右，該公司打算以此為契機重新進軍商業發射市場。

NGLS的基本設計

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

NGLS火箭最大起飛質量約430噸，這個構型很可能是一個芯級捆綁6個固體助推器的設計，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發動機，而固體助推器不出意外仍然使用航空噴氣公司的產品。火箭芯級還將使用自生增壓技術，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雜厚重的保溫隔熱措施，這將有利于火箭芯級提高質量比。火箭上面級如果使用改進型半人馬座，它的同步轉移軌道運力可達13噸以上，如果使用全新的類似先進通用漸進上面級（ACES）的設計，同步轉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發射工位，無需新建新工位增加成本。由于NGLS火箭起飛質量更大，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重型構型，但為了降低成本，捆綁不同數量助推器的芯級仍要求通用。NGLS的同步轉移軌道運力將超過“德爾它”4重型火箭，根據目前的推測，NGLS首先將取代由于RD-180發動機問題的發射一枚少一枚的“宇宙神”5火箭，隨后使用類似ACES上面級的設計后，可能進一步取代現有的“德爾它”4火箭。

BE-4 發動機測試

XCOR公司的XR-5H25發動機點火

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動機，XCOR公司還和ULA合作，計劃以這項技術出發研制新的高性能氫氧發動機。根據NGLS出現前的報道，雙方聯合研制的縮比XR-5H25發動機曾在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發動機，它仍將使用獨特的熱力循環和活塞泵技術，推力將達到111.2千牛，與現有的RL-10發動機相比，XCOR公司研制的氫氧發動機將具有更簡單的結構和更廉價的生產成本。

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動機，不出意外的話，新上面級將使用ACES的設計概念和XCOR公司XR-8H21發動機。ACES上面級除了氣球共底儲箱的設計外，最顯著的特點是全新概念的推進劑管理系統，具體說是利用受熱蒸發的氫氣和氧氣進行自生增壓、姿態控制和發電，這樣就完全取消了冷氦/超臨界氦增壓系統，省去了姿態控制系統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%的質量系數，或者說質量比達到了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。雖然現在看來“德爾它”4火箭很可能被NGLS取代，但類似ACES設計的新型上面級對NGLS運力的提升，仍然可見一斑。不過去年的ACES上面級設計中，使用的是RL-10C發動機，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發動機。

BE-4發動機

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

BE-3 發動機試車