西班牙氣球發(fā)射小型運(yùn)載火箭方案淺析

楊開 薛京寧 （ 北京航天長征科技信息研究所， 北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

西班牙氣球發(fā)射小型運(yùn)載火箭方案淺析

楊開1薛京寧2（1 北京航天長征科技信息研究所，2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

Preliminary Analysis of Spanish Bloostar Rocket Launched by Balloon

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2017年3月1日，西班牙零至無窮公司（Z2I）成功完成了“氣球星”（Bloostar）小型運(yùn)載火箭原型機(jī)的高空試驗(yàn)。

零至無窮公司創(chuàng)建于2009年，創(chuàng)始初期重點(diǎn)研究利用同溫層氣球?qū)⒋笮洼d荷送入太空邊緣，目前，該公司已經(jīng)在提供相關(guān)服務(wù)。在氣球技術(shù)成熟之后，該公司將重心轉(zhuǎn)向以高空氣球作為發(fā)射平臺(tái)的小型運(yùn)載火箭。

1 方案介紹

零至無窮公司的發(fā)射方案采用同溫層氣球作為基礎(chǔ)級(jí)，把“氣球星”火箭送入高空，之后火箭點(diǎn)火工作將載荷送入軌道。該方案實(shí)現(xiàn)了氣球技術(shù)和火箭技術(shù)的相互融合，公司稱這種方式為“氣球-火箭”（Rockoon）解決方案。

構(gòu)型

“氣球星”火箭采用三級(jí)并聯(lián)構(gòu)型。一、二子級(jí)都采用環(huán)形貯箱，一子級(jí)包圍著二子級(jí)，三子級(jí)在中心位置。發(fā)動(dòng)機(jī)和其他子系統(tǒng)都固定在環(huán)形貯箱上。由于采用環(huán)形結(jié)構(gòu)和并聯(lián)布置的形式，使得“氣球星”的構(gòu)型非常緊湊，便于裝配，火箭的總質(zhì)量僅為4.9t。

有效載荷和三子級(jí)連接在一起。由于是從太空邊緣發(fā)射，幾乎沒有空氣阻力，所以在外形設(shè)計(jì)上不受空氣動(dòng)力學(xué)因素的限制。而且“氣球星”不會(huì)經(jīng)歷條件嚴(yán)苛的大氣層飛行階段，熱和載荷環(huán)境相對(duì)好很多，因此整流罩設(shè)計(jì)為可折疊的形狀，采用碳纖維骨架和多層復(fù)合材料布面，布面最內(nèi)層是氣體阻隔薄膜。

目前，“氣球星”的級(jí)間分離采用火工品分離開關(guān)，不過這種裝置成本比較高，而且會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，未來可能考慮更換為機(jī)械分離方式。

“氣球星”的質(zhì)量分布情況（不包括有效載荷）

零至無窮公司將“氣球星”定位為微納衛(wèi)星專用小型運(yùn)載火箭，600km的太陽同步軌道（SSO）運(yùn)載能力為75kg。

推進(jìn)系統(tǒng)

“氣球星”火箭一子級(jí)采用6臺(tái)推力15kN的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，二子級(jí)采用6臺(tái)推力2kN的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，三子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)和二子級(jí)相同，但是僅有1臺(tái)。和一般串聯(lián)構(gòu)型的火箭不同，“氣球星”火箭在20～25km高空發(fā)射時(shí)，3個(gè)子級(jí)的全部13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)點(diǎn)火工作，提供104kN的推力。發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)以簡單可靠為原則。上述兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都有很高的結(jié)構(gòu)裕量，并采用了冗余點(diǎn)火系統(tǒng)。由于“氣球星”火箭是在高空低壓以及真空環(huán)境中工作的，所以發(fā)動(dòng)機(jī)噴管能夠?qū)我画h(huán)境（即真空）實(shí)現(xiàn)性能的最大程度優(yōu)化。而且發(fā)動(dòng)機(jī)的尺寸規(guī)模非常小，因此可以利用3D打印技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)“樣機(jī)-試驗(yàn)-改進(jìn)”的優(yōu)化循環(huán)。

“氣球星”火箭一、二子級(jí)的貯箱采用碳纖維復(fù)合材料纏繞而成，并設(shè)有內(nèi)襯，防止復(fù)合材料出現(xiàn)微小裂紋。貯箱內(nèi)部設(shè)有防晃板，防止推進(jìn)劑的低頻晃動(dòng)。零至無窮公司為了提高“氣球星”火箭的運(yùn)載能力，對(duì)三子級(jí)的貯箱進(jìn)一步優(yōu)化，采用了多層彈性貯箱，NASA和零至無窮公司都對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行過飛行試驗(yàn)。所有貯箱都采用氦氣增壓，以保持整個(gè)火箭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。此外，所有貯箱都覆有多層隔熱材料，以控制推進(jìn)劑的蒸發(fā)損耗。根據(jù)零至無窮公司的估算，在火箭隨氣球上升的2h中，液氧的蒸發(fā)損耗大約為15kg，液態(tài)甲烷的損耗大約為5kg。

“氣球星”各子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的特征

“氣球星”的推進(jìn)系統(tǒng)采用了推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)，在前一個(gè)子級(jí)分離時(shí)可保持下一子級(jí)貯箱中的推進(jìn)劑是滿的。

制導(dǎo)控制

“氣球星”的制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)（GNC）采用一組冗余傳感器（3軸陀螺、加速度計(jì)、氣壓計(jì)、GPS以及太陽敏感器等）和冗余飛行計(jì)算機(jī)。控制方式則采用推力矢量控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)推力調(diào)節(jié)。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)裝有一組“推力矢量控制”（TVC）系統(tǒng)的作動(dòng)器。由于一、二子級(jí)采用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，“推力矢量控制”系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)質(zhì)量中所占的比重非常大。為了降低比重，“氣球星”采用了質(zhì)量比較小的電磁作動(dòng)器。因?yàn)橐弧⒍蛹?jí)采用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，所以能夠利用“推力矢量控制”系統(tǒng)形成滾轉(zhuǎn)力矩。但是三子級(jí)只有1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，為了控制滾轉(zhuǎn)，采用了一套簡單的氦氣反作用控制系統(tǒng)。

零至無窮公司計(jì)劃未來利用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的“差分推力調(diào)節(jié)”替代推力矢量控制，充分發(fā)揮“氣球星”環(huán)形結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。由于“氣球星”采用擠壓式的推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)，因此可以很容易利用調(diào)節(jié)閥對(duì)推進(jìn)劑流量進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)推力的調(diào)節(jié)。再加上一、二子級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)在環(huán)形結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，就可以通過“差分推力調(diào)節(jié)”（不同位置的發(fā)動(dòng)機(jī)之間的推力差異）產(chǎn)生控制力矩。采用這種控制方式既可以降低“氣球星”的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，又能降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，能夠大幅降低成本。

氣球

“氣球星”火箭需要利用氣球到達(dá)20～25km的高度。這一過程需要考慮如何隔離氣球旋轉(zhuǎn)對(duì)于火箭的影響。此外，還要利用氣球作為火箭發(fā)射過程中的遙測(cè)、遙控中繼，以便擴(kuò)展地面和太空通信連接的范圍，避免在火箭飛行軌跡下設(shè)置更多的地面遙測(cè)站點(diǎn)，從而達(dá)到降低發(fā)射成本的目的。總體而言，氣球部分包括3個(gè)主要部件：高空氣球、飛行牽引框架和吊艙。

零至無窮公司使用的高空氣球是一個(gè)容積90000m3的氦氣球，用來將火箭、吊艙以及其他設(shè)備運(yùn)送至同溫層的高度。上述容積在商用氣球領(lǐng)域內(nèi)非常普遍，很容易獲取。

飛行牽引框架位于氣球和吊艙中間，容納了氣球操作的所有必要設(shè)備，包括：用于回收的全球定位信標(biāo)、2個(gè)C波段的發(fā)射應(yīng)答機(jī)（用于氣球操作，滿足空中交通管制要求）、2個(gè)雷達(dá)反射器、飛行終止系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)。

吊艙能夠使“氣球星”指向期望的發(fā)射方位角，為火箭點(diǎn)火前做好準(zhǔn)備。同時(shí)吊艙還裝載了所有用于火箭遙測(cè)/遙控的中繼設(shè)備。

海上發(fā)射

零至無窮公司計(jì)劃從位于國際海域內(nèi)船只上進(jìn)行火箭的發(fā)射活動(dòng)，這樣能夠規(guī)避一定的政策限制，同時(shí)還可以通過船只運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償風(fēng)速，從而降低受天氣影響導(dǎo)致發(fā)射推遲的風(fēng)險(xiǎn)。最后，海上發(fā)射可以增加任務(wù)靈活性，降低靶場(chǎng)安全要求。

發(fā)射船本身只是用于釋放攜帶所有裝備的氣球，火箭不會(huì)在船只上點(diǎn)火，所以發(fā)射船不需要進(jìn)行大幅適應(yīng)性改進(jìn)。只要船體足夠?qū)挘涂梢宰鈦碛糜诎l(fā)射。零至無窮公司稱發(fā)射船可用于發(fā)射的面積大約為50m×17m左右。

零至無窮公司認(rèn)為目前最理想的發(fā)射地點(diǎn)是西班牙加那利群島的西南海域。由于地理特征，這里的風(fēng)速幾乎為零。

飛行方案

“氣球星”飛行的第一階段是利用氣球?qū)⑵渌椭?0～25km的高空，用時(shí)大約1.5～2h。“氣球星”從氣球上釋放后，開始第二階段。釋放后不久，所有的13臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，一子級(jí)大約工作110s后分離。一子級(jí)分離時(shí)，“氣球星”達(dá)到80km的高度，速度達(dá)到2.3km/s。之后，再經(jīng)過230s后二子級(jí)分離，此時(shí)高度約為400km，速度為4.4km/s。之后，三子級(jí)再繼續(xù)工作340s，達(dá)到600km的高度后關(guān)機(jī)滑行，不過此時(shí)還未達(dá)到最終的入軌速度。滑行一段時(shí)間后，三子級(jí)進(jìn)行第一次重啟完成最后的入軌機(jī)動(dòng)，將有效載荷送入預(yù)定軌道并分離。最后，三子級(jí)進(jìn)行第二次重啟進(jìn)行離軌操作。

2 發(fā)展路線圖

“氣球星”的研制基于“設(shè)計(jì)-研制-試驗(yàn)”的方法。研制計(jì)劃中，Z2I采用3D打印等新技術(shù)保證快速迭代和改進(jìn)循環(huán)。所有的新系統(tǒng)和部件都會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況逐步提高性能。具體而言，零至無窮公司將“氣球星”研制計(jì)劃分為3個(gè)階段：

第一階段：子系統(tǒng)試驗(yàn)。這一段包括關(guān)鍵子系統(tǒng)的試驗(yàn)以及操作流程的驗(yàn)證，同時(shí)還要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行最終定型。

第二階段：小型“氣球星”（Nanobloostar）。按照零至無窮公司的計(jì)劃，在小型“氣球星”階段，要利用單級(jí)的亞軌道小型火箭攜帶75kg的載荷達(dá)到180km高度（不入軌，亞軌道飛行）。該亞軌道小型火箭就是“氣球星”的三子級(jí)。

第三階段：“氣球星”。實(shí)現(xiàn)將75kg載荷送入600km的SSO軌道的目標(biāo)。

此前，零至無窮公司已經(jīng)掌握了高空氣球技術(shù)，完成了三子級(jí)多層彈性貯箱飛行試驗(yàn)，開展了發(fā)動(dòng)機(jī)地面點(diǎn)火試驗(yàn)。此次飛行試驗(yàn)中，氣球?qū)ⅰ皻馇蛐恰痹蜋C(jī)體送入25km的高空，火箭原型機(jī)與火箭分離后，中心的1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)成功點(diǎn)火，驗(yàn)證了遙測(cè)、點(diǎn)火以及火箭穩(wěn)定控制等，并成功利用降落傘回收了火箭原型。此次試驗(yàn)的原型機(jī)采用7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)（可能是“氣球星”的二、三子級(jí)的組合體），只有中心的1臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作。零至無窮公司后續(xù)計(jì)劃將在地面和高度20～100km的空間執(zhí)行一系列試驗(yàn)。

零至無窮公司最終計(jì)劃在2019年進(jìn)行“氣球星”火箭的首次商業(yè)發(fā)射任務(wù)。

3 方案優(yōu)勢(shì)分析

雖然利用高空氣球發(fā)射火箭不能增加火箭的初速度，但是在高空發(fā)射火箭還是為整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)帶來了多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

首先，在空氣稀薄甚至沒有大氣環(huán)境的高空發(fā)射火箭，和地面發(fā)射相比，最大的優(yōu)勢(shì)是可以降低入軌所需的速度增量。零至無窮公司利用歐洲航天局（ESA）的軟件工具（ASTOS）估算出，“氣球星”火箭相比地面發(fā)射的火箭可以將入軌所需的速度增量降低8%。雖然這一降幅不大，但是考慮到有效載荷和火箭起飛質(zhì)量之間的指數(shù)關(guān)系，速度增量上的一點(diǎn)變化就會(huì)對(duì)運(yùn)載能力產(chǎn)生極大的影響。而之所以高空發(fā)射能夠降低速度增量，主要是由于空氣阻力和重力損失降低，以及發(fā)動(dòng)機(jī)噴管能夠在最優(yōu)條件下工作。不同高度發(fā)射時(shí)的阻力對(duì)比如上面左圖所示，其中，藍(lán)色線條表示從20km高空發(fā)射時(shí)的阻力曲線，紅色曲線表示從地面發(fā)射火箭時(shí)的阻力曲線。

此外，高空發(fā)射時(shí)火箭的熱環(huán)境也會(huì)大幅改善，降低了防熱要求，從而能夠簡化防熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量的優(yōu)化。從不同高度發(fā)射時(shí)火箭的熱通量情況可以看出，高空發(fā)射能夠?qū)嵬拷档?0倍。

此外，在完成火箭發(fā)射之后，高空氣球還可以充當(dāng)通信中繼點(diǎn)，從而降低了對(duì)地面遙測(cè)通信站的依賴，可以降低發(fā)射服務(wù)中的地面操作成本。

4 小結(jié)

目前，零至無窮公司還沒有公布“氣球星”的發(fā)射價(jià)格，不過由于其結(jié)構(gòu)較為簡單，在發(fā)射操作方面也有很強(qiáng)的靈活性，因此有可能大幅降低發(fā)射成本。根據(jù)零至無窮公司官方的說法，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有很多小衛(wèi)星公司有意向使用其火箭進(jìn)行發(fā)射任務(wù)，并稱這些發(fā)射服務(wù)意向的估值達(dá)到2.5億歐元。

零至無窮公司的方案之所以得到認(rèn)可，一方面是由于其大膽創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方案，讓客戶看到了低成本、低風(fēng)險(xiǎn)和高靈活性的發(fā)射機(jī)會(huì)。另一方面還是因?yàn)樵摴镜难兄朴?jì)劃在不斷取得進(jìn)展，保持著未來繼續(xù)發(fā)展的可能性。雖然零至無窮公司目前發(fā)展還比較順利，但是能否在微小衛(wèi)星的發(fā)射市場(chǎng)中分得一杯羹，還要看是否能依靠其技術(shù)優(yōu)勢(shì)立足。首先，成熟、可靠的傳統(tǒng)中小型運(yùn)載火箭的多星發(fā)射和搭載發(fā)射依然壟斷著當(dāng)前的微小衛(wèi)星發(fā)射，各類新研制的小型運(yùn)載火箭在進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的時(shí)候本身就面臨著比較強(qiáng)大的競(jìng)爭對(duì)手。其次，火箭實(shí)驗(yàn)室的“電子”（Electron）火箭、維珍銀河公司（Virgin Galactic）的運(yùn)載器－1（LauncherOne）小型空射火箭和向量空間系統(tǒng)公司（Vector Space Systems）的“向量”（Vector）小型火箭在1～2年之內(nèi)就會(huì)投入使用，零至無窮公司相比這些新興商業(yè)發(fā)射服務(wù)公司可能已經(jīng)有些落后。