“新格倫”火箭簡析及其與“獵鷹重型”火箭的對(duì)比

胡冬生 鄭杰 吳勝寶 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

“新格倫”火箭簡析及其與“獵鷹重型”火箭的對(duì)比

胡冬生 鄭杰 吳勝寶 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展中心）

Analysis of New Glenn Launch Vehicle and its Comparison with Falcon Heavy

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，全球發(fā)射市場(chǎng)對(duì)低成本商業(yè)運(yùn)載工具的需求越來越迫切。在21世紀(jì)商業(yè)航天迅猛發(fā)展的背景下，美國涌現(xiàn)出了多家私營航天企業(yè)，其中的佼佼者除了伊隆·馬斯克的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）之外，要屬由亞馬遜公司CEO杰夫·貝索斯于2000年9月投資創(chuàng)立的藍(lán)源公司（Blue Origin）了。該公司在2015年11月到2016年10月之間用同一枚“新謝潑德”（New Shepard）運(yùn)載器成功實(shí)施了5次飛行和回收試驗(yàn)，并計(jì)劃在2020年前發(fā)射“新謝潑德”亞軌道載人飛船。同時(shí)，藍(lán)源公司也在研制可重復(fù)使用軌道火箭，承擔(dān)軌道旅游以及商業(yè)、政府載荷的發(fā)射業(yè)務(wù)。2016年9月，藍(lán)源公司正式公布了其正在研制的“新格倫”（New Glenn）運(yùn)載火箭系列，以美國第一個(gè)進(jìn)入地球軌道的航天員約翰·格倫命名；2017年3月，藍(lán)源公司又公布了“新格倫”火箭的更多細(xì)節(jié)，包括運(yùn)載能力和火箭重復(fù)使用次數(shù)等，并透露已經(jīng)與歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）簽署了一份2021年的衛(wèi)星發(fā)射合同。

1 “新格倫”火箭方案

總體方案概述

“新格倫”火箭包括兩級(jí)與三級(jí)構(gòu)型，高度分別為82.3m和95.4m，箭體直徑7m，可用于執(zhí)行近地軌道或更遠(yuǎn)軌道的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射和載人飛行任務(wù)。兩型火箭的一子級(jí)均采用7臺(tái)BE－4液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，地面總推力為1743t；二子級(jí)采用1臺(tái)真空型BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)，噴管更長；三級(jí)構(gòu)型火箭的三子級(jí)采用一臺(tái)真空型BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)，推力為68t。該火箭兩級(jí)構(gòu)型可將45t載荷送入近地軌道，三級(jí)構(gòu)型可將13t載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

火箭一子級(jí)在發(fā)射分離后可垂直返回至海上駁船并回收使用，設(shè)計(jì)重復(fù)使用次數(shù)可達(dá)100次，二子級(jí)和三子級(jí)均為一次性使用。該火箭于2012年開始設(shè)計(jì)工作，2016年9月完成縮比模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，預(yù)計(jì)2020年左右開展飛行試驗(yàn)。

“新格倫”火箭研制完成后，將從位于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地的36號(hào)發(fā)射臺(tái)發(fā)射，該發(fā)射臺(tái)1962－2005年主要用于“宇宙神”（Atlas）運(yùn)載火箭發(fā)射。“新格倫”火箭制造基地已開始動(dòng)工，占地7×104m2。

發(fā)動(dòng)機(jī)方案

藍(lán)源公司的發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品系列主要有BE－1～4，分別配套于自主研制的戈達(dá)德（Goddard）縮比驗(yàn)證機(jī)、“新謝潑德”運(yùn)載器和美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的“火神”（Vulcan）火箭等。應(yīng)用于“新格倫”火箭的是BE－3、4發(fā)動(dòng)機(jī)。

“新格倫”火箭的主發(fā)動(dòng)機(jī)BE－4于2011年開始研發(fā)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)是采用液態(tài)甲烷作為燃料，循環(huán)方式為富氧分級(jí)燃燒，燃燒室壓力13.4MPa。液態(tài)甲烷價(jià)格實(shí)惠，與煤油等其他火箭燃料不同，其可對(duì)火箭的推進(jìn)劑貯箱進(jìn)行自生增壓，而無需使用昂貴且復(fù)雜的增壓系統(tǒng)，如氦氣增壓系統(tǒng)，并且也不會(huì)產(chǎn)生煤油燃燒后的副產(chǎn)物，可簡化發(fā)動(dòng)機(jī)重復(fù)使用時(shí)的處理程序。BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)同時(shí)也是美國“火神”火箭一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的首選方案，將替代目前宇宙神－5火箭使用的俄制RD－180發(fā)動(dòng)機(jī)，預(yù)計(jì)2017年具備飛行試驗(yàn)條件，可滿足“火神”火箭2019年首飛的要求，“新格倫”火箭二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是其真空狀態(tài)。BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)研制成功后，將成為世界上第一款投入工程應(yīng)用的采用液氧/甲烷推進(jìn)劑的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

“新格倫”火箭主要參數(shù)

三級(jí)BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑為液氫和液氧，發(fā)動(dòng)機(jī)地面推力50t，可多次點(diǎn)火及重復(fù)使用，具備18%～100%的節(jié)流能力，相關(guān)技術(shù)已在“新謝潑德”運(yùn)載器上得到了成功驗(yàn)證。用在“新格倫”火箭三子級(jí)上的是其真空狀態(tài)，需針對(duì)真空飛行及一次性使用的需求進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)。2016年1月，美國空軍向軌道-ATK公司撥付資金，用于為BE－3真空狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)研制可延伸噴管，從而增強(qiáng)其在真空的工作性能。

2 “新格倫”火箭方案特點(diǎn)

繼承已有研制經(jīng)驗(yàn)以加快研制進(jìn)度

藍(lán)源公司自成立以來，先后研制了數(shù)款發(fā)動(dòng)機(jī)和亞軌道運(yùn)載器，并進(jìn)行了多次飛行試驗(yàn)，尤其是“新謝潑德”運(yùn)載器的5次成功飛行和回收，為“新格倫”火箭的方案設(shè)計(jì)及研制提供了重要參考。在“新格倫”火箭的各系統(tǒng)中，BE－4作為美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司“火神”火箭的首選發(fā)動(dòng)機(jī)，正在進(jìn)行各類測(cè)試試驗(yàn)；BE－3發(fā)動(dòng)機(jī)已成功應(yīng)用于“新謝潑德”運(yùn)載器；一子級(jí)所采用的子級(jí)回收及重復(fù)使用技術(shù)與“新謝潑德”運(yùn)載器類似，已經(jīng)得到了數(shù)次飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證。所有這些研制經(jīng)驗(yàn)，都將有助于推進(jìn)“新格倫”火箭的研制進(jìn)度。

一子級(jí)重復(fù)使用以降低成本

為了有效降低火箭成本，“新格倫”火箭一子級(jí)BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)采用了液態(tài)甲烷燃料，并對(duì)一子級(jí)進(jìn)行回收重復(fù)利用的方案設(shè)計(jì)。甲烷推進(jìn)劑獲取方便，價(jià)格低廉，同時(shí)燃燒較少結(jié)焦，易于維護(hù)和再次使用。此外，火箭一子級(jí)多達(dá)100次的重復(fù)使用次數(shù)，可有效均攤火箭的研制費(fèi)用，降低發(fā)射成本。

簡化動(dòng)力方案以降低研制難度

“新格倫”火箭主要采用BE－3、4兩型發(fā)動(dòng)機(jī)。其中BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)用于一子級(jí)和二子級(jí)，分別采用地面狀態(tài)7臺(tái)并聯(lián)和真空狀態(tài)單臺(tái)工作，從而以一種發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)火箭構(gòu)型，這與太空探索技術(shù)公司獵鷹－9（Falcon－9）火箭的設(shè)計(jì)理念是相同的。該方案一方面有利于降低大推力發(fā)動(dòng)機(jī)的研制難度，另一方面在一子級(jí)垂直返回過程中更容易實(shí)現(xiàn)較小的推力，以精確控制落點(diǎn)位置。同時(shí)，一、二子級(jí)使用基本相同的動(dòng)力系統(tǒng)有利于實(shí)現(xiàn)火箭制造、測(cè)試及發(fā)射工作的產(chǎn)品化和標(biāo)準(zhǔn)化，可降低火箭成本。根據(jù)具體任務(wù)需求，BE－3可選配作為末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，有助于提高火箭的任務(wù)適應(yīng)能力。

3 “新格倫”火箭與“獵鷹重型”火箭對(duì)比分析

從火箭運(yùn)載能力及子級(jí)重復(fù)使用方式等方面來看，在世界各國現(xiàn)役及在研的運(yùn)載火箭型譜中，與藍(lán)源公司“新格倫”火箭最具有可比性的是太空探索技術(shù)公司的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭。整體上來看，兩種火箭方案各有優(yōu)劣，但均是基于各自公司的研制基礎(chǔ)和發(fā)展理念。正是由于多種方案的并行研發(fā)和相互競(jìng)爭，世界航天技術(shù)才能得到不斷創(chuàng)新和發(fā)展。

火箭總體方案對(duì)比

“獵鷹重型”火箭是太空探索技術(shù)公司基于獵鷹－9火箭技術(shù)研制的超大型運(yùn)載火箭，采用了3個(gè)通用芯級(jí)并聯(lián)加二子級(jí)的構(gòu)型，通用芯級(jí)直徑為3.66m，采用液氧/煤油推進(jìn)劑，起飛時(shí)共有27臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。而“新格倫”火箭采用兩級(jí)或三級(jí)構(gòu)型，一子級(jí)直徑為7m，采用液氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，起飛時(shí)共有7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火。

就構(gòu)型而言，“新格倫”火箭的方案更為簡化，一子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)BE－4的推力是灰背隼－1D的2.9倍，因而起飛時(shí)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)遠(yuǎn)少于“獵鷹重型”火箭，且不需要通過芯級(jí)并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)大推力。這樣有助于降低火箭動(dòng)力系統(tǒng)的復(fù)雜程度，提高全箭的可靠性，但需要研制大推力發(fā)動(dòng)機(jī)。

“新格倫”火箭采用液氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，可實(shí)現(xiàn)自生增壓，不必另外配置一套昂貴且復(fù)雜的增壓系統(tǒng)，從而降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度。但液態(tài)甲烷的密度遠(yuǎn)小于煤油，造成“新格倫”火箭燃料箱的尺寸較大，直徑是“獵鷹重型”火箭芯級(jí)的2倍多，一子級(jí)的長度也更大，其全箭長度甚至接近美國阿波羅登月所使用的土星－5（Saturn－5）火箭，直徑也更接近于美國新一代重型火箭“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）。由此帶來的弊端是生產(chǎn)、工藝、運(yùn)輸?shù)确矫娴碾y題，而目前“新謝潑德”的箭體直徑不超過4m，因此藍(lán)源公司還需要跨越較大的技術(shù)門檻。

“新格倫”火箭與“獵鷹重型”火箭總體方案對(duì)比

從起飛推重比來看，“獵鷹重型”火箭的起飛推重比高達(dá)1.638，遠(yuǎn)大于一般液體火箭的推重比，其性能還有進(jìn)一步挖掘的空間。但由于“獵鷹”火箭的箭體直徑僅為3.66m，加大火箭推進(jìn)劑質(zhì)量將引起火箭長細(xì)比變大，動(dòng)力學(xué)耦合嚴(yán)重，帶來控制方面的難題，這也是小直徑箭體的一個(gè)天然劣勢(shì)。

子級(jí)重復(fù)使用技術(shù)對(duì)比

為了實(shí)現(xiàn)子級(jí)重復(fù)使用，“新格倫”火箭與“獵鷹重型”火箭均采用一子級(jí)垂直返回的回收方式，甚至都可在位于大西洋的駁船上進(jìn)行垂直回收。藍(lán)源公司從最初的“戈達(dá)德”（Goddard）縮比樣機(jī)，到實(shí)現(xiàn)“新謝潑德”運(yùn)載器的連續(xù)5次試驗(yàn)成功，太空探索技術(shù)公司則先后依托于“蚱蜢”（Grasshopper）驗(yàn)證機(jī)、獵鷹－9重復(fù)使用驗(yàn)證飛行器（F9R-Dev）驗(yàn)證機(jī)和獵鷹－9火箭開展了數(shù)十次演示驗(yàn)證試驗(yàn)，兩家公司最終對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)深度節(jié)流及多次點(diǎn)火、子級(jí)高精度返回控制、著陸支架等子級(jí)垂直返回涉及到的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了箭體安全垂直回收乃至重復(fù)使用的工程可行性，為“新格倫”火箭和“獵鷹重型”火箭的子級(jí)重復(fù)使用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

此外，“新格倫”火箭采用液氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，造成一子級(jí)尺寸較大，結(jié)構(gòu)偏重，給箭體返回及回收帶來了不小的困難。而“獵鷹重型”火箭通過3個(gè)芯級(jí)并聯(lián)，每個(gè)芯級(jí)分離后單獨(dú)返回著陸場(chǎng)，這樣回收的箭體要遠(yuǎn)小于“新格倫”火箭，技術(shù)成熟度更高，且相同的技術(shù)已在獵鷹－9火箭上得到了數(shù)次飛行試驗(yàn)驗(yàn)證。因此，“新格倫”火箭若要實(shí)現(xiàn)一子級(jí)的垂直返回乃至重復(fù)使用還有相當(dāng)長的路要走。

動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比

藍(lán)源公司自成立以來先后研制了過氧化氫/煤油、液氧/液氫、液氧/液態(tài)甲烷等發(fā)動(dòng)機(jī)，在“新格倫”火箭上選擇液氧/液態(tài)甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅因?yàn)榧淄閬碓簇S富、價(jià)格便宜，而且燃燒無結(jié)焦，發(fā)動(dòng)機(jī)回收后維護(hù)使用簡單，對(duì)于重復(fù)使用運(yùn)載器來說無疑是一種優(yōu)良的動(dòng)力系統(tǒng)。太空探索技術(shù)公司在未來的載人火星探索規(guī)劃中也使用了液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，并已成功進(jìn)行了原理樣機(jī)的試車，美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的“火神”火箭結(jié)合BE－4發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)了傘降減速然后空中回收發(fā)動(dòng)機(jī)艙段的方案，而歐洲航天局（ESA）也已于2016年12月確定資助法國的“普羅米修斯”液氧/甲烷可重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)項(xiàng)目，用以支撐空客集團(tuán)（Airbus Group）的“艾德琳”（Adeline）發(fā)動(dòng)機(jī)部段帶翼飛回重復(fù)使用方案，充分說明了該種動(dòng)力在重復(fù)使用方面具有強(qiáng)大的生命力。

通過研制獵鷹－1、9火箭，太空探索技術(shù)公司在液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)上積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，在不斷的技術(shù)改進(jìn)和完善中，實(shí)現(xiàn)了子級(jí)的安全回收和液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)回收后的再次試車，并在2017年3月30日成功實(shí)施了一枚“二手火箭”的再次發(fā)射，這表明太空探索技術(shù)公司已經(jīng)逐步掌握了液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)回收后的檢測(cè)、維護(hù)等技術(shù)，開拓了液氧/煤油動(dòng)力系統(tǒng)重復(fù)使用的方向。因此，在重復(fù)使用方面，液氧/甲烷動(dòng)力及液氧/煤油動(dòng)力很可能將并行發(fā)展，主要取決于各公司的研制基礎(chǔ)及發(fā)展規(guī)劃。

運(yùn)載效率對(duì)比

在運(yùn)載能力方面，液氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑組合的比沖要略高于液氧/煤油（約大12s），但并不意味著“新格倫”火箭的運(yùn)載效率會(huì)高于“獵鷹重型”火箭。最關(guān)鍵因素在于，“獵鷹重型”火箭的通用芯級(jí)并聯(lián)構(gòu)型在采取推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)后將有效提升運(yùn)載能力，而“新格倫”火箭在該方面不具有優(yōu)勢(shì)。

“獵鷹重型”火箭的助推器與芯級(jí)采用相同模塊，助推器和芯級(jí)擁有獨(dú)立的貯箱和發(fā)動(dòng)機(jī)。在飛行初始階段，助推器貯箱可以為芯級(jí)貯箱提供推進(jìn)劑，助推器和芯級(jí)分離后，火箭大幅減少了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，同時(shí)芯級(jí)擁有較多的推進(jìn)劑，從而極大提高了運(yùn)載能力。在不使用推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的情況下，“獵鷹重型”火箭近地軌道運(yùn)載能力約為45t，與“新格倫”火箭相同。而太空探索技術(shù)公司目前公布的運(yùn)載能力為54.4t，推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)的應(yīng)用使得運(yùn)載能力提升幅度可達(dá)20%左右，運(yùn)載效率達(dá)到了3.8%。正是由于具備了較大的運(yùn)載能力，“獵鷹重型”火箭才能在通過一級(jí)回收和重復(fù)使用來降低成本的情況下，仍然能夠執(zhí)行重型載荷的發(fā)射任務(wù)。但另一方面，推進(jìn)劑交叉輸送技術(shù)也將帶來一些弊端，提高了動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和發(fā)生故障的概率，其可靠性還有待進(jìn)一步提升。

4 思考與建議

美國藍(lán)源公司與太空探索技術(shù)公司結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，開展了“新格倫”火箭和“獵鷹重型”火箭的研制，并進(jìn)行了多項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新，對(duì)世界運(yùn)載火箭技術(shù)的進(jìn)步具有一定的推動(dòng)作用。結(jié)合我國運(yùn)載火箭發(fā)展情況，提出以下幾點(diǎn)思考：

1）火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)載器研制中占據(jù)重要位置，發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的積累對(duì)航天運(yùn)輸領(lǐng)域的裝備及技術(shù)發(fā)展具有重要的支撐作用；同時(shí)，運(yùn)載器總體的規(guī)劃和方案論證也可為發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展注入強(qiáng)勁“動(dòng)力”，推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和應(yīng)用。因此，應(yīng)加強(qiáng)謀劃布局我國的航天運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略，做好運(yùn)載火箭型譜完善及重復(fù)使用運(yùn)載器的規(guī)劃和方案論證，加大火箭總體對(duì)動(dòng)力技術(shù)的牽引力度，加快研發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，不斷提升進(jìn)入空間、開發(fā)空間的能力。

2）重復(fù)使用是降低火箭發(fā)射成本的有效途徑之一。在一次性運(yùn)載火箭基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用，有不同的技術(shù)路線，包括傘降回收、垂直返回等。為此，應(yīng)密切關(guān)注國外可重復(fù)使用技術(shù)的進(jìn)展，充分結(jié)合我國實(shí)際，在多方案對(duì)比、多種途徑探索的基礎(chǔ)上，確定重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展路線，加大重復(fù)使用技術(shù)的研究力度。

3）運(yùn)載火箭重復(fù)使用是航天技術(shù)的重要發(fā)展方向，但其技術(shù)超前、難度大，藍(lán)源公司、太空探索技術(shù)公司等均采取了分步驗(yàn)證、穩(wěn)扎穩(wěn)打的發(fā)展策略。在重復(fù)使用技術(shù)等重大領(lǐng)域方向的推進(jìn)過程中，應(yīng)重視樣機(jī)驗(yàn)證及演示試驗(yàn)驗(yàn)證，采取分步實(shí)施的策略，注重關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和積累，不斷取得技術(shù)的新發(fā)展和新突破，為重復(fù)使用技術(shù)未來發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在當(dāng)前的世界商業(yè)航天發(fā)展大潮中，美國私營航天公司依托于政府的政策和技術(shù)支持以及自身靈活的管理和創(chuàng)新體制，設(shè)計(jì)開發(fā)了性能優(yōu)異、成本低廉的航天運(yùn)載火箭，用于支撐公司的業(yè)務(wù)開拓和遠(yuǎn)期發(fā)展。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)從頂層規(guī)劃我國的航天運(yùn)輸發(fā)展戰(zhàn)略，加強(qiáng)技術(shù)儲(chǔ)備，加大火箭總體對(duì)動(dòng)力技術(shù)的牽引力度，同時(shí)制定重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展路線并分步實(shí)施，為我國航天強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施奠定強(qiáng)有力的基礎(chǔ)。