3D 打印火箭人族-1 測(cè)試性飛行的特點(diǎn)分析

劉琳 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

1 任務(wù)簡(jiǎn)介

2023 年3 月8 日，美國(guó)民營(yíng)航天公司相對(duì)論空間公司（Relativity Space）的人族-1（Terran 1）火箭在美國(guó)佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行首次測(cè)試性飛行。這次發(fā)射任務(wù)代號(hào)為“GLHF”，意思是“祝你好運(yùn)，玩得開(kāi)心”（Good Luck，Have Fun）。

相對(duì)論空間公司成立于2015 年，計(jì)劃采用3D打印技術(shù)、人工智能以及自主機(jī)器人相融合的新方法來(lái)實(shí)現(xiàn)火箭的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)與飛行任務(wù)，近期進(jìn)軍新型的小型運(yùn)載火箭市場(chǎng)，遠(yuǎn)期幫助構(gòu)建人類(lèi)的多星球未來(lái)。2020 年以來(lái)，相對(duì)論空間公司飛速發(fā)展，目前已經(jīng)贏得了包括美國(guó)國(guó)防部以及一網(wǎng)公司（OneWeb）在內(nèi)的多家客戶(hù)的價(jià)值超過(guò)數(shù)億美元的發(fā)射合同訂單。

此次火箭的測(cè)試性飛行并沒(méi)有攜帶任何客戶(hù)的有效載荷，僅攜帶了一枚由該公司第一代3D 打印機(jī)所制造的質(zhì)量約為1.5kg、直徑為16.5cm 的鋁制金屬環(huán)，計(jì)劃將其送入傾角為28.5°的200km 的近地軌道。

公司的首席執(zhí)行官蒂姆·埃利斯（Tim Ellis）稱(chēng)，此次飛行的主要任務(wù)是考核3D 打印“產(chǎn)品”能夠真正上天。人族-1 火箭上重量超過(guò)85%的結(jié)構(gòu)由3D 打印機(jī)制造，是現(xiàn)階段世界范圍內(nèi)“3D 打印”程度最高的火箭。雖然研制過(guò)程經(jīng)過(guò)多次地面試驗(yàn)考核，但是能否承受飛行力學(xué)載荷環(huán)境的嚴(yán)峻考驗(yàn)尚不確定，特別是起飛后的最大動(dòng)壓的飛行環(huán)境將對(duì)火箭結(jié)構(gòu)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，如果此次測(cè)試性飛行成功，它將是全球第一枚入軌的3D 打印火箭，將創(chuàng)造航天制造業(yè)的新紀(jì)錄。

與此同時(shí)，它還將成就：相對(duì)論空間公司的首次發(fā)射；16 號(hào)發(fā)射場(chǎng)35 年后的首次發(fā)射；人族-1火箭的首次發(fā)射；第一枚入軌級(jí)的液氧甲烷火箭。

不過(guò)，GLHF 任務(wù)并沒(méi)有預(yù)期順利。在當(dāng)?shù)貢r(shí)間3 月8 日的第一發(fā)射窗口，當(dāng)發(fā)射程序進(jìn)行到倒計(jì)時(shí)70s 時(shí)，因?yàn)榛鸺?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的液氧推進(jìn)劑溫度超過(guò)上限而選擇發(fā)射中止，約3h 后，在3 月8 日下午的第二發(fā)射窗口，人族-1 火箭又重新進(jìn)行了一次發(fā)射嘗試，不過(guò)在起飛前20min 再次取消發(fā)射。3 月11 日，相對(duì)論空間公司再次進(jìn)行兩次發(fā)射嘗試，第一次在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后發(fā)射中止，第二次在倒計(jì)時(shí)45s 時(shí)發(fā)射中止，最終該公司宣布推遲發(fā)射。

3 月23 日，人族-1 火箭再次發(fā)射，火箭從16號(hào)發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火起飛，通過(guò)了最大動(dòng)壓時(shí)刻，突破結(jié)構(gòu)承載的峰值，順利完成一級(jí)飛行、一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、一二級(jí)級(jí)間分離程序，不過(guò)二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)飛行段工作異常，發(fā)動(dòng)機(jī)嘗試了兩次點(diǎn)火都未能產(chǎn)生足夠的推力，最終并未達(dá)到目標(biāo)軌道。不過(guò)這次飛行已經(jīng)創(chuàng)造了“西方首枚超越卡門(mén)線的甲烷火箭”的新歷史。

2 典型特點(diǎn)分析

顛覆60 年的航天制造技術(shù)

60 年以來(lái)，美國(guó)傳統(tǒng)的航天制造業(yè)依靠星羅密布的大型工廠、錯(cuò)綜復(fù)雜的供應(yīng)鏈、數(shù)以萬(wàn)計(jì)的人工以及經(jīng)年累月的周期制造著價(jià)格昂貴的火箭。近些年，為了降低航天運(yùn)輸成本，實(shí)現(xiàn)更為快速靈活的進(jìn)出空間方式，美國(guó)民營(yíng)航天可謂八仙過(guò)海，各顯神通：太空探索技術(shù)公司（SpaceX）給出了可重復(fù)使用的完美解決方案，而相對(duì)論空間公司則使出了全箭3D 打印的獨(dú)門(mén)絕技。

人族-1 火箭測(cè)試性飛行

他們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了世界上最大的3D 金屬打印機(jī)——星門(mén)（Stargate）打印機(jī)，然后通過(guò)不斷改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)更新到了第四代，打印速度比第一代提高了7 倍，容量是第三代產(chǎn)品的55 倍，性能已經(jīng)遠(yuǎn)超行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。第四代的星門(mén)打印機(jī)，通過(guò)水平打印的方式，突破尺寸限制，可以打印直徑為3.4m、高為7.6m的結(jié)構(gòu)部件。采用智能打印方式，使工程師們從對(duì)金屬的彎曲、銑削和焊接的工藝中抽身出來(lái)，而僅是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程，通過(guò)在合適的位置沉積金屬來(lái)實(shí)現(xiàn)。不僅如此，每臺(tái)星門(mén)打印機(jī)都具備實(shí)時(shí)檢測(cè)、檢查和后處理的能力，并通過(guò)計(jì)算機(jī)視覺(jué)、實(shí)時(shí)遙測(cè)技術(shù)以及溫度感知等高度融合實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程的全閉環(huán)控制，最大限度避免產(chǎn)品缺陷，降低廢品率，提高產(chǎn)品可靠性。

3D 打印技術(shù)制造特點(diǎn)

經(jīng)由星門(mén)打印機(jī)制造，人族-1 火箭的零件數(shù)量不足1000 個(gè)，從原材料到全箭的制造時(shí)間不足60 天。公司首席執(zhí)行官蒂姆·埃利斯稱(chēng)，目前還屬于制造方式發(fā)展的早期階段，隨著技術(shù)的不斷迭代，還將出現(xiàn)更為高性能的下一代材料，生產(chǎn)速度也會(huì)更快。

相對(duì)論空間公司不僅可以在地球?qū)崿F(xiàn)火箭的快速打印，還設(shè)想在未來(lái)的某一天能夠在火星表面建立一個(gè)“小而輕”的工廠，在幾乎不需要地球人參與的條件下使用3D 打印設(shè)施，制造出地球人生活所需要的各式各樣的東西。

液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)前景廣闊

近些年，盡管學(xué)者們對(duì)于發(fā)展液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)充滿爭(zhēng)議，但是美國(guó)、俄羅斯、歐洲都在持續(xù)推進(jìn)其研制計(jì)劃，美國(guó)太空探索技術(shù)公司的“星艦”（Starship）所采用的猛禽-2（Raptor-2）發(fā)動(dòng)機(jī)，以及聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“火神半人馬”（Vulcan Centaur）火箭采用的BE-4 發(fā)動(dòng)機(jī)均已經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證。人族-1火箭更是有可能成為首枚入軌級(jí)“甲烷火箭”。

目前，采用液氧為氧化劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般有三種，即：液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)、液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。與液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)相比，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的理論比沖高、推進(jìn)劑成本低，但是密度比沖低。與液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)相比，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)理論比沖低，但是其氧化劑與燃燒劑的低溫差距小，密度比沖高，且價(jià)格低廉。

一般而言，可復(fù)用性、成本價(jià)格、使用維護(hù)性、原材料獲取難易程度等代表著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展的需求方向，也是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)。將三種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行比較，按照密度比沖越高越好，成本價(jià)格越低越好，積碳結(jié)焦風(fēng)險(xiǎn)越低越好，冷卻難度越小越好，理論比沖越高越好，研制門(mén)檻越低越好的原則，對(duì)三種類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行打分，得分越高者代表對(duì)需求的滿足度更高，可見(jiàn)，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)略勝一籌。

同時(shí)，隨著重復(fù)使用技術(shù)日漸成為新研航天運(yùn)載器的設(shè)計(jì)“標(biāo)配”，伴隨著高密度發(fā)射日漸成為常態(tài)，甲烷推進(jìn)劑不易結(jié)焦的特性更加凸顯，頗有成為航天動(dòng)力新寵的趨勢(shì)，勢(shì)必將在航天運(yùn)輸動(dòng)力領(lǐng)域占據(jù)一席之地。面向未來(lái)，在星際探索方向，由于甲烷在火星上的大量存在，作為最容易獲取和制造的“火星”推進(jìn)劑，液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展更是前景廣闊。

人族-1（左）與人族R（右）火箭外形圖

3 “人族”系列火箭

相對(duì)論空間公司的“人族”系列火箭包括此次測(cè)試性飛行的人族-1 火箭和未來(lái)的人族R 火箭，人族-1 火箭是一款小型的一次性?xún)杉?jí)液體火箭，具備將1250kg 的有效載荷送入低地球軌道（LEO）的能力。人族R 火箭為中型的完全可重復(fù)使用的兩級(jí)液體火箭，具備將20t 的有效載荷送入近地球軌道的能力。

人族——1 火箭

人族-1 火箭是小型一次性運(yùn)載火箭，用于將小型衛(wèi)星送入近地球軌道和太陽(yáng)同步軌道，采用兩級(jí)的液氧甲烷動(dòng)力系統(tǒng)，高約35m，直徑2.3m，此次用于測(cè)試性飛行的人族-1 火箭由于采用封閉式錐形結(jié)構(gòu)替代了火箭原有的有效載荷整流罩，所以高度僅為33.5m。

全箭重量約85%的部件由相對(duì)論空間公司的星門(mén)3D 打印機(jī)制造，包括火箭內(nèi)部的復(fù)雜零件、發(fā)動(dòng)機(jī)大部分零件、推進(jìn)劑儲(chǔ)箱以及級(jí)間分離系統(tǒng)等。通過(guò)這種制造方式，此枚人族-1 火箭的零件總數(shù)量降低了至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)，總數(shù)不足1000 個(gè)，并將火箭從原材料到整箭的制造周期縮短到60 天內(nèi)，大量節(jié)約了時(shí)間與人工成本。

人族-1 火箭的有效載荷整流罩高度為6.8m，直徑為3m，殼體為金屬材料，采用蚌殼式，整流罩內(nèi)部有效包絡(luò)范圍直徑2.54m，高度5.588m，柱段長(zhǎng)度3.165m，標(biāo)準(zhǔn)有效載荷接口為986mm，配有一個(gè)攝像頭用于監(jiān)控衛(wèi)星與火箭的動(dòng)態(tài)分離過(guò)程。人族-1 火箭可以適應(yīng)多種有效載荷，滿足單星或者多星發(fā)射任務(wù)需求，任務(wù)時(shí)長(zhǎng)最多可達(dá)2.5h。

動(dòng)力系統(tǒng)共使用10 臺(tái)永世-1（Aeon-1）發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種開(kāi)放式循環(huán)的液體發(fā)動(dòng)機(jī)，采用液氧作為氧化劑、燃燒劑為液壓天然氣（含有97%的甲烷與3%的其他天然氣）。其中火箭一子級(jí)采用9 臺(tái)永世-1 發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛推力約900kN；二子級(jí)采用真空版永世-1發(fā)動(dòng)機(jī)，推力約126kN。

電氣系統(tǒng)采用單總線與模塊化設(shè)備相結(jié)合方式，通過(guò)增加或者減少模塊化組件來(lái)滿足不同任務(wù)的個(gè)性化需求，整體采用架構(gòu)式設(shè)計(jì)，盡可能減少開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程并簡(jiǎn)化操作流程。

最大運(yùn)載能力為將1250kg 的有效載荷送入185km 的近地球軌道、將900kg 的有效載荷送入500km 的太陽(yáng)同步軌道，或者將700kg 有效載荷送入1200km 的太陽(yáng)同步軌道。此次GLHF 任務(wù)飛行程序約8min，目標(biāo)軌道為傾角為28.5°的200km近地球軌道。

人族R 火箭

人族R 火箭名字中的R 代表Reusable，意思是重復(fù)使用，表明該火箭是一款完全可重復(fù)使用的火箭。該公司稱(chēng)人族R 火箭的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于大自然，它擁有獨(dú)特的，由算法創(chuàng)造的氣動(dòng)外形，目的是便于進(jìn)出大氣層。人族R 火箭運(yùn)載能力與SpaceX 公司的獵鷹-9（Falcon-9）火箭相當(dāng)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是將20t 有效載荷送入近地球軌道。

該火箭將使用第四代星門(mén)打印機(jī)生產(chǎn)制造?；鸺蛔蛹?jí)采用7 臺(tái)永世R（Aeon R）發(fā)動(dòng)機(jī)，二子級(jí)采用真空版發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)于2024 年在卡納維拉爾角發(fā)射基地進(jìn)行首次飛行試驗(yàn)，并于2025 年起發(fā)射OneWeb 公司的第二代衛(wèi)星。

人族R 火箭未來(lái)還將用于為商業(yè)和政府客戶(hù)提供面向更遠(yuǎn)的軌道、更經(jīng)濟(jì)的空間投送能力，并最終成為一艘能夠在地球、月球以及火星之間執(zhí)行任務(wù)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的貨運(yùn)平臺(tái)。

人族-1 火箭飛行程序

人族R 火箭獨(dú)特的氣動(dòng)外形

4 總結(jié)

人族-1 火箭是一枚“小而美”的火箭，它正在航天制造領(lǐng)域另辟蹊徑，試圖從根本上改變航天制造行業(yè)的設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)方式，從而大幅提高規(guī)模生產(chǎn)能力，以極大的靈活性滿足市場(chǎng)需求；還有可能在這個(gè)方興未艾的液氧甲烷動(dòng)力時(shí)代拔得頭籌，成為首枚入軌級(jí)的“甲烷火箭”，真正改寫(xiě)航天動(dòng)力史。