“電子”小型火箭首飛未能進(jìn)入預(yù)定軌道

王瑞 張綠云 （北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

“電子”小型火箭首飛未能進(jìn)入預(yù)定軌道

Rocket Lab Reaches Space, but not Orbit, on First Electron Launch

王瑞 張綠云 （北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所）

2017年5月25日，美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司（Rocket Lab）自主研制的“電子”（Electron）專用小衛(wèi)星運(yùn)載火箭進(jìn)行了首次發(fā)射試驗(yàn)，火箭未能進(jìn)入預(yù)定軌道，但本次試飛成功驗(yàn)證了多項(xiàng)火箭性能指標(biāo)，標(biāo)志著該火箭向正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)邁出了重要的一步。

1 本次發(fā)射情況

在連續(xù)3天因惡劣天氣原因而一再推遲后，2017年5月25日，美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司自主研制的小型運(yùn)載火箭——“電子”從位于新西蘭北部的瑪西亞航天發(fā)射中心進(jìn)行了首次試驗(yàn)飛行。本次試飛的火箭僅攜帶了一個(gè)驗(yàn)證型有效載荷（模擬衛(wèi)星），并在火箭上面級(jí)上安裝了各種儀器設(shè)備，以對(duì)火箭性能進(jìn)行評(píng)定。首次試飛計(jì)劃的太陽(yáng)同步軌道（SSO）高度為300～500km，傾角為83°。

在首次試飛中，火箭按原計(jì)劃完成了一子級(jí)點(diǎn)火、級(jí)間分離、二子級(jí)點(diǎn)火和整流罩分離程序，但未能按計(jì)劃實(shí)現(xiàn)入軌目標(biāo)。公司的首席執(zhí)行官彼得·貝克在公告中表示，雖然火箭未能成功進(jìn)入預(yù)定軌道，但首次試飛就成功進(jìn)入太空，這無(wú)疑是值得驕傲的，為公司快速步入商業(yè)運(yùn)營(yíng)階段打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在接下來(lái)的幾周時(shí)間里，公司將對(duì)試飛中采集到的2.5萬(wàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，以找出火箭未能到達(dá)預(yù)定軌道的原因，從而進(jìn)行火箭的優(yōu)化改進(jìn)。

“電子”火箭首次試飛的飛行時(shí)序

按照此前公司公布的計(jì)劃，“電子”火箭將在2017年底投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，而在此之前，將進(jìn)行3次試驗(yàn)飛行，且試飛難度將會(huì)逐次提高，主要是增加火箭飛行高度和有效載荷質(zhì)量，目的是為了能夠充分衡量火箭的性能。貝克在首次試飛前表示，首次試飛會(huì)采取手動(dòng)和自主飛行中止系統(tǒng)相結(jié)合的方式，但未來(lái)的試飛很可能只配備自毀設(shè)備，以簡(jiǎn)化基礎(chǔ)設(shè)施要求。

2 “電子”小型運(yùn)載火箭

“電子”火箭是兩級(jí)液體運(yùn)載火箭，意在為小衛(wèi)星市場(chǎng)帶來(lái)高頻率的專用發(fā)射機(jī)會(huì)，消除目前搭載發(fā)射方式所受到的發(fā)射時(shí)間和發(fā)射軌道等種種限制。“電子”火箭全長(zhǎng)17m，直徑1.2m，質(zhì)量10.5t，單次發(fā)射價(jià)格為490萬(wàn)美元。火箭在500km高的SSO軌道運(yùn)載能力為150kg，而其最大運(yùn)載能力可達(dá)到225kg。

箭體

“電子”火箭的外殼和內(nèi)部很多結(jié)構(gòu)件大部分是由碳纖維復(fù)合材料制造而成，而火箭本身為了減輕質(zhì)量的需要，沒(méi)有專門再另行噴涂白色涂層，因此火箭通體為黑色，并可大幅降低火箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而提升有效載荷運(yùn)載能力。

動(dòng)力系統(tǒng)

“電子”火箭的動(dòng)力系統(tǒng)采用了發(fā)動(dòng)機(jī)通用化的設(shè)計(jì)理念：整枚火箭所采用的10臺(tái)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)基于相近的設(shè)計(jì)來(lái)制造。火箭一子級(jí)采用完全相同的9臺(tái)“盧瑟福”（Rutherford）液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力為162kN，峰值推力為192kN，比沖303s。火箭二子級(jí)采用1臺(tái)真空型“盧瑟福”發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為22kN，其真空比沖為333s。該火箭動(dòng)力系統(tǒng)的特點(diǎn)是采用全新的電動(dòng)推進(jìn)循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)配置2臺(tái)電動(dòng)機(jī)，單臺(tái)功率為37kW，正常轉(zhuǎn)速為40000r/min），依靠無(wú)刷直流電機(jī)和高性能鋰聚合物電池來(lái)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)劑泵，這也是該火箭命名為“電子”火箭的原因。“盧瑟福”發(fā)動(dòng)機(jī)采用電動(dòng)泵實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑增壓輸送，省去了大量復(fù)雜的推進(jìn)劑管路與閥門、燃?xì)獍l(fā)生器等裝置，降低了復(fù)雜度，提高了可靠性，降低了制造成本。

此外，“盧瑟福”發(fā)動(dòng)機(jī)的主要部件均采用3D打印制造而成。目前，火箭實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)配置了6臺(tái)金屬3D打印機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)最快可在24h內(nèi)完成打印，包括再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進(jìn)劑閥門等，便于發(fā)動(dòng)機(jī)低成本、快速和批量制造。

電子系統(tǒng)

火箭上的電子系統(tǒng)采用火箭實(shí)驗(yàn)室公司自行研制的微型航電和箭載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）及實(shí)時(shí)系統(tǒng)技術(shù)，在達(dá)到立項(xiàng)的響應(yīng)速度和高可靠性的同時(shí)，使航電系統(tǒng)質(zhì)量?jī)H為8.6kg。

火箭各級(jí)電子系統(tǒng)均采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)，只需對(duì)其進(jìn)行編程就可完成不同功能定制，可大幅減少硬件改動(dòng)，縮減生產(chǎn)制造周期，確保火箭高頻率、快速發(fā)射需求。

整流罩

“電子”火箭的整流罩由2個(gè)半片組成，同樣采用碳纖維復(fù)合材料制造而成，其總質(zhì)量只有30kg。

發(fā)射場(chǎng)

“電子”火箭一般在一座完全由私人公司建造完成的發(fā)射場(chǎng)——瑪西亞航天發(fā)射中心發(fā)射，該發(fā)射中心位于新西蘭北島東海岸，面向太平洋。該發(fā)射中心的1號(hào)綜合發(fā)射設(shè)施已獲準(zhǔn)可72h發(fā)射1次。為避開復(fù)雜的有效載荷處理工作，縮短在發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間，公司擬采用集裝箱化理念，即由用戶把衛(wèi)星封裝到由該公司提供的有效載荷整流罩內(nèi)。整流罩裝載衛(wèi)星后可存放起來(lái)，能在即將發(fā)射前很容易地裝配到火箭上。

除在新西蘭瑪西亞半島建設(shè)發(fā)射場(chǎng)外，該公司還打算在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角和阿拉斯加州科迪亞克島的太平洋航空航天港內(nèi)建設(shè)發(fā)射場(chǎng)，而這也是新西蘭瑪西爾半島發(fā)射場(chǎng)被編號(hào)為1號(hào)發(fā)射場(chǎng)的原因。

3 火箭實(shí)驗(yàn)室公司的發(fā)展歷程

火箭實(shí)驗(yàn)室公司成立于2007年，大多數(shù)業(yè)務(wù)在新西蘭，在美國(guó)奧克蘭設(shè)有一個(gè)設(shè)計(jì)與工程辦事機(jī)構(gòu)，但總部設(shè)在加利福尼亞州亨廷頓比奇，所以“電子”火箭發(fā)射任務(wù)還需獲得美國(guó)聯(lián)邦航空管理局（FAA）的發(fā)射許可。

該公司以“去除商業(yè)航天業(yè)的沉重負(fù)擔(dān)”（即高昂的發(fā)射費(fèi)用）為企業(yè)使命，秉承“小型載荷應(yīng)該有專用的小型火箭，小型火箭具有常規(guī)火箭所無(wú)法比擬的靈活性”理念，重點(diǎn)圍繞小型火箭開展技術(shù)研發(fā)工作。該公司于2010年獲得美國(guó)“作戰(zhàn)響應(yīng)空間”（ORS）衛(wèi)星發(fā)射合同，開始研究低成本微納衛(wèi)星運(yùn)載器推進(jìn)技術(shù)；2013年12月研制出“盧瑟福”發(fā)動(dòng)機(jī)，并進(jìn)行了300多次點(diǎn)火試驗(yàn)；2016年完成“電子”火箭各級(jí)的飛行資質(zhì)認(rèn)證，并在新西蘭建造了瑪西亞航天發(fā)射中心的1號(hào)綜合發(fā)射設(shè)施；2017年3月，公司完成了一輪D系列融資，籌得的7500萬(wàn)美元將用于擴(kuò)大其生產(chǎn)，包括添置更多的3D打印設(shè)備，為預(yù)期中的高頻率發(fā)射做準(zhǔn)備。這筆資金還將用于為美國(guó)加利福尼亞州享廷頓比奇一座新火箭工廠配備設(shè)備和對(duì)新西蘭現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司預(yù)計(jì)在2017年底將“電子”火箭投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，雖然火箭仍需進(jìn)行多次飛行試驗(yàn)，但截至目前，公司已經(jīng)獲得多個(gè)微小衛(wèi)星發(fā)射合同（發(fā)射任務(wù)已從2017年第2季度排至2020年）。月球快車公司（Moon Express）與其簽訂了3次微型月球著陸器發(fā)射合同，其中首個(gè)著陸器按合同要求需在2017年年底前進(jìn)行發(fā)射，其他用戶還包括美國(guó)航空航天局（NASA）、美國(guó)行星公司（Planet）和斯派爾公司（Spire）。其中，2015年10月，NASA與火箭實(shí)驗(yàn)室公司簽訂的一份價(jià)值近700萬(wàn)美元的“NASA冒險(xiǎn)級(jí)發(fā)射服務(wù)”（NASA’s Venture Class Launch Services Program）合同，計(jì)劃2017年發(fā)射多顆小型科研衛(wèi)星。2016年，行星公司與火箭實(shí)驗(yàn)室公司簽訂的發(fā)射協(xié)議涉及至少3次專用發(fā)射，每次發(fā)射搭載的衛(wèi)星數(shù)量為20～25顆，但發(fā)射時(shí)間取決于“電子”火箭的研制情況。斯派爾公司則同意使用多達(dá)12次“電子”火箭發(fā)射來(lái)部署其商業(yè)氣象與船舶跟蹤立方體衛(wèi)星。另外，2017年5月17日，從事小衛(wèi)星發(fā)射經(jīng)紀(jì)業(yè)務(wù)的空間飛行公司（Spaceflight）宣布訂購(gòu)一次“電子”火箭發(fā)射，將把有效載荷送入不常用的中等傾角軌道，具體發(fā)射時(shí)間尚未確定。

4 小結(jié)

隨著微小衛(wèi)星在各個(gè)領(lǐng)域需求的不斷攀升，微小衛(wèi)星數(shù)量逐年增加。目前，基本通過(guò)大中型火箭的搭載方式滿足微小衛(wèi)星的發(fā)射需求，但該方式一般無(wú)法滿足微小衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商對(duì)衛(wèi)星發(fā)射時(shí)間和軌道高度等方面的要求。因此，近年來(lái)，全球多家初創(chuàng)私營(yíng)公司開始研制微小衛(wèi)星專用小型運(yùn)載火箭，以滿足其發(fā)射需求。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球正在開展專用小型運(yùn)載火箭研制的商業(yè)公司接近20家，其中部分型號(hào)已經(jīng)完成了設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，即將進(jìn)行飛行試驗(yàn)。還有部分公司在探空火箭或運(yùn)載火箭相關(guān)技術(shù)基礎(chǔ)上，已經(jīng)完成了某些關(guān)鍵部件的研制。另外還有一些公司只停留在方案設(shè)計(jì)階段。專用小型運(yùn)載火箭研制成本低，發(fā)射價(jià)格僅為大中型火箭的10%或更低；發(fā)射時(shí)間靈活；有些火箭還可以按照客戶需求提供定制服務(wù)，更適合于進(jìn)行小衛(wèi)星的搭載發(fā)射服務(wù)。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司的“電子”火箭針對(duì)微小衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)而研制，其首次試飛為其正式投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)邁出了重要的一步，也為全球微小衛(wèi)星專用小型運(yùn)載火箭的研制提供了一個(gè)良好的開端。未來(lái)，微小衛(wèi)星專用小型運(yùn)載火箭可使微小衛(wèi)星不再受制于大中型火箭的搭載發(fā)射方式，為蓬勃發(fā)展的微小衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)提供全新的發(fā)射選擇，成為航天發(fā)射領(lǐng)域的重要力量之一。