西班牙氣球發射小型運載火箭方案淺析

楊開 薛京寧 （ 北京航天長征科技信息研究所， 北京宇航系統工程研究所）

西班牙氣球發射小型運載火箭方案淺析

楊開1薛京寧2（1 北京航天長征科技信息研究所，2 北京宇航系統工程研究所）

Preliminary Analysis of Spanish Bloostar Rocket Launched by Balloon

當地時間2017年3月1日，西班牙零至無窮公司（Z2I）成功完成了“氣球星”（Bloostar）小型運載火箭原型機的高空試驗。

零至無窮公司創建于2009年，創始初期重點研究利用同溫層氣球將大型載荷送入太空邊緣，目前，該公司已經在提供相關服務。在氣球技術成熟之后，該公司將重心轉向以高空氣球作為發射平臺的小型運載火箭。

1 方案介紹

零至無窮公司的發射方案采用同溫層氣球作為基礎級，把“氣球星”火箭送入高空，之后火箭點火工作將載荷送入軌道。該方案實現了氣球技術和火箭技術的相互融合，公司稱這種方式為“氣球-火箭”（Rockoon）解決方案。

構型

“氣球星”火箭采用三級并聯構型。一、二子級都采用環形貯箱，一子級包圍著二子級，三子級在中心位置。發動機和其他子系統都固定在環形貯箱上。由于采用環形結構和并聯布置的形式，使得“氣球星”的構型非常緊湊，便于裝配，火箭的總質量僅為4.9t。

有效載荷和三子級連接在一起。由于是從太空邊緣發射，幾乎沒有空氣阻力，所以在外形設計上不受空氣動力學因素的限制。而且“氣球星”不會經歷條件嚴苛的大氣層飛行階段，熱和載荷環境相對好很多，因此整流罩設計為可折疊的形狀，采用碳纖維骨架和多層復合材料布面，布面最內層是氣體阻隔薄膜。

目前，“氣球星”的級間分離采用火工品分離開關，不過這種裝置成本比較高，而且會產生振動，未來可能考慮更換為機械分離方式。

“氣球星”的質量分布情況（不包括有效載荷）

零至無窮公司將“氣球星”定位為微納衛星專用小型運載火箭，600km的太陽同步軌道（SSO）運載能力為75kg。

推進系統

“氣球星”火箭一子級采用6臺推力15kN的液氧甲烷發動機，二子級采用6臺推力2kN的液氧甲烷發動機，三子級發動機和二子級相同，但是僅有1臺。和一般串聯構型的火箭不同，“氣球星”火箭在20～25km高空發射時，3個子級的全部13臺發動機同時點火工作，提供104kN的推力。發動機的設計以簡單可靠為原則。上述兩種發動機都有很高的結構裕量，并采用了冗余點火系統。由于“氣球星”火箭是在高空低壓以及真空環境中工作的，所以發動機噴管能夠對單一環境（即真空）實現性能的最大程度優化。而且發動機的尺寸規模非常小，因此可以利用3D打印技術快速實現“樣機-試驗-改進”的優化循環。

“氣球星”火箭一、二子級的貯箱采用碳纖維復合材料纏繞而成，并設有內襯，防止復合材料出現微小裂紋。貯箱內部設有防晃板，防止推進劑的低頻晃動。零至無窮公司為了提高“氣球星”火箭的運載能力，對三子級的貯箱進一步優化，采用了多層彈性貯箱，NASA和零至無窮公司都對這種技術進行過飛行試驗。所有貯箱都采用氦氣增壓，以保持整個火箭的結構強度。此外，所有貯箱都覆有多層隔熱材料，以控制推進劑的蒸發損耗。根據零至無窮公司的估算，在火箭隨氣球上升的2h中，液氧的蒸發損耗大約為15kg，液態甲烷的損耗大約為5kg。

“氣球星”各子級發動機的特征

“氣球星”的推進系統采用了推進劑交叉輸送技術，在前一個子級分離時可保持下一子級貯箱中的推進劑是滿的。

制導控制

“氣球星”的制導、導航和控制系統（GNC）采用一組冗余傳感器（3軸陀螺、加速度計、氣壓計、GPS以及太陽敏感器等）和冗余飛行計算機。控制方式則采用推力矢量控制以及發動機推力調節。每臺發動機裝有一組“推力矢量控制”（TVC）系統的作動器。由于一、二子級采用多臺發動機，“推力矢量控制”系統在結構質量中所占的比重非常大。為了降低比重，“氣球星”采用了質量比較小的電磁作動器。因為一、二子級采用多臺發動機，所以能夠利用“推力矢量控制”系統形成滾轉力矩。但是三子級只有1臺發動機，為了控制滾轉，采用了一套簡單的氦氣反作用控制系統。

零至無窮公司計劃未來利用多臺發動機的“差分推力調節”替代推力矢量控制，充分發揮“氣球星”環形結構的優勢。由于“氣球星”采用擠壓式的推進劑供應系統，因此可以很容易利用調節閥對推進劑流量進行調節和控制，從而實現對推力的調節。再加上一、二子級的發動機在環形結構對稱分布，就可以通過“差分推力調節”（不同位置的發動機之間的推力差異）產生控制力矩。采用這種控制方式既可以降低“氣球星”的結構質量，又能降低結構的復雜度，能夠大幅降低成本。

氣球

“氣球星”火箭需要利用氣球到達20～25km的高度。這一過程需要考慮如何隔離氣球旋轉對于火箭的影響。此外，還要利用氣球作為火箭發射過程中的遙測、遙控中繼，以便擴展地面和太空通信連接的范圍，避免在火箭飛行軌跡下設置更多的地面遙測站點，從而達到降低發射成本的目的。總體而言，氣球部分包括3個主要部件：高空氣球、飛行牽引框架和吊艙。

零至無窮公司使用的高空氣球是一個容積90000m3的氦氣球，用來將火箭、吊艙以及其他設備運送至同溫層的高度。上述容積在商用氣球領域內非常普遍，很容易獲取。

飛行牽引框架位于氣球和吊艙中間，容納了氣球操作的所有必要設備，包括：用于回收的全球定位信標、2個C波段的發射應答機（用于氣球操作，滿足空中交通管制要求）、2個雷達反射器、飛行終止系統、遙測系統和壓載系統。

吊艙能夠使“氣球星”指向期望的發射方位角，為火箭點火前做好準備。同時吊艙還裝載了所有用于火箭遙測/遙控的中繼設備。

海上發射

零至無窮公司計劃從位于國際海域內船只上進行火箭的發射活動，這樣能夠規避一定的政策限制，同時還可以通過船只運動補償風速，從而降低受天氣影響導致發射推遲的風險。最后，海上發射可以增加任務靈活性，降低靶場安全要求。

發射船本身只是用于釋放攜帶所有裝備的氣球，火箭不會在船只上點火，所以發射船不需要進行大幅適應性改進。只要船體足夠寬，就可以租來用于發射。零至無窮公司稱發射船可用于發射的面積大約為50m×17m左右。

零至無窮公司認為目前最理想的發射地點是西班牙加那利群島的西南海域。由于地理特征，這里的風速幾乎為零。

飛行方案

“氣球星”飛行的第一階段是利用氣球將其送至20～25km的高空，用時大約1.5～2h。“氣球星”從氣球上釋放后，開始第二階段。釋放后不久，所有的13臺發動機點火，一子級大約工作110s后分離。一子級分離時，“氣球星”達到80km的高度，速度達到2.3km/s。之后，再經過230s后二子級分離，此時高度約為400km，速度為4.4km/s。之后，三子級再繼續工作340s，達到600km的高度后關機滑行，不過此時還未達到最終的入軌速度。滑行一段時間后，三子級進行第一次重啟完成最后的入軌機動，將有效載荷送入預定軌道并分離。最后，三子級進行第二次重啟進行離軌操作。

2 發展路線圖

“氣球星”的研制基于“設計-研制-試驗”的方法。研制計劃中，Z2I采用3D打印等新技術保證快速迭代和改進循環。所有的新系統和部件都會經過嚴格的試驗，根據實際情況逐步提高性能。具體而言，零至無窮公司將“氣球星”研制計劃分為3個階段：

第一階段：子系統試驗。這一段包括關鍵子系統的試驗以及操作流程的驗證，同時還要對設計方案進行最終定型。

第二階段：小型“氣球星”（Nanobloostar）。按照零至無窮公司的計劃，在小型“氣球星”階段，要利用單級的亞軌道小型火箭攜帶75kg的載荷達到180km高度（不入軌，亞軌道飛行）。該亞軌道小型火箭就是“氣球星”的三子級。

第三階段：“氣球星”。實現將75kg載荷送入600km的SSO軌道的目標。

此前，零至無窮公司已經掌握了高空氣球技術，完成了三子級多層彈性貯箱飛行試驗，開展了發動機地面點火試驗。此次飛行試驗中，氣球將“氣球星”原型機體送入25km的高空，火箭原型機與火箭分離后，中心的1臺發動機成功點火，驗證了遙測、點火以及火箭穩定控制等，并成功利用降落傘回收了火箭原型。此次試驗的原型機采用7臺發動機（可能是“氣球星”的二、三子級的組合體），只有中心的1臺發動機點火工作。零至無窮公司后續計劃將在地面和高度20～100km的空間執行一系列試驗。

零至無窮公司最終計劃在2019年進行“氣球星”火箭的首次商業發射任務。

3 方案優勢分析

雖然利用高空氣球發射火箭不能增加火箭的初速度，但是在高空發射火箭還是為整個發射系統帶來了多項優勢。

首先，在空氣稀薄甚至沒有大氣環境的高空發射火箭，和地面發射相比，最大的優勢是可以降低入軌所需的速度增量。零至無窮公司利用歐洲航天局（ESA）的軟件工具（ASTOS）估算出，“氣球星”火箭相比地面發射的火箭可以將入軌所需的速度增量降低8%。雖然這一降幅不大，但是考慮到有效載荷和火箭起飛質量之間的指數關系，速度增量上的一點變化就會對運載能力產生極大的影響。而之所以高空發射能夠降低速度增量，主要是由于空氣阻力和重力損失降低，以及發動機噴管能夠在最優條件下工作。不同高度發射時的阻力對比如上面左圖所示，其中，藍色線條表示從20km高空發射時的阻力曲線，紅色曲線表示從地面發射火箭時的阻力曲線。

此外，高空發射時火箭的熱環境也會大幅改善，降低了防熱要求，從而能夠簡化防熱系統，實現火箭結構質量的優化。從不同高度發射時火箭的熱通量情況可以看出，高空發射能夠將熱通量降低10倍。

此外，在完成火箭發射之后，高空氣球還可以充當通信中繼點，從而降低了對地面遙測通信站的依賴，可以降低發射服務中的地面操作成本。

4 小結

目前，零至無窮公司還沒有公布“氣球星”的發射價格，不過由于其結構較為簡單，在發射操作方面也有很強的靈活性，因此有可能大幅降低發射成本。根據零至無窮公司官方的說法，在世界范圍內已經有很多小衛星公司有意向使用其火箭進行發射任務，并稱這些發射服務意向的估值達到2.5億歐元。

零至無窮公司的方案之所以得到認可，一方面是由于其大膽創新的設計方案，讓客戶看到了低成本、低風險和高靈活性的發射機會。另一方面還是因為該公司的研制計劃在不斷取得進展，保持著未來繼續發展的可能性。雖然零至無窮公司目前發展還比較順利，但是能否在微小衛星的發射市場中分得一杯羹，還要看是否能依靠其技術優勢立足。首先，成熟、可靠的傳統中小型運載火箭的多星發射和搭載發射依然壟斷著當前的微小衛星發射，各類新研制的小型運載火箭在進入這個市場的時候本身就面臨著比較強大的競爭對手。其次，火箭實驗室的“電子”（Electron）火箭、維珍銀河公司（Virgin Galactic）的運載器－1（LauncherOne）小型空射火箭和向量空間系統公司（Vector Space Systems）的“向量”（Vector）小型火箭在1～2年之內就會投入使用，零至無窮公司相比這些新興商業發射服務公司可能已經有些落后。