120次火箭發射次次都成功的大牛在憋什麼大招？（上）

科技 11-08

編者按：

在今年的國際宇航聯大會上，美聯合發射聯盟（ULA）很自豪地宣布，該公司的120次火箭發射全部取得了成功！ULA作為美國航天界的老牌政府採購商，最近幾年被SpaceX搶去了不少風頭，估計也頗有些不甘。比如，ULA一直對垂直回收方案不屑一顧，它提出了一個自認為是「聰明的回收」（smart reuse）方案：傘降+直升機。這種方案可能是聰明的，但在馬斯克看來卻顯然不「夠酷」。不過，ULA畢竟在航天領域經營多年，實力那是杠杠滴。比如正在研製的火神運載火箭，也是「猛箭」一枚啊。ULA究竟在憋什麼大招呢？今天的「貓」眼看天專欄，大咖與您聊聊ULA的未來航天構想。

120次火箭發射次次都成功的大牛在憋什麼大招？（上）

——也說ULA的未來航天構想

作者：新流浪貓

ULA的關注點

ULA正在研製火神運載火箭，將逐步實現該公司現有火箭型號的升級換代。儘管媒體的目光都聚焦在該型運載火箭的一級發動機究竟選擇BE-4或AR1，用美製發動機取代俄制RD-180發動機，但對ULA而言，這都不是事兒，只是個簡單的選擇題，他們真正關心的問題是自身未來的創新發展。具體來說，有這麼幾個方面：

1）通用電子系統（COMMONAVIONICS）

未來該公司所有火箭，包括升級過渡期間的Atlas/Delta火箭以及研發中的Vulcan（火神）火箭，將均採用該通用電子系統，飛行軟體也將能適應不同的軌道、不同的有效載荷（主任務和搭載的載荷）；

2）Vulcan火箭的開發

除了選擇一級的發動機外，研究重點在先進低溫進化上面級(ACES )及集成流體系統（IVF），具體內容見後文介紹。

3）著眼於地月之間軌道的航天經濟發展機遇

4）敏捷可復用（Smart Reuse）

5）分散式發射（Distributed Launch）

利用多次發射將推進劑和有效載荷送入太空，並利用交會技術完成推進劑補加，從而大幅提升運載能力，也為未來的商業小行星採礦、空間太陽能等地月空間的經濟發展提供支撐。

6）先進的GNC 技術。

採用通用的制導演算法（Generalized Guidance Algorithms）並利用其固有的魯棒性，滿足覆蓋交會和接近操作應用場景的需求。採用混合導航（blended navigation）集成多種感測器以提供增強的狀態知識，並能在線計算更複雜的引力效應。這種增強的狀態知識將與增強的計算能力相結合，以允許箭載制導系統確定所需的各種最優控制。

本文將只介紹其中的幾個方面。

VULCAN 火箭發展路線圖

ULA公司運載火箭的發展路線圖如圖1所示，分四步走。

圖1： ULA產品進化路線圖

第一步：於2019年形成發射能力，採用美製發動機的芯一級和半人馬座二級構成一款新火箭（Vulcan/Centaur），並配有兩種整流罩：採用4米整流罩，最多可捆綁4台固體助推器；如果採用5米整流罩，則最多可配置6台固體助推器。該火箭的運載能力超過Atlas V，達到20噸級（30噸級的Delta火箭仍將服役）。

第二步：在2023年，用先進低溫進化上面級（Advanced Cryogenic EvolvedStage，ACES）取代半人馬座二級（Vulcan/ACES），最多可以捆綁6個固體助推器。這種組合的運載能力將超過目前ULA公司的Delta和Atlas火箭，達到40噸級。

在2019年Vulcan的芯一級投入使用後，該公司三種運載器系列將共存一段時間，Vulcan的發射量將呈上升趨勢，Atlas則逐步減少發射次數。而由於採用了通用飛行軟體、電子系統、模擬設施和工作流程，能夠實現無縫過渡。

第三步：開展火箭回收工作。ULA提出只回收發動機（而不是整個艙段），目前還是採用傘降方案。

第四步：分散式發射（Distributed Lift），其實質是推進劑在軌補加，此外還提出了發動機自主回收方案。

在面向傳統用戶的同時，如何適應眾多小衛星發射市場的需求？ULA也是煞費苦心，提出了四種搭載的方案。

第一種：安裝在半人馬座（二級）後艙壁的載體（Centaur Aft Bulkhead Carrier ）上，可以容納從1U到12U的立方星，或者最多四個大小滿足一定限制的小衛星，具體參數見表1。這一方案已經成功飛行了多次。

第二種：安裝在「一次性使用火箭第二載荷適配器」（EELV Secondary Payload Adapter，ESPA），在一個圓形環上安裝第二有效載荷，可以安裝多個，這方面與Ariane6所謂的「最後的召喚」很相似。這同樣也經過了飛行驗證。

剩下兩種分別為直徑4m和5m的「雙飛行器系統」（Dual Spacecraft System，DSS），採用雙星發射的配置。

藉助於通用電子系統和先進的GNC技術，ULA能夠在一次任務中將多種有效載荷運送到不同的軌道上。

先進低溫進化上面級（ACES）

從最早提出ACES的設想，似乎已將近十年時間了。ULA採用氫氧發動機作為上面級，雖然氫氧發動機的性能較為出色，但其使用性卻十分繁瑣，光置換、吹除以及增壓等，就需要多種氣源；再考慮輔助動力系統，那氣源的種類就更多了。火箭上面級中的各種氣瓶就是為了存貯這些氣源用的，一旦氣源耗盡，火箭也無用武之地了。

ULA的目標是取消所有這些氣瓶，僅靠氫氧兩種資源，滿足主發動機、姿控發動機、推進劑沉底控制、貯箱增壓、甚至電氣系統供電等所有需求! 圖2是ACES的主要特點及其與傳統上面級的對比（左上為現有的流體系統，左下為集成式的流體系統）：

圖2：ACES與傳統上面級相比具有的技術優勢

看上去一個氣瓶也沒有了，這其中的關鍵是所謂的集成化運載器流體系統技術（Integrated Vehicle Fluids），也就是氫/氧輔助動力裝置，並且具有無數次點火的能力（Numerous Burns，小編覺得這是不科學的描述！）。這種配置的系統質量減少超過一噸。

IVF利用液氧（LO）和液氫（LH）蒸發的氣化物，即氣氧（GO）和氣氫（GH）來作為姿控噴管的推進能源（Attitude Control Thrust），以取代傳統單組元推進劑；部分氣氧和氣氫在熱交換後（經廢熱進一步氣化），分別經過氧泵和氫泵的作用，形成兩個貯箱所需要的增壓氣源（H2 Press，O2 Press），以取代昂貴的氦氣增壓方案；氣氧/氣氫驅動一台高度集成的內燃機（IC Engine）來發電，其發電量滿足電氣產品的供電需求；而氧泵和氫泵也靠內燃機來驅動。內燃機燃燒排出的氣體，用於產生軸向的推力（Setting (Axial) Thrust）便於推進劑沉底，以取代常用的固體小火箭等。IVF的原理框圖如圖3所示：

圖3：IVF原理簡圖

ACES目前設計成能夠產生450和650千牛推力，並能夠支持單，雙和四台發動機的配置。ULA認為，這種設計僅用一套氫氧系統，就取代了多套昂貴的氣源和化學物質，而這些物質在深空任務中很難補給；但氫氧就不一樣了，只要有冰的地方就能製作，比如月球；而只要有氫氧原料就能發電，再也不用擔心電池耗盡了。

IVF使ACES成為地月空間中完全可重複使用的高性能運載器。只要氣態氫和氧保持在貯箱內，就可連續發電，增壓，啟動發動機，並提供姿態控制推力。這將任務持續時間從幾個小時延長到幾個星期。在軌加註技術將能無限期延長任務持續時間，而不再需要氦和肼推進劑。而通用電子系統中先進的GNC技術，將能夠控制ACES達到不同的軌道面，無論是使用LO2/LH2的主發動機還是GH2 / GO2的 RCS推進器。

圖3中的發電機（Starter Generator）具有兩種工作模式，當處於發電模式時，能產生300V的直流電，用於對電池充電；而當工作於電動機狀態時，需要270V直流電壓。該發電機能夠提供能提供高達4千瓦的電功率，其工作原理與混合動力汽車系統非常相似。與其相配的電池選擇高放電倍率、小容量、合理充電速率的電池，初步估計表明，一個滿足這樣需求的非常簡單的電池配置，其重量大約是現有電池的6%。

最後一起來欣賞一下氫氧內燃機的模型吧：

圖4 氫氧內燃機模型

編後語：

正當各個宇航公司大力發展大推力運載火箭的時候，突然發現用力過猛，小衛星發射的需求十分迫切，他們還一時拿不出合適的火箭。有些機構索性放棄，正如微言航天前幾期介紹的，法宇航準備將技術轉讓給一家私營企業來設計一塊小火箭；或者採用所謂「最後時刻的呼喚」來進行小衛星搭載發射，正如ULA的ESPA方案。為了從小衛星市場搶佔一些份額，ULA也算想盡了辦法。但終究小衛星發射僅是一種商業行為，體現一個國家（公司）航天實力的還是看其最大的運載能力。ULA的上面級就提出了一種集成化的流體系統，將氫氧發動機的作用發揮到了極限，不再需要氦氣等氣源（氦氣可是一種戰略性物資！！！）和正推小火箭。原來ULA沒有去研製一級發動機，而是把主要精力放在了先進低溫進化上面級ACES，想要一鳴驚人！這靠譜嗎？ULA憑藉ACES還能放什麼大招？且聽下回繼續分解！

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