國外新型商業小型運載火箭成本控制措施簡析

日前，國外多家小型衛星發射公司就很好地證明了這點。商業航天發射小衛星的需求牽引著小型運載的研製和生產，「快速、機動、靈活、廉價」正成為商業小型運載火箭新的發展趨勢，諸如螢火蟲空間系統公司（FSS）、英國維珍銀河公司（Virgin Galactic）、美國火箭實驗室公司（Rocket Lab）等私人航天公司，正是憑藉其低成本、快速響應的商業運作模式獲得了小衛星發射市場的青睞。

國外商業小型運載火箭介紹

「織女星」運載火箭

「織女星」（Vega）運載火箭是歐洲航天局（ESA）從2003年開始啟動研製、以義大利固體推進技術為基礎、多個歐洲國家參與研製的一種小型運載火箭，目的是作為阿里安－5（Ariane－5）火箭和「聯盟」（Soyuz）火箭的補充，用於發射政府和商用小型有效載荷。「織女星」為小型單體三級固體燃料火箭，外加一個液體推進上面級模塊和有效載荷整流罩，全箭最大直徑3m、全長30m。目前，「織女星」火箭的運載能力可把質量1450kg的有效載荷發射到400km高的太陽同步軌道，也可把1430kg的有效載荷發射到700km高的極軌道。火箭第一級使用P80固體發動機，第二級和第三級發動機為Zefiro－23和Zefiro－9固體發動機，外加使用常規液體推進劑的上面級模塊。

「艾普斯龍」運載火箭

「艾普斯龍」（Epsilon）運載火箭為日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）研發的固體運載火箭。「艾普斯龍」是日本M－5固體火箭的後繼型號，已於2013年成功完成了1次發射。「艾普斯龍」包括兩種構型，基本型為三級固體火箭，全長24m、最大直徑2.6m，能夠將1200kg的有效載荷送入250km×500km的低地球軌道；擴展型是在基本型的基礎上增加了一個小型液體推進系統作為第四級，全長24m、直徑2.6m，質量稍大於基本型火箭，能夠將700kg有效載荷送入500km近地圓軌道，或將450kg有效載荷送入500km的太陽同步軌道。

「螢火蟲」運載火箭

「螢火蟲」（FireFly）運載火箭由2013年成立的新興商業航天公司螢火蟲空間系統公司開展研製，目前仍處於研製中狀態，預計於2018年為美國國家航空航天局（NASA）發射立方體衛星，在2022－2023年達到每年50次的發射頻度。「螢火蟲」為兩級液體火箭，前期採用液氧/煤油作為推進劑，後期將逐漸改為液氧/甲烷發動機。全箭最大直徑1 .8m、長2 3 .5m，目標太陽同步軌道運載能力為200kg。火箭的一級採用8台氣動塞式（Aerospike）噴管的擠壓式液氧/甲烷發動機，二級採用1台傳統噴管式發動機。其液氧/甲烷儲箱使用碳纖維增強複合材料製造，採用自生增壓的方式。甲烷和液氧作為其發動機推進劑，這在近地軌道衛星發射器中屬於首例。

「電子」運載火箭

「電子」（Electron）是美國火箭實驗室公司研製的新型小型運載火箭，該公司成立於2006年，在紐西蘭擁有分部。「電子」火箭已經獲得行星公司（Planet）、月球快車公司（Moon Express）等的訂單。2017年開展首次商業發射，但由於發射程序錯誤，首飛失利。第二次發射計劃於2018年底開展。「電子」火箭為兩級液體運載火箭，使用「盧瑟福」（Rutherford）液氧/煤油發動機，目標500km的太陽同步軌道運載能力為150kg。全箭最大直徑為1.2m、長16m。該火箭預計發射成本僅為490萬美元，規劃在未來實現每年100次發射。「電子」小型運載火箭採用電池驅動發動機，其發動機製造工藝採用電子束熔煉3D列印技術。

國外商業小型運載火箭成本控制分析

注重模塊化、通用化設計

火箭上產品模塊化、通用化已經成為了一種廣泛獲得認可的成本控制措施。「螢火蟲」火箭的一、二子級發動機雖然分別採用的是氣動塞式噴管和鐘形噴管，但2台發動機使用的是完全相同的燃燒室，2台發動機除噴管選擇外基本相同。選擇使用相同的發動機能有效減少研發、測試和製造成本。「米諾陶」（Minotaur）系列運載火箭就使用了大量通用的航電設備和結構，不僅降低了成本而且優化了質量。「織女星」火箭上同樣使用了大量的通用化產品，這些產品都可以使用在「阿里安」系列火箭上，例如飛控系統、安全防護系統等。一種新的通用化思路是對液體發動機的通用化。

「電子」火箭各級電氣系統採用了模塊化硬體結構，採用現場可編程門陣列及實時傳輸系統技術，以增強運載系統適應性。據報道只需對其編程就可以完成不同的功能定製，可以大幅減少硬體改動，縮短生產製造周期。在達到較為理想的響應速度和高可靠性的同時，電氣系統質量僅為8.6kg。動力系統採用通用化、模塊化的設計理念，火箭共採用10台「盧瑟福」液氧/煤油發動機，其中一級採用的9台「盧瑟福」發動機完全相同，二級採用真空型「盧瑟福」發動機，換裝大擴張比噴管，這與採用多發同等狀態發動機並聯的美國太空探索技術公司（SpaceX）不謀而合：均是利用自身技術優勢，將其效能發揮到最大。

充分利用成熟火箭部件和技術

對於美國軌道科學公司（OSC）、歐洲航天局等機構來說，由於擁有過往成熟固體導彈或火箭的技術儲備，在研發製造新型運載火箭時可以大量借用成熟固體火箭的部件和技術，在增加可靠性的同時也有效減少了研發和製造成本。

「艾普斯龍」運載火箭同樣大量使用了過往日本宇宙航空研究開發機構的成熟部件和技術。「艾普斯龍」火箭一子級採用的是H-2A火箭的固體助推器，二、三子級則由退役的M－5火箭改進獲得。「織女星」火箭的一子級P80固體發動機由阿里安－5的固體助推器改進獲得，而針對P80的後續技術發展將會反過來應用於「阿里安」系列後續火箭的固體助推器。通過將「織女星」項目與「阿里安」系列火箭的結合發展，歐洲航天局可以在逐步推進新技術研製的同時降低整體研發成本。

採用新材料、新技術減少發射成本

「艾普斯龍」火箭在發射控制方面進行了多項創新，具有高度智能的自主檢測系統及發射控制系統。箭上計算機可在發射前對火箭上各系統的狀態進行自主監控、故障診斷，並實施故障隔離及恢復，甚至包括箭上點火系統的檢查。在發射控制過程中，僅需要配備攜帶型電腦的少量操作人員，通過互聯網在世界的任何地方檢查和控制火箭發射，未來將有可能實現發射場不再需要發射控制系統。

「電子」火箭採用了基於通用硬體的分散式計算架構，計算模塊分布在每級箭體上，實現海量的功能定製。經過優化，「電子」火箭上的航電系統總質量僅8.6kg，在降低火箭總質量的同時節約了研發時間與成本，從而實現了高頻率與低成本發射的目的。「電子」火箭的「盧瑟福」發動機採用了新的動力模式，與傳統泵相比使用電泵有效減少了所需燃料的質量。除此之外，「盧瑟福」發動機主要部件均採用3D列印製造而成，每台發動機的再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進劑閥門等最快可在24h內完成列印，便於發動機低成本、快速和批量製造。

新材料使用的一個典型例子是新型碳複合材料。「織女星」火箭的一級發動機殼體採用IM7碳纖維材料，這也是目前試驗過的最大的整體式高質量比、高性能碳纖維材料殼體；其二、三級火箭發動機殼體則採用T1000G與UF3325樹脂的複合材料。2種小型液體運載火箭則採用全碳複合材料作為結構材料，其中美國火箭實驗室公司已經投入了大量精力研究將碳複合材料應用於液氧貯箱製造上。「電子」火箭整流罩採用碳纖維複合材料，總質量只有30kg。

作者：楊浩亮、劉立東、郭鳳明

來源：《國際太空》2017年第11期

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！

本站內容充實豐富，博大精深，小編精選每日熱門資訊，隨時更新，點擊「搶先收到最新資訊」瀏覽吧！

請您繼續閱讀更多來自 中國太空網 的精彩文章: