美國(guó)“阿斯特拉”小型運(yùn)載火箭最新進(jìn)展

趙榮 施思（西安衛(wèi)星測(cè)控中心）

目前，全球微小衛(wèi)星蓬勃發(fā)展，對(duì)小型運(yùn)載火箭的發(fā)射服務(wù)需求也日益增加。阿斯特拉公司（Astra）作為一家新興的小型運(yùn)載火箭發(fā)射服務(wù)公司，著眼市場(chǎng)需求，研發(fā)了阿斯特拉火箭－3.0（Astra Rocket－3.0）小型運(yùn)載火箭。公司從2020年2月下旬以來(lái)，連續(xù)2次嘗試發(fā)射首枚運(yùn)載火箭，一次是參加美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”，另一次是自主發(fā)射，但兩次發(fā)射準(zhǔn)備過(guò)程中均遭遇意外，火箭一直沒(méi)能順利升空。阿斯特拉公司作為唯一一家參加了DARPA發(fā)射挑戰(zhàn)賽的商業(yè)公司，雖然結(jié)果失敗，但是使公司迅速進(jìn)入了人們的視野。

1 阿斯特拉公司

阿斯特拉公司是一家成立于2016年的小型運(yùn)載火箭初創(chuàng)公司，總部位于加利福尼亞州阿拉米達(dá)市，致力于進(jìn)入太空商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)。公司將阿拉米達(dá)海軍航空站重建為全球首個(gè)完全具備火箭研發(fā)、制造和測(cè)試的集成廠區(qū)，在園區(qū)內(nèi)可以實(shí)施從設(shè)計(jì)到測(cè)試的每個(gè)過(guò)程（園區(qū)內(nèi)擁有2個(gè)室內(nèi)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)）。公司已從投資者那里獲得了超過(guò)1億美元的融資。

公司的目標(biāo)是重塑太空工業(yè)的運(yùn)行方式，提出新穎、經(jīng)濟(jì)、快速的航天發(fā)射服務(wù)，將制造能夠大規(guī)模生產(chǎn)且具有高可靠性能的小型火箭，拓展近地軌道發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)。目前，公司研發(fā)了阿斯特拉火箭－3.0，稱(chēng)能提供1U和3U立方體標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星的搭載發(fā)射網(wǎng)上預(yù)訂服務(wù)。對(duì)于專(zhuān)用發(fā)射服務(wù)，公司將在2020年和2021年提供50～150kg有效載荷的低軌道發(fā)射服務(wù)。公司的潛在客戶(hù)群包括美國(guó)軍方、政府、企業(yè)等。

位于阿拉米達(dá)市的阿斯特拉公司總部全景圖

阿斯特拉公司發(fā)展里程碑

2 “阿斯特拉”火箭概況

阿斯特拉火箭－3.0以阿斯特拉火箭－1.0/2.0兩款亞軌道火箭為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，是公司首款具備近地軌道發(fā)射能力的小型運(yùn)載火箭。

火箭結(jié)構(gòu)參數(shù)

阿斯特拉火箭－3.0屬于小型運(yùn)載火箭，為二級(jí)結(jié)構(gòu)，無(wú)捆綁級(jí)，全長(zhǎng)約11.6m，直徑約1.32m，采用液氧煤油燃料。一級(jí)火箭裝有5臺(tái)28kN推力的Delphin電泵式發(fā)動(dòng)機(jī)，以五邊形模式布局，總起飛推力約133kN，二級(jí)火箭只裝有一臺(tái)推力約3kN的Aether發(fā)動(dòng)機(jī)，能將25kg有效載荷發(fā)射至太陽(yáng)同步軌道，后續(xù)運(yùn)載能力可進(jìn)一步提升。火箭發(fā)射成本低廉，每次發(fā)射費(fèi)用約為250萬(wàn)美元，后續(xù)通過(guò)擴(kuò)大發(fā)射規(guī)模成本可降至100萬(wàn)美元。目前，公司每月可生產(chǎn)1～2枚火箭。

火箭性能優(yōu)點(diǎn)

阿斯特拉火箭－3.0是一種具備機(jī)動(dòng)發(fā)射能力的小型衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，具備靈活的發(fā)射方式和快速響應(yīng)能力，而且價(jià)格低廉。公司能夠?qū)⒒鸺到y(tǒng)所有物品（包括火箭）裝載到標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)輸箱中進(jìn)行運(yùn)輸，并可從世界各地許可的地點(diǎn)發(fā)射。阿斯特拉火箭－3.0的發(fā)射系統(tǒng)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜、昂貴且種類(lèi)繁多的地面支持設(shè)備，最大程度地減少發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施，如便攜式移動(dòng)火箭發(fā)射臺(tái)只需幾天就能完成建立，從而提高了快速響應(yīng)能力。此外，位于阿拉米達(dá)市的總部還設(shè)有一個(gè)任務(wù)控制中心，管理人員可以在那里遠(yuǎn)程指揮和監(jiān)控火箭發(fā)射，火箭發(fā)射場(chǎng)只需要很少量的人員就可以完成火箭發(fā)射準(zhǔn)備。這種發(fā)射的靈活性和快速性改變了以往的游戲規(guī)則，可以將衛(wèi)星快速發(fā)射到目標(biāo)軌道。

阿斯特拉火箭－1.0/2.0/3.0（從左至右）

公司廠房?jī)?nèi)火箭組裝區(qū)

火箭研發(fā)特點(diǎn)

公司在研發(fā)火箭過(guò)程中，一直遵循快速迭代設(shè)計(jì)的理念。火箭的每次改進(jìn)都針對(duì)性能進(jìn)行了優(yōu)化。公司利用集成廠區(qū)的優(yōu)勢(shì)，不需要去專(zhuān)門(mén)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試外場(chǎng)，直接在廠區(qū)內(nèi)就可以進(jìn)行火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火測(cè)試以及全箭測(cè)試，不斷進(jìn)行“測(cè)試-學(xué)習(xí)-改進(jìn)”的循環(huán)迭代過(guò)程，大大加速了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)速度。公司在室內(nèi)進(jìn)行了數(shù)千次火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試。其次，公司轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式，采用低成本的火箭制造技術(shù)。公司通過(guò)大量采用輕質(zhì)鋁材料，使火箭造價(jià)更加便宜。火箭整流罩改用鋁材料后，相比原來(lái)的輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料，雖然質(zhì)量增加了20%，但是價(jià)格從25萬(wàn)美元降至2500美元。最后，公司以參加DARPA“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”為契機(jī)，將“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”要求的靈活和快速響應(yīng)能力融入火箭研發(fā)中，最終將“阿斯特拉”火箭打造成簡(jiǎn)單、可靠、靈活、便捷的小型運(yùn)載火箭。

3 火箭進(jìn)展情況

阿斯特拉公司表示，“阿斯特拉”火箭要成功將1顆衛(wèi)星送入地球軌道，大概需要發(fā)射3次。公司借首枚火箭發(fā)射任務(wù)測(cè)試整個(gè)火箭系統(tǒng)，包括發(fā)射臺(tái)、火箭、軟件以及航線范圍內(nèi)的設(shè)備，這是公司首次進(jìn)行整套軟硬件的集成試驗(yàn)。今人遺憾的是，首枚阿斯特拉火箭－3.0進(jìn)行了2次發(fā)射嘗試，均因火箭自身原因未能順利升空。

DARPA“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”

2018年2月，美國(guó)DARPA發(fā)起了一項(xiàng)“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”活動(dòng)，目的是通過(guò)私營(yíng)太空發(fā)射公司開(kāi)發(fā)軍方可以使用的小型移動(dòng)發(fā)射系統(tǒng)，具有發(fā)射靈活性和快速響應(yīng)能力。“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”希望能打破目前限制進(jìn)入太空的時(shí)間、技術(shù)、系統(tǒng)和流程，從而為國(guó)防部提供只需幾天而不是幾年的靈活發(fā)射能力。

2019年，共有60多家航天公司報(bào)名參賽，最后DARPA選出了3家公司入圍。后來(lái)，另外2家公司都出了狀況，矢量公司（Vector）宣布破產(chǎn)清算，維珍軌道公司（Virgin Orbit）則宣布退出，只剩下了唯一的參賽選手阿斯特拉公司。阿斯特拉公司入圍后一直處于低調(diào)的“隱身”狀態(tài)，并沒(méi)有公開(kāi)宣傳。

按照“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”的規(guī)則，如果某一家航天發(fā)射公司能夠按要求在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)、在指定地點(diǎn)完成兩次快速發(fā)射任務(wù)，將載荷送入250km以上的低地球軌道，就可以獲得共計(jì)1200萬(wàn)美元的獎(jiǎng)金。為了測(cè)試阿斯特拉公司的反應(yīng)靈活性，DARPA直到發(fā)射前1個(gè)月，才向公司提供有效載荷的詳細(xì)信息；到發(fā)射前1周，才將有效載荷交付給公司，以讓公司完成星箭結(jié)合。第1枚火箭需要在阿拉斯加州科迪亞克島的太平洋航天港發(fā)射DARPA載荷，成功后將獲得200萬(wàn)美元。之后，DARPA再選擇本國(guó)的一個(gè)航天發(fā)射場(chǎng)，要求幾周內(nèi)完成第2枚火箭發(fā)射，成功后將繼續(xù)獲得1000萬(wàn)美元。最終，DARPA從演示技術(shù)挑戰(zhàn)的角度考慮，決定第2枚火箭可在科迪亞克島太平洋航天港的另一個(gè)發(fā)射臺(tái)發(fā)射。

DARPA“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”

第一次嘗試發(fā)射

阿斯特拉公司參加DARPA“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”的首枚火箭在科迪亞克島的太平洋航天港B發(fā)射臺(tái)進(jìn)行發(fā)射，共搭載了3顆立方星和1個(gè)有效載荷。其中，1顆“普羅米修斯”（Prometheus）立方星由洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)，旨在演示“縮短任務(wù)和數(shù)據(jù)傳播時(shí)間線，為軍事操作員提供戰(zhàn)術(shù)相關(guān)信息”的功能。2顆偵察與通信探測(cè)－1（ARCE－1）立方星由南佛羅里達(dá)大學(xué)制造，主要用于演示驗(yàn)證星間通信技術(shù)。1個(gè)“空間物體自動(dòng)報(bào)告系統(tǒng)”（SOARS）無(wú)線電信標(biāo)有效載荷，固定在火箭二級(jí)上，不進(jìn)行分離，用于改進(jìn)軌道跟蹤和空間態(tài)勢(shì)感知。火箭將把有效載荷送入軌道高度約445km、傾角約97.2°的太陽(yáng)同步軌道。

根據(jù)DARPA的設(shè)定，第1枚火箭的發(fā)射窗口為2020年2月17日～3月1日，后因天氣原因允許增加1天時(shí)間。阿斯特拉公司2月18日將火箭運(yùn)送至科迪亞克島的發(fā)射場(chǎng)，因需要時(shí)間準(zhǔn)備火箭發(fā)射，將初步發(fā)射日期定在2月25日。后來(lái)由于當(dāng)?shù)貝毫犹鞖庖约耙恍┬〉募夹g(shù)問(wèn)題多次推遲發(fā)射，在3月2日嘗試挑戰(zhàn)。因火箭上制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的傳感器數(shù)據(jù)顯示異常，可能會(huì)影響火箭順利飛行，公司在發(fā)射倒計(jì)時(shí)T-53s時(shí)決定停止發(fā)射。公司表示，這是出于對(duì)火箭安全的考慮，同時(shí)為了提高火箭前三發(fā)的成功率。公司由于無(wú)法在規(guī)定的發(fā)射窗口內(nèi)發(fā)射，挑戰(zhàn)失敗。同時(shí)，原計(jì)劃于3月18日～3月31日窗口期間發(fā)射第2枚火箭，第二階段的挑戰(zhàn)發(fā)射也自動(dòng)取消。

Prometheus衛(wèi)星（左）、ARCE－1衛(wèi)星（中）和SOARS載荷（右）

第二次嘗試發(fā)射

阿斯特拉公司在排除第一次嘗試發(fā)射時(shí)產(chǎn)生故障后，計(jì)劃2020年3月24日或25日再次在科迪亞克島的太平洋航天港嘗試進(jìn)行首枚運(yùn)載火箭的第二次發(fā)射。公司表示，DARPA的有效載荷已從火箭上移除，此次發(fā)射火箭上沒(méi)有攜帶有效載荷。火箭于3月23日在發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行發(fā)射前倒計(jì)時(shí)彩排，發(fā)生異常情況并遭到損壞，被迫取消了發(fā)射嘗試。公司稱(chēng)，此次事故中沒(méi)有人員受傷，但火箭已損壞，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在努力獲取原因，并打算等到新型冠狀病毒疫情好轉(zhuǎn)后再?lài)L試。

4 小結(jié)

阿斯特拉公司積極進(jìn)軍小型衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)，但其首枚火箭發(fā)射任務(wù)一波三折，特別是火箭的可靠性需要進(jìn)一步提高。該公司在4年內(nèi)完成火箭研發(fā)和嘗試發(fā)射的速度已經(jīng)很快。公司的后續(xù)計(jì)劃包括快速迭代升級(jí)現(xiàn)有型號(hào)火箭、實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng)、新建火箭發(fā)射場(chǎng)等。

阿斯特拉公司開(kāi)創(chuàng)了集火箭研發(fā)、制造和測(cè)試于一體的完全集成廠區(qū)，研發(fā)了靈活機(jī)動(dòng)式小型火箭發(fā)射系統(tǒng)，將會(huì)給美國(guó)甚至全球的小型火箭發(fā)射市場(chǎng)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。同時(shí)，“阿斯特拉”火箭具備的快速響應(yīng)能力也是美軍多年來(lái)一直追求的愿望，可有效拓展美軍使用商業(yè)航天力量來(lái)提升戰(zhàn)時(shí)響應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)小型航天器的快速補(bǔ)網(wǎng)發(fā)射，從而快速服務(wù)軍方用戶(hù)。DARPA稱(chēng)正在與美國(guó)太空軍和太空司令部討論在軍事演習(xí)中展示響應(yīng)型衛(wèi)星快速發(fā)射能力的可能性，而“阿斯特拉”火箭正是在朝這個(gè)方向發(fā)展，以滿足客戶(hù)需要的靈活和快速響應(yīng)發(fā)射。