文/戴佳橋 楊開

▲ 人族-1 火箭發(fā)射

北京時間2023 年3 月23 日11 時25 分，美國創(chuàng)企相對論航天公司（Relativity Space）研制的3D打印小型運載火箭人族-1，從美國卡納維拉爾角太空軍基地的LC-16 發(fā)射工位起飛，執(zhí)行首飛任務，因二子級發(fā)動機故障遭遇失利。該火箭首飛雖然失利，但仍然創(chuàng)造了多個紀錄。

失敗中的成功

本次任務未攜帶有效載荷，且整流罩不分離，發(fā)射過程中與二子級保持連接狀態(tài)。根據(jù)發(fā)射直播畫面，在起飛前5 秒，一子級9 臺發(fā)動機點火啟動，待各系統(tǒng)正常運行后，箭載飛行計算機發(fā)送起飛指令，火箭升空。

起飛1 分20 秒后，“人族-1”經(jīng)過最大動壓MAX-Q（Q，與大氣密度及速度平方成正比的參數(shù)）點，最大動壓點即箭體結構承受載荷最大的時刻。這證明了其3D 打印箭體結構能夠在飛行環(huán)境下保持完整性，驗證了3D 打印技術方案的可行性。

起飛2 分40 秒后，一子級9 臺發(fā)動機正常關機，一二子級在2 分45秒時分離，然而原本計劃在2 分51秒啟動的二子級發(fā)動機未能按預定時序正常點火啟動，官方隨即終止了箭上畫面。

發(fā)射直播實況結束后不久，相對論航天公司官方稱發(fā)射遭遇失利，但通過最大動壓點對公司就是很大成功。

遭遇發(fā)射失利后，公司官方社交媒體發(fā)布信息，“首飛任務證明相對論航天公司的3D 打印火箭技術將助力實現(xiàn)下一型人族-R 火箭。首飛箭成功通過了最大動壓點，即結構承受載荷最大的情況。這是公司創(chuàng)新增材制造方法最需要證明的問題。今天是一次巨大的成功，創(chuàng)下了多個歷史第一。而且飛行任務按時序進行到一子 級關機和一二子級分離。公司將評估數(shù)據(jù)，并在未來幾天提供結果”。公司創(chuàng)始人蒂姆·艾利斯則在社交媒體上羅列了“人族-1”首飛創(chuàng)下的一系列帶有前置條件的“第一”和“紀錄”。

▲ 人族-1 火箭起飛時液氧甲烷發(fā)動機獨有的藍色尾焰特征顯著

從上述信息能夠看到，相對論航天公司對于首飛失利有預期，而且更關注對于3D 打印技術的驗證，以支撐后續(xù)人族-R 火箭的研制。因此，雖然首飛失利可能會對公司已經(jīng)獲得的訂單產(chǎn)生一定影響，導致發(fā)射任務向后推遲，但是對于瞄準長期計劃的人族-R 火箭影響并不大。

另外，與美國其他上市的小火箭創(chuàng)企對比，“相對論航天”并沒有選擇上市融資的路徑，因此發(fā)射失利也并不會對公司財務造成顯著的影響。目前，大多選擇上市融資的小火箭公司，在資本市場上的表現(xiàn)也很難讓人滿意，例如阿斯特拉（Astra）航天公司在2021-2022 年多次遭遇失利后，股價長期處于1 美元以下，馬上要面臨退市風險；維珍軌道公司在年初遭遇失利以及近期因資金不足而停業(yè)之后，股價也跌破1美元，即將破產(chǎn)變賣。相對論航天公司依靠前期比較高額的融資（13 億美元），仍有很大空間開展人族-R 火箭的研制，首飛失利影響很小。

▲ 相對論航天公司官方直播間內(nèi)兩位主持人的笑容絲毫看不出這是一次發(fā)射失利

坎坷的首飛之路

“人族-1”最初計劃在2020 年進行首飛，因為研制進度、新冠疫情、規(guī)劃變更等多方面因素導致進度不斷推遲，首飛箭直到2022 年才完成總裝下線。之后的首飛準備工作，則是按照常規(guī)流程，從一二子級的試驗驗證，到發(fā)射場總裝測試，再到發(fā)射演練，最后進行發(fā)射。

2022 年3 月，首飛箭二子級在相對論航天公司位于長灘的總部完成總裝，運往斯坦尼斯航天中心之后，開展了多輪短時長的試車驗證，在2022年5 月完成了長程試車，試車時長為4 分35 秒。之后，二子級被運往卡角的LC-16 發(fā)射工位準備進行射前總裝。由于斯坦尼斯航天中心沒有模擬真空環(huán)境的試車臺，二子級試車過程未能模擬實際飛行任務的運行狀態(tài)，這可能也是二子級未能成功啟動的重要原因之一。

▲ “人族-1”的發(fā)射流程

2022 年6 月，首飛箭一子級在相對論航天公司位于長灘的總裝廠完成總裝后，運抵卡角的發(fā)射工位，先開展6 次短時長整級試車（總計185秒），最后在10 月初完成1 次時長188 秒的長程試車。

2022 年11 月，相對論航天公司在完成一二子級的測試及驗證后，在卡角完成人族-1 火箭的總裝，并進行了長達3個月的測試和發(fā)射準備工作，隨后在2023 年2 月完成了包括推進劑加注流程在內(nèi)的發(fā)射演練。相對論航天公司考慮到此前已經(jīng)分別對火箭一、二子級進行過多輪試車，經(jīng)過了充分考核，雖然其發(fā)射許可中包含一次全箭靜態(tài)點火試車的內(nèi)容，但并未針對全箭狀態(tài)的火箭開展一子級試車。

2023 年3 月8 日，相對論航天公司進行首次發(fā)射嘗試，發(fā)射流程進行到起飛倒計時T-70 秒，因地面設備上的閥門故障導致上面級液氧溫度超出上限，觸發(fā)了火箭自動中止系統(tǒng)，發(fā)射被迫中止。隨后，相對論航天公司宣布首飛推遲至3 月11 日，之所以推遲3 天是因為人族-1 火箭采用液化天然氣（LNG）而非純凈的液態(tài)甲烷，在準備推進劑過程中，需要較長時間“富集”不同的組分（甲烷、乙烷、丙烷等），以滿足火箭發(fā)射的需求。

3 月11 日，人族-1 火箭進行第二次發(fā)射嘗試。發(fā)射流程進行到起飛倒計時T-0.5 秒，一子級9 臺發(fā)動機已經(jīng)點火，但由于火箭自檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)級間分離程序出現(xiàn)異常，中止發(fā)射，并關閉了一子級9 臺發(fā)動機。相對論公司在一個多小時后再次嘗試發(fā)射，但在T-45 秒時再次因上面級推進劑貯箱壓力下降導致中止發(fā)射。這是近期國外第二次出現(xiàn)發(fā)動機點火啟動后，發(fā)射被迫中止的情況：日本H-3火箭在2023 年2 月17 日進行首飛嘗試時，一子級2 臺LE-9 主發(fā)動機已經(jīng)點火啟動，但是由于電氣系統(tǒng)故障，發(fā)射被迫中止，主發(fā)動機關機，發(fā)射推遲。

經(jīng)過上述推遲后，相對論航天公司在3 月23 日終于實現(xiàn)“人族-1”的首飛任務，不過因為二子級發(fā)動機啟動故障而失利。

小身量顛覆傳統(tǒng)制造模式

人族-1 小型火箭構型非常類似于太空探索技術公司的獵鷹9 火箭和火箭實驗室的電子號火箭，都是兩級串聯(lián)構型，一級采用9 臺發(fā)動機并聯(lián)，二級采用一臺真空型發(fā)動機，兩個子級盡可能統(tǒng)一設計，達到簡化制造、產(chǎn)品共用、降低成本的目的。但這三型火箭規(guī)模相差較大。

人族-1 火箭直徑2.3 米，高約35 米，近地軌道（LEO）運載能力1.25噸，太陽同步軌道（SSO）運載能力0.9 噸，發(fā)射價格為1200 萬美元，最低發(fā)射單價約為1 萬美元/千克，相比獵鷹9 火箭5500 美元/千克的拼車發(fā)射價格幾乎要高出一倍。不過，單位發(fā)射價格高幾乎是所有小型火箭共有的弱點。

一子級采用9 臺“永世-1”液氧甲烷發(fā)動機，火箭一子級采用9 臺永世-1 發(fā)動機，布局類似于獵鷹9火箭，1 臺發(fā)動機在中心，其他8 臺發(fā)動機在外圍均勻分布。永世-1 發(fā)動機采用燃氣發(fā)生器循環(huán)，電動推力矢量控制系統(tǒng)，單臺發(fā)動機海平面推力約為102 千牛，火箭起飛時總推力為920 千牛。人族-1 火箭利用永世-1發(fā)動機熱交換器，用甲烷和氧氣對貯箱進行自生增壓，不需要單獨增壓系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)的氦氣增壓方式。

▲ “電子號”“人族-1”和獵鷹9 火箭的對比

二子級采用1 臺“永世真空”發(fā)動機。永世真空發(fā)動機同樣采用燃氣發(fā)生器循環(huán)一級電動推力矢量控制系統(tǒng)，真空推力約為126 千牛，噴管面積比165:1，具備多次啟動能力，能夠輔助上面級實現(xiàn)鈍化離軌。與永世-1 發(fā)動機類似，永世真空發(fā)動機也使用熱交換器，用甲烷和氧氣對貯箱進行自生增壓。火箭二子級的俯仰和偏航控制基于主發(fā)動機的電動推力矢量控制，滾轉控制基于反作用控制系統(tǒng)（RCS）實現(xiàn)。

整流罩直徑2.3 米，高6.8 米，采用金屬材料，兩瓣式設計，使用氣動推力器進行分離，其聲學緩沖層提供了隔音功能。整流罩內(nèi)部空間可適應單一載荷發(fā)射、共享發(fā)射和專屬星座衛(wèi)星發(fā)射任務，滿足當前衛(wèi)星星座部署的需求。

人族-1 火箭使用總線結構的模塊化電氣系統(tǒng)，可以根據(jù)構型需求快速插拔各類組件，包括飛行計算機、GPS、慣性導航單元（IMU）、遙測處理器、定制數(shù)據(jù)采集、控制處理器、高速傳感器套件、電池和攝像機等組件。此外，火箭兩個子級的電氣系統(tǒng)的組件和結構具有通用性，大幅縮減了研發(fā)周期。同時，“人族-1”采用美國軍方和美國宇航局正在廣泛推廣的自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS），實現(xiàn)靶場安控的自動化，大幅降低人力需求，以適應未來高密度發(fā)射需求。

為了快速學習和改進以追趕行業(yè)內(nèi)領頭企業(yè)，相對論航天公司自成立起，堅持采用增材制造技術的生產(chǎn)模式，研制了“星門”（Stargate）大型3D 打印機和“直接金屬激光燒結”（DMLS）打印機，分別用于大型箭體結構和小型零部件的制造，能夠24小時持續(xù)生產(chǎn)?；鸺七M劑貯箱等主要結構，以及發(fā)動機推力室、噴注器、渦輪泵等均采用3D 打印技術和專用鋁合金材料制造，全箭3D 打印組件占比達到85%（質量占比）。單枚火箭從啟動生產(chǎn)到總裝交付僅需60天，單臺發(fā)動機制造周期為15 天。在火箭制造模式上完全區(qū)別于現(xiàn)有方式，能夠快速敏捷地完成樣機和產(chǎn)品制造，支撐快速研發(fā)迭代的流程和理念。

▲ 人族-1 火箭構型和方案

相對論航天公司采用第三代“星門”打印機制造人族-1 火箭。該打印機使用大幅面金屬3D 打印工藝和專用鋁合金生產(chǎn)人族-1 火箭的結構和火箭發(fā)動機。第三代“星門”可以制造的最大尺寸為直徑3.4 米、高7.6米的組件，而小尺寸、高精度零部件則由DMLS 打印機生產(chǎn)，包括永世-1發(fā)動機的100 個組件。每臺“星門”打印機具備原位實時監(jiān)控、檢測和后處理功能，且這些功能與打印機噴頭匹配，可應用于每個沉積層。打印機原位識別缺陷功能可以避免造成打印成本浪費，并減少打印產(chǎn)品的修復次數(shù)；視覺、聽覺和熱傳感器支持閉環(huán)控制和過程檢驗，從而減少產(chǎn)品缺陷的形成；使用計算機視覺和機器學習來控制高度非線性和高度耦合的打印過程。通過以上技術，相對論航天公司可以立即識別、標注并修改打印異常，為產(chǎn)品提供保障。同時，3D 打印方式大幅減少零部件數(shù)量，也因此簡化了供應鏈，例如永世-1 火箭發(fā)動機共有100 個組件，而其他業(yè)內(nèi)標準的火箭發(fā)動機組件數(shù)量為2700個。

▲ 永世-1 發(fā)動機在斯坦尼斯航天中心試車

已經(jīng)在路上的人族-R一級復用火箭

相對論航天公司將火星移民或多星球移民作為最終目標，計劃通過在火星上使用3D 打印技術生產(chǎn)火箭，滿足星際運輸需求。同時，3D 打印技術相比傳統(tǒng)制造業(yè)對資源的依賴性更低，使用3D 打印技術在火星上建造基礎設施，可滿足生存需求。

▲ “人族-1”二子級及永世真空發(fā)動機樣機

▲ 第三代“星門”打印機

為此，相對論航天公司計劃快速從“人族-1”過渡到“人族-R”一子級可重復使用的大型運載火箭?！叭俗?R”采用兩級構型，外形類似縮小版的“星艦”，直徑5.5 米，全長約82.3 米，箭體結構和火箭發(fā)動機仍全部由3D 打印技術制造，支持快速研發(fā)，可以在60 天內(nèi)完成全箭交付，且有能力為客戶提供快速發(fā)射服務，使用液化天然氣和液氧作為推進劑，一子級采用13臺永世-R火箭發(fā)動機，單臺發(fā)動機海平面推力約為1147 千牛，二子級采用1 臺永世真空發(fā)動機，真空推力約為1241 千牛。在可重復使用狀態(tài)下，火箭的近地軌道（LEO）運載能力為23.5 噸；采用一次性發(fā)射構型時，火箭的近地軌道運載能力最大可達33.5 噸。一子級將采用垂直起降技術方案實現(xiàn)重復使用，且不考慮復用二子級及整流罩。

“永世-R”以“永世-1”為基礎進行設計，提升了規(guī)模，設計推力約為1334 千牛，同樣采用燃氣發(fā)生器循環(huán)。從2021年6月公布“人族-R”研制計劃開始，在不到2 年時間內(nèi)，相對論航天公司已經(jīng)在2023 年3 月對永世-R 發(fā)動機的推力室組件完成2 次時長25 秒的全功率水平試車，推力達到1147千牛。公司創(chuàng)始人蒂姆·埃利斯在3 月10 日表示，最后一次試車的推力室組件編號為007，設計方案已經(jīng)經(jīng)過多次迭代，“永世-R”成為美國研制速度最快的發(fā)動機之一。

相對論航天公司在2023 年4 月12 日宣布放棄繼續(xù)研制首飛失利人族-1火箭，繼而將重心轉移至人族-R火箭的研發(fā)工作，且該公司認為人族-1 火箭的首飛已完成相關技術驗證，如3D 打印箭體結構的穩(wěn)定性、火箭已通過最大動壓（Max-Q），利用人族-1 火箭的研制經(jīng)驗，同步研制人族-R 火箭。

針對人族-R 火箭，相對論航天公司已推出第四代“星門”金屬3D打印機，其主要特點和優(yōu)勢包括：1）打印速度較第三代提高7 倍，是現(xiàn)有行業(yè)水平的12 倍；2）改為水平打印方式，不存在立式3D 打印的高限問題，打印尺寸可達36.5米長、7.3 米寬，打印體積是第3 代的55 倍；3）一體化的設備設置與印版制備方法可節(jié)約打印準備時間和成本；4）以“星門”的機械自動化平臺為中心進行作業(yè)配置，可有效降低熵并提高制造一致性與可靠性；5）通過融合計算機視覺、先進傳感技術和實時自動測量技術進一步優(yōu)化打印過程監(jiān)控；6）采用相對論航天公司冶金實驗室的下一代3D打印專用合金材料，具有質輕、性能高、打印速度快等特點。

▲ 一子級垂直起降復用的人族-R 火箭示意圖

▲ 永世-R 發(fā)動機推力室組件的全功率試車

▲ 采用水平打印方式的第四代“星門”打印機

雖然相對論公司的人族-1 火箭的首發(fā)3D 打印火箭失敗，但該公司已經(jīng)把工作重點轉移到了下一代可復用的兩級液氧甲烷火箭，隨著火箭運力的大幅提升，公司將能更好地應付不同軌道上不同重量、不同大小的載荷的需求，市場空間和商業(yè)價值也都會能到放大，值得期待。