軌道科學公司的新秀

2008年美國航宇局（NASA）和兩家公司正式簽訂了商業補給服務合同，其中之一的太空探索公司先發制人，不僅率先完成了“獵鷹”9號火箭的研制和試飛，而且開始向國際空間站發射貨運飛船，執行正式的貨運補給任務。軌道科學公司雖然進度較為落后，但也并非庸手，今年4月21日，軌道科學公司“天蝎座a”（Antares）運載火箭也成功進行了首次試驗飛行，將一個模擬“天鵝座”（Cygnus）飛船的載荷送入軌道，這次飛行將為后續的“天鵝座”貨運飛船試驗飛行和執行實際的貨運補給發射合同鋪平道路。

全球采購控制成本

“天蝎座Q”火箭原名“金牛座”II（Taurus II）型火箭，是一種設計上追求廉價可靠的運載火箭，主要用于執行發射“天鵝座”貨運飛船的任務，它的基本型號使用二級運載火箭設計，也有擴展為三級運載火箭的設計。火箭長度約40.5米，箭體直徑3.9米，起飛質量約240噸，地球低軌道運載能力超過5噸，是軌道科學公司研制的運載能力最大的運載火箭，不過仍屬于典型的中型運載火箭。

“天蝎座a”火箭滿足NASA運載火箭的第三類要求和美國國防部類似的標準，除了發射“天鵝座”貨運飛船外，還可用于發射NASA的其他載荷并執行美國國防部的軍用載荷發射任務，也試圖擠入商業遙感衛星發射市場。

“天蝎座a”火箭無論是地球低軌道、太陽同步軌道還是逃逸軌道的運力，都類似于美國聯合發射聯盟的“德爾它”2火箭，堪稱“德爾它”2火箭最佳的接班人。作為新型運載火箭，“天蝎座a”火箭運載系數并不出眾，但設計上有很多特色：它適中的運力填補了美國小型的“米諾陶”4火箭與重型的“德爾它”4火箭之間的運力空白；其次它預計的發射報價比現有的中等運力火箭明顯降低，如基本型號發射報價只有7500萬～8000萬美元，有利于降低航天項目的總成本；“天蝎座a”火箭的廉價并非建立在性能不足甚至偷工減料上，它采用全球采購策略，使用其他運載火箭上得到實際飛行驗證的成熟技術和子系統，這樣的措施不僅降低了火箭的研發成本，而且讓新型的“天蝎座a”火箭實現了更高的可靠性。

軌道科學公司的“天蝎座a”火箭采取全球采購策略，并大量使用經過飛行驗證的成熟子系統以降低成本，這種方式與競爭對手太空探索公司截然相反。太空探索公司研制的“獵鷹”9號火箭，發動機、推進劑箱、燃料輸送系統、飛行控制系統、制導導航控制系統等諸多關鍵子系統都盡量自力更生，通過高度集成的研制和制造降低火箭的成本。兩家公司都以火箭的低成本作為賣點，“獵鷹”9號火箭的研制成本約為3億美元，“天蝎座a”火箭成本略高一點，考慮到通脹等多方面因素，兩家公司各自火箭研制的成本控制能力難分高下。

復雜的火箭型號

2013年4月21日“天蝎座a”火箭的首次發射中，使用的火箭型號為“天蝎座a”110型號，它還規劃了120、121、133和130、131、132等諸多不同型號的火箭設計。根據“天蝎座a”火箭的命名規則，版本號的第一位數字表示第一級箭體的配置，依次第二位數字表示第二級、第三位數字表示第三級箭體的配置。具體地說，第一位數字的1表示使用標準的第一級箭體，也就是使用兩臺AJ26-62型高壓補燃液氧煤油發動機；第二位數字的1表示第二級箭體使用ATK公司的Castor 30A固體火箭發動機，第二位數字2表示使用ATK公司的Castor 30B固體火箭發動機，第二位數字3表示使用ATK公司加長型的Castor30×L固體火箭發動機；第三位數字O表示沒有第三級發動機，第三位數字1表示使用3臺日本IHI公司的BT-4液體火箭發動機，第三位數字2表示使用ATK公司的Star 48 BV固體火箭發動機。

“天蝎座a”火箭這種第一級不變，以上面級的不同配置區分型號的做法，與“獵鷹”9號火箭截然相反。“獵鷹”9號火箭只有1.0和1.1兩個版本，但兩種型號基本設計存在巨大的不同，使用不同的發動機和箭體，完全可以說是兩種火箭。這種命名方式的區別，體現的是兩家公司對發射市場的不同認識，軌道科學公司的“天蝎座a”火箭主要用于發射“天鵝座”飛船，并試圖占領“德爾它”2火箭退役后的空缺，而太空探索公司的“獵鷹”9號火箭雖然也用于執行商業補給服務發射，但研制的主要目標是爭奪商業通信衛星的發射訂單。

俄羅斯血統的第一級

“天蝎座a”火箭的第一級箭體使用兩臺Aerojet公司的AJ26-62型高壓補燃液氧煤油發動機，它實際上是蘇聯時代的遺產。雖然Aerojet公司是美國老牌火箭發動機研制生產廠商，但AJ-26火箭發動機并非Aerojet公司研制，而是俄羅斯NK-33火箭發動機的美國編號。Aerojet公司從俄羅斯以難以想象的低價購買到一批庫存的NK-33發動機，對其控制系統進行適應性修改后，賦予AJ-26火箭發動機的編號。NK-33發動機是NK-15火箭發動機的改進版本，而NK-15恰恰是蘇聯當年計劃用于載人登月的N-1巨型運載火箭的火箭發動機。雖然N-1火箭4次發射均以失敗告終，但Aerojet公司多年測試后認為NK-33發動機的可靠性相當出色，NK-33/AJ-26發動機還是目前已經投入使用的推重比最高的火箭發動機，這對一種使用高壓補燃設計的液體火箭發動機來說尤為難得。雖然研制時間早外加推重比高，NK-33/AJ-26火箭發動機的其他性能也相當出色，它的海平面推力約為166噸，真空推力約為185噸，海平面和真空比沖分別為297和331秒。性能強勁的AJ-26火箭發動機，是“天蝎座a”火箭設計的基石。

軌道科學公司成立于1981年，研制過包括“飛馬座”、“米諾陶”、“金牛座”在內的多種固體運載火箭，還承攬了美國陸基中段防御系統中陸基攔截彈的推進段研制工作，但它缺乏大型液體火箭的設計經驗，因此第一級箭體的設計制造大量分包給烏克蘭的南方設計局，而軌道科學公司在已有成熟的模塊化航電控制硬件的基礎上，為“天蝎座a”火箭研制了合適的MACH飛行控制系統。“天蝎座a”火箭的第一級箭體大量應用了烏克蘭南方局已有的天頂火箭的成熟設計和設計經驗，火箭第一級的推進劑箱、增壓儲箱、輸送管道、閥門等諸多硬件設備都出自烏克蘭南方局之手，甚至箭體直徑都是一樣的3.9米。如果進一步探尋，我們還會發現3.9米的箭體直徑還與更早的“能源”火箭助推器有著血緣關系，“天蝎座a”火箭與蘇聯兩代巨型運載火箭的淵源，只能讓人感慨命運的無常了。

美國制造的第二級

“天蝎座a”火箭的第一級技術上有著濃厚的蘇聯血統，那么它的第二級就是貨真價實的美國制造了。“天蝎座a”火箭的第二級使用美國ATK公司的Castor 30系列固體火箭發動機，Castor30發動機是Castor 120固體火箭發動機的衍生型號，而Castor 120發動機就是大名鼎鼎的“和平衛士”大型固體洲際導彈的第一級發動機。Castor 30系列發動機使用高性能碳纖維殼體，外加高性能高可靠性的機電推力矢量控制裝置，它的推進劑編號為TP—H8299，點火器直接使用了Castor IVB固體火箭發動機的設計。“天蝎座a”110型火箭第二級使用Castor 30A固體火箭發動機，Castor30A發動機直徑2.36米，長度約3.6米，總質量約14噸，燃燒時間為136秒，最大推力約40噸，真空比沖高達302秒。兩次試驗發射后，正式用于執行商業補給服務任務的天蝎座a120型火箭將換用性能更好的Castor 30B固體火箭發動機，它的噴管面積比增加到76，以提高比沖指標。此后再執行兩次“天鵝座”飛船的發射，“天蝎座a”火箭還將使用加長型的Castor 30XL固體火箭發動機，大大增強它的地球低軌道運載能力，用于發射增強版的“天鵝座”貨運飛船。

“天蝎座a”火箭在設計之初，還曾考慮使用洛克達因公司PWR35M液氧甲烷發動機的增強型的液體火箭第二級設計，PWR35M發動機雖然推力只有147千牛門5噸，但比沖高得多，可以實現更大的運力。不過軌道科學公司與ATK公司關系極為密切，在技術路徑依賴和商業關系的影響下，“天蝎座a”火箭最后還是選用了Castor 30XL等達到更高的性能的發動機。性能更強的Castor 30XL發動機顯著提高了“天蝎座a”火箭的運載能力，但固體火箭發動機比沖低和結構質量大等固有缺陷，導致二級型“天蝎座a”火箭缺乏高軌道發射能力。為了將載荷送入軌道高度較高的地球低軌道，“天蝎座a”火箭可以選用IHI公司的3臺BT-4液體火箭發動機或是ATK公司的1臺STAR 48BV固體火箭發動機作為第三級發動機，“天蝎座a”121和131型號都可將載荷送入1000千米高度的地球低軌道或是太陽同步軌道，大大擴展了任務范圍。與“天蝎座a”火箭設計上復雜相比，“獵鷹”9號火箭的設計相當簡潔，它使用高比沖的液氧煤油發動機，通過大面積比噴管的引入，第二級發動機真空比沖可高達342秒，再加上第二級發動機的重復點火能力，雖然只是一種二級火箭，仍可靈活的執行地球低軌道、太陽同步軌道、同步轉移軌道和深空探測發射任務。從設計水平上說，“獵鷹”9號火箭無疑技高一籌，不過做熟不做生，軌道科學公司作為傳統的固體火箭研制生產廠商，為了保證研制進度和可靠性，沒有冒險使用液體上面級也在情理之中。“天蝎座a”火箭的整流罩使用高性能輕質復合材料制造，雖然質量較輕，不過它的外形設計仍然比較中庸，沒有跟風時髦的馮卡門曲線，而是有傾角分別為30度和15度的雙椎體拼接出頭部。火箭整流罩的直徑為3.9米，長度9.9米，考慮到底部適配器占用了部分高度和空間，以及頂部錐體的高度，能容納的衛星等載荷的實際高度要遠小于9.9米，不過話說回來，它的內部容積為57.5立方米，仍比現有的中型運載火箭如“德爾它”2火箭整流罩的內部空間要大得多，方便發射尺寸和體積更大的載荷。

前景難測

“天蝎座a”火箭雖然首次發射成功，但并非一帆風順。它的首次發射原定在2012年進行，由于各種測試問題最終推遲到2013年，發射前還進行了AJ-26發動機長達27秒的點火，火箭原定4月17日發射，但第一次發射嘗試由于第二級連接問題發射中止，20日的第二次發射又由于高空風的原因被迫取消，好在21日的第三次嘗試發射相當順利。這次發射，除了模擬“天鵝座”飛船的載荷，還攜帶了4顆立方體衛星，發射的成功不僅是軌道科學公司運載火箭研制上的重要里程碑，而且洗刷了俄制NK-33發動機不吉利的惡名，說明N-1巨型火箭的悲劇主要是火箭研制中無視科學規律蠻干的結果。同時，這次成功發射，對于Aerojet公司研制引進大推力雙室高壓補燃液氧煤油發動機，參與SLS火箭的先進助推器競爭也是一個好消息。

遺憾的是，雖然AJ-26是一種得到實際發射檢驗的高性能火箭發動機，但Aerojet公司在俄羅斯掃貨買到的NK-33發動機數量并不多，軌道科學公司更是只購買了20臺AJ-26發動機，只能支持“天蝎座a”火箭10次發射的需要。軌道科學公司已經表示，如果未來得到更多的訂單，將考慮研制AJ-26/NK-33發動機的替代品。不過軌道科學公司也曾表示如果研制類似性能的發動機，火箭研制費用將多支出至少5億美元。大推力高壓補燃液氧煤油發動機的研制非常燒錢，美國火箭發動機公司獨立研制的可能性不大。如果不出意外的話，很可能仍然從俄羅斯引進液體火箭發動機，加上美國的控制系統使用，俄羅斯可能研制生產NK33—1發動機，但更大的可能是RD-191占據大部分市場，這兩種發動機的推力都達到200噸級，雖然它們都具備節流能力，但“天蝎座a”第一級火箭箭體進行相應的修改也是無可避免的。

相比之下，太空探索公司自力更生研制燃氣發生器循環的“灰背隼”液氧煤油發動機就要明智的多。“灰背隼”發動機雖然推力遠低于Nk-33，比沖更是無法望其項背，但推力小外加燃氣發生器循環的結構相對簡單，發動機研制成本很低，獨立研制的發動機也便于進行改進升級，目前“灰背隼”發動機的推力已經從最早的34.7噸增加到63.3噸，“獵鷹”系列火箭的性能也有了巨大的變化，可發射主流的大型通信衛星，這是軌道科學公司的“天蝎座a”火箭無法比擬的。

由于第一級發動機和未來任務量的不確定性，“天蝎座a”火箭的未來也有很大的變數。悲觀地說，“天蝎座a”火箭很可能完成NASA的8次商業補給服務合同后就壽終正寢，樂觀地說，“天蝎座a”火箭成為“德爾它”2火箭接班人，用于執行地球地軌道、太陽同步軌道、地球中軌道到各種小型星際探測器的發射任務。

總的說來，“天蝎座a”火箭在進度、性能和擴展潛力等各方面都落后于“獵鷹”9號火箭，技術上無疑是大為遜色的。但對軌道科學公司而言，“天蝎座a”火箭不僅是軌道科學公司運載火箭研制的里程碑，而且可以滿足軌道科學公司執行商業補給服務合同的需要，同時填補了美國運載火箭運力的空白，并可參與航天發射市場的競爭。事實上，如果論研制成本和發射成本，“天蝎座a”火箭在世界范圍內也是相當出色的，它不僅是軌道科學公司研制的合格產品，也是一種優秀的運載火箭。