王瑞 張綠云 （北京航天長征科技信息研究所）

“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 （北京航天長征科技信息研究所）

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

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，美國火箭實驗室公司自主研制的小型運載火箭——“電子”從位于新西蘭北部的瑪西亞航天發(fā)射中心進(jìn)行了首次試驗飛行。本次試飛的火箭僅攜帶了一個驗證型有效載荷（模擬衛(wèi)星），并在火箭上面級上安裝了各種儀器設(shè)備，以對火箭性能進(jìn)行評定。首次試飛計劃的太陽同步軌道（SSO）高度為300～500km，傾角為83°。

在首次試飛中，火箭按原計劃完成了一子級點火、級間分離、二子級點火和整流罩分離程序，但未能按計劃實現(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，這無疑是值得驕傲的，為公司快速步入商業(yè)運營階段打下了堅實的基礎(chǔ)。在接下來的幾周時間里，公司將對試飛中采集到的2.5萬路數(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序

按照此前公司公布的計劃，“電子”火箭將在2017年底投入商業(yè)運營，而在此之前，將進(jìn)行3次試驗飛行，且試飛難度將會逐次提高，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，首次試飛會采取手動和自主飛行中止系統(tǒng)相結(jié)合的方式，但未來的試飛很可能只配備自毀設(shè)備，以簡化基礎(chǔ)設(shè)施要求。

2 “電子”小型運載火箭

“電子”火箭是兩級液體運載火箭，意在為小衛(wèi)星市場帶來高頻率的專用發(fā)射機(jī)會，消除目前搭載發(fā)射方式所受到的發(fā)射時間和發(fā)射軌道等種種限制。“電子”火箭全長17m，直徑1.2m，質(zhì)量10.5t，單次發(fā)射價格為490萬美元。火箭在500km高的SSO軌道運載能力為150kg，而其最大運載能力可達(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載能力。

動力系統(tǒng)

“電子”火箭的動力系統(tǒng)采用了發(fā)動機(jī)通用化的設(shè)計理念：整枚火箭所采用的10臺液氧/煤油發(fā)動機(jī)基于相近的設(shè)計來制造。火箭一子級采用完全相同的9臺“盧瑟?！保≧utherford）液氧/煤油發(fā)動機(jī)，起飛推力為162kN，峰值推力為192kN，比沖303s。火箭二子級采用1臺真空型“盧瑟?！卑l(fā)動機(jī)，推力為22kN，其真空比沖為333s。該火箭動力系統(tǒng)的特點是采用全新的電動推進(jìn)循環(huán)發(fā)動機(jī)（單臺發(fā)動機(jī)配置2臺電動機(jī)，單臺功率為37kW，正常轉(zhuǎn)速為40000r/min），依靠無刷直流電機(jī)和高性能鋰聚合物電池來驅(qū)動推進(jìn)劑泵，這也是該火箭命名為“電子”火箭的原因。“盧瑟?！卑l(fā)動機(jī)采用電動泵實現(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)動機(jī)的主要部件均采用3D打印制造而成。目前，火箭實驗室已經(jīng)配置了6臺金屬3D打印機(jī)，每臺發(fā)動機(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)采用火箭實驗室公司自行研制的微型航電和箭載計算機(jī)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）及實時系統(tǒng)技術(shù)，在達(dá)到立項的響應(yīng)速度和高可靠性的同時，使航電系統(tǒng)質(zhì)量僅為8.6kg。

火箭各級電子系統(tǒng)均采用模塊化硬件結(jié)構(gòu)，只需對其進(jìn)行編程就可完成不同功能定制，可大幅減少硬件改動，縮減生產(chǎn)制造周期，確?；鸺哳l率、快速發(fā)射需求。

整流罩

“電子”火箭的整流罩由2個半片組成，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

“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——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)射場的發(fā)射準(zhǔn)備時間，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，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)射場外，該公司還打算在美國佛羅里達(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，而這也是新西蘭瑪西爾半島發(fā)射場被編號為1號發(fā)射場的原因。

3 火箭實驗室公司的發(fā)展歷程

火箭實驗室公司成立于2007年，大多數(shù)業(yè)務(wù)在新西蘭，在美國奧克蘭設(shè)有一個設(shè)計與工程辦事機(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)火箭所無法比擬的靈活性”理念，重點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“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)星運載器推進(jìn)技術(shù)；2013年12月研制出“盧瑟?！卑l(fā)動機(jī)，并進(jìn)行了300多次點火試驗；2016年完成“電子”火箭各級的飛行資質(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)備和對新西蘭現(xiàn)有設(shè)施進(jìn)行升級改造。

火箭實驗室公司預(yù)計在2017年底將“電子”火箭投入商業(yè)運營，雖然火箭仍需進(jìn)行多次飛行試驗，但截至目前，公司已經(jīng)獲得多個微小衛(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航空航天局（NASA）、美國行星公司（Planet）和斯派爾公司（Spire）。其中，2015年10月，NASA與火箭實驗室公司簽訂的一份價值近700萬美元的“NASA冒險級發(fā)射服務(wù)”（NASA’s Venture Class Launch Services Program）合同，計劃2017年發(fā)射多顆小型科研衛(wèi)星。2016年，行星公司與火箭實驗室公司簽訂的發(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)射時間尚未確定。

4 小結(jié)

隨著微小衛(wèi)星在各個領(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，但該方式一般無法滿足微小衛(wèi)星運營商對衛(wèi)星發(fā)射時間和軌道高度等方面的要求。因此，近年來，全球多家初創(chuàng)私營公司開始研制微小衛(wèi)星專用小型運載火箭，以滿足其發(fā)射需求。據(jù)統(tǒng)計，全球正在開展專用小型運載火箭研制的商業(yè)公司接近20家，其中部分型號已經(jīng)完成了設(shè)計與生產(chǎn)，即將進(jìn)行飛行試驗。還有部分公司在探空火箭或運載火箭相關(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)計階段。專用小型運載火箭研制成本低，發(fā)射價格僅為大中型火箭的10%或更低；發(fā)射時間靈活；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)。

火箭實驗室公司的“電子”火箭針對微小衛(wèi)星發(fā)射市場而研制，其首次試飛為其正式投入商業(yè)運營邁出了重要的一步，也為全球微小衛(wèi)星專用小型運載火箭的研制提供了一個良好的開端。未來，微小衛(wèi)星專用小型運載火箭可使微小衛(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。