+ 張雪松

小衛(wèi)星快速發(fā)射，八仙過海 各顯神通

+ 張雪松

編者按：

回顧近來與火箭發(fā)射有關(guān)的熱點新聞，其中三條吸引了我們的注意：XS1項目花落波音、新西蘭“電子號”小火箭首次發(fā)射、世界最大飛機正式亮相。這三者之間的內(nèi)在聯(lián)系不難發(fā)現(xiàn)：新聞中的主體，都是一種新興的航天器發(fā)射方式，而它們的目的，都是為了實現(xiàn)低成本、快速地將小衛(wèi)星（這里指重量為一噸左右及以下的衛(wèi)星）送入太空。

隨著微小衛(wèi)星的爆炸性發(fā)展，小衛(wèi)星發(fā)射工具也日益熱門，其中既有一次性的小型運載火箭，也有重復(fù)使用的運載工具。世界各國多家公司和機構(gòu)研發(fā)的針對小衛(wèi)星快速發(fā)射的手段可以說是八仙過海各顯神通，經(jīng)過深入盤點后我們發(fā)現(xiàn)，這些手段各有優(yōu)劣，想必將在未來的發(fā)射市場上展開白熱化的競爭。

太空飛機

2017年5月24日美國先進研究項目局（DARPA）發(fā)布消息，XS-1太空飛機項目第二階段選中波音公司作為唯一的承包商繼續(xù)進行研制，波音將其稱為“幻影快車”。

“幻影快車”力圖通過重復(fù)使用來實現(xiàn)航天發(fā)射的廉價化，原型機將在2020年亮相。按照DARPA對XS-1項目的要求，“幻影快車”太空飛機加上一個一次性的上面級，將具備把3000磅（1360千克）的載荷送入近地軌道的能力，每年發(fā)射10次以上的頻率下單次發(fā)射費用只有不超過500萬美元，相當(dāng)于“米諾陶”火箭發(fā)射價格的1/10。DARPA還要求“幻影快車”具備10天進行10次高超音速飛行的能力，雖然沒有要求攜帶上面級，但理論上有翼的第一級有這樣的重復(fù)出動能力，一次性上面級更不是障礙。簡而言之，“幻影快車”將具備廉價的快速發(fā)射能力，如果波音公司研制成功的話，它在未來市場上將產(chǎn)生顛覆性的影響，把所有的一次性小火箭擠出市場。

“幻影快車”太空飛機的紙面性價比很高，但它的未來卻存在著潛在風(fēng)險——它是一個公私合營的項目，DARPA只給1.43億美元撥款，剩下的部分都要靠波音出錢，這意味著一旦出現(xiàn)技術(shù)障礙或是進度拖延，“幻影快車”的研制出現(xiàn)超支就會下馬。臨淵慕魚不如退而結(jié)網(wǎng)，火箭實驗室的“電子號”火箭雖然是一次性運載火箭，但卻是已經(jīng)試射的火箭，它將是未來最有前途的小型運載火箭之一。

小火箭

今年5月25日，“電子號”火箭從新西蘭北島的馬希亞航天發(fā)射場發(fā)射升空，雖然由于火箭姿控的一些問題最終沒有將載荷送入預(yù)定軌道，但這對于一家商業(yè)航天公司研制的使用諸多新技術(shù)的運載火箭，這已經(jīng)是相當(dāng)了不起的成功。“電子號”火箭使用大量新技術(shù)，比如3D打印制造、碳纖維復(fù)合材料的液氧和煤油儲箱，和電動機帶動的渦輪泵，這些革命性的新技術(shù)由一家小型商業(yè)航天公司引入液體運載火箭工業(yè)，實在令老牌廠商汗顏。但“電子號”火箭更令人拍案叫絕的是它的成本和發(fā)射頻率——“電子號”火箭具備將220千克載荷送入近地軌道的能力，而發(fā)射費用只需要490萬美元，它為了實現(xiàn)高密度發(fā)射還專門跑到新西蘭新建了發(fā)射場，甚至打算未來做到一周一發(fā)。

或許有人會問，“電子號”火箭的單位發(fā)射成本比大型火箭還貴，真的有信心拉到那么多訂單么？這就要說小型火箭的獨特優(yōu)勢了。小衛(wèi)星發(fā)展過程中，早期一般是作為大中型火箭發(fā)射的次級載荷順路上天的，但這也帶來很多問題。首先就是發(fā)射響應(yīng)時間的問題，某些微小衛(wèi)星可能需要應(yīng)急快速發(fā)射，而大型火箭的發(fā)射基本不會考慮次級載荷的發(fā)射時間要求；其次，很多微小衛(wèi)星會運行在比較特殊的軌道上，和傳統(tǒng)的太陽同步軌道或是空間站軌道有不小的區(qū)別，這也帶來了獨立發(fā)射的需求，蓬勃興起的小火箭瞄準(zhǔn)的就是這些市場。以電子號火箭為例，美國“月球快車（Moon Express）”就將使用“電子號”火箭發(fā)射他們的月球探測器，如果要等美國或是其他國家的大型火箭發(fā)射月球探測器時順路搭車搭載，“月球快車”的發(fā)射就不知道要等到猴年馬月了。

現(xiàn)有的小型運載火箭中，“電子號”火箭的報價是很有競爭力的，甚至可以說是最具競爭力的運載火箭。那么除了火箭本身使用新技術(shù)挖潛，還有沒有別的道路呢？空射火箭就是另一條不錯的路線。例如維珍銀河公司的“發(fā)射者一號（LauncherOne）”火箭將使用波音747載機空中發(fā)射，廉價實現(xiàn)更為靈活的航天發(fā)射。

空射火箭

空中發(fā)射當(dāng)然不是異想天開，而是有著貨真價實的優(yōu)勢。

第一，空射火箭具有更好的發(fā)射靈活性。5月底，“電子號”火箭的首次發(fā)射曾接二連三地發(fā)生推遲，主要原因就是發(fā)射場高空氣象不佳。而如果火箭在萬米高空發(fā)射，加上載機的大范圍機動，就可以規(guī)避絕大部分氣象問題，從而減少推遲發(fā)射發(fā)生的幾率。此外，“電子號”火箭之所以選擇在地廣人稀的新西蘭發(fā)射，一個主要考慮是為了遠離繁忙的航班，便于空管部門的空域協(xié)調(diào)，以實現(xiàn)更高頻率的發(fā)射。而空射火箭就沒有這種煩惱，載機可以攜帶火箭飛到更合適的區(qū)域，規(guī)避火箭發(fā)射對航空活動的干擾。空射火箭具有更好的發(fā)射靈活性，這對某些時效性較強的發(fā)射是十分合適的，也有利于把維護基地放在工作生活更便利的繁華地區(qū)。

第二，空中發(fā)射還有一個巨大的優(yōu)勢，就是高空發(fā)射減少了火箭起飛、加速、爬升到高空的燃料消耗。雖然載機在萬米高空以亞音速發(fā)射火箭，載機速度和火箭入軌速度相差甚遠，但根據(jù)火箭方程細(xì)算，我們會發(fā)現(xiàn)普通運載火箭從地面發(fā)射到飛抵萬米高空所消耗的燃料，無論按絕對數(shù)量還是相對比例都相當(dāng)不少，空射火箭實際上相當(dāng)于增加了一個復(fù)用的第一級，只不過波音747這樣的噴氣飛機比“幻影快車”這樣火箭飛機速度和高度都差得遠，所以效果不太突出而已。

“發(fā)射者一號”使用波音747空中發(fā)射，它是一種二級空射運載火箭，使用新的“牛頓”發(fā)動機，設(shè)計指標(biāo)是以不高于1000萬美元的成本，將230千克的載荷送入太陽同步軌道。綜合算下來，“發(fā)射者一號”的單位發(fā)射成本只比“電子號”火箭略高，同樣具有很強的商業(yè)競爭力。不過它主要用于發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星，與用于發(fā)射近地軌道載荷的“電子號火箭”并沒有短兵相接的機會。

“Stratolaunch”搭載三枚火箭效果圖

空射火箭具有方便快捷和廉價發(fā)射的諸多優(yōu)勢，不僅小型火箭、就連中型火箭也來湊熱鬧。近日，一則新聞轟動了整個科技圈——同溫層發(fā)射系統(tǒng)公司（Stratolaunch Systems）的空中發(fā)射載機”Stratolaunch”，綽號“大鵬”的史上最大飛機于5月31日，在加利福尼亞州的莫哈維基地正式下線。

作為空射火箭，同溫層發(fā)射系統(tǒng)的確能夠更準(zhǔn)確、快速地把衛(wèi)星送入軌道，然而其“能夠降低成本”的說法似乎只對傳統(tǒng)的火箭地面發(fā)射方式有效。因為與本文前述發(fā)射方式相比，同溫層發(fā)射系統(tǒng)并不便宜——“飛馬座XL”火箭的價格一直比較貴，作為“米諾陶”火箭的空射變種，其過去使用L-1011客機空中發(fā)射時單價居然高達5600萬美元。如上文所述，“米諾陶”火箭的高價正是催生XS-1“幻影快車”的重要原因，未來，除非“飛馬座XL”火箭能夠大幅降價、或者“大鵬”更換火箭搭檔，否則同溫層發(fā)射系統(tǒng)的大飛機做得再好，也沒法和地面發(fā)射的“電子號”小火箭或是空射的“發(fā)射者一號”火箭競爭，更不要說為滿世界找火箭的小衛(wèi)星運營者們帶來“白菜價”、準(zhǔn)確又快速的發(fā)射服務(wù)了。