“新格倫”火箭簡析及其與“獵鷹重型”火箭的對比

胡冬生 鄭杰 吳勝寶 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

“新格倫”火箭簡析及其與“獵鷹重型”火箭的對比

胡冬生 鄭杰 吳勝寶 （中國運載火箭技術研究院研究發展中心）

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

隨著航天技術的不斷發展和成熟，全球發射市場對低成本商業運載工具的需求越來越迫切。在21世紀商業航天迅猛發展的背景下，美國涌現出了多家私營航天企業，其中的佼佼者除了伊隆·馬斯克的太空探索技術公司（SpaceX）之外，要屬由亞馬遜公司CEO杰夫·貝索斯于2000年9月投資創立的藍源公司（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）運載器成功實施了5次飛行和回收試驗，并計劃在2020年前發射“新謝潑德”亞軌道載人飛船。同時，藍源公司也在研制可重復使用軌道火箭，承擔軌道旅游以及商業、政府載荷的發射業務。2016年9月，藍源公司正式公布了其正在研制的“新格倫”（New Glenn）運載火箭系列，以美國第一個進入地球軌道的航天員約翰·格倫命名；2017年3月，藍源公司又公布了“新格倫”火箭的更多細節，包括運載能力和火箭重復使用次數等，并透露已經與歐洲通信衛星公司（EUTELSAT）簽署了一份2021年的衛星發射合同。

1 “新格倫”火箭方案

總體方案概述

“新格倫”火箭包括兩級與三級構型，高度分別為82.3m和95.4m，箭體直徑7m，可用于執行近地軌道或更遠軌道的商業衛星發射和載人飛行任務。兩型火箭的一子級均采用7臺BE－4液氧/甲烷發動機，地面總推力為1743t；二子級采用1臺真空型BE－4發動機，噴管更長；三級構型火箭的三子級采用一臺真空型BE－3發動機，推力為68t。該火箭兩級構型可將45t載荷送入近地軌道，三級構型可將13t載荷送入地球同步轉移軌道。

火箭一子級在發射分離后可垂直返回至海上駁船并回收使用，設計重復使用次數可達100次，二子級和三子級均為一次性使用。該火箭于2012年開始設計工作，2016年9月完成縮比模型的風洞試驗，預計2020年左右開展飛行試驗。

“新格倫”火箭研制完成后，將從位于佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地的36號發射臺發射，該發射臺1962－2005年主要用于“宇宙神”（Atlas）運載火箭發射。“新格倫”火箭制造基地已開始動工，占地7×104m2。

發動機方案

藍源公司的發動機產品系列主要有BE－1～4，分別配套于自主研制的戈達德（Goddard）縮比驗證機、“新謝潑德”運載器和美國聯合發射聯盟公司（ULA）的“火神”（Vulcan）火箭等。應用于“新格倫”火箭的是BE－3、4發動機。

“新格倫”火箭的主發動機BE－4于2011年開始研發。該發動機的最大特點是采用液態甲烷作為燃料，循環方式為富氧分級燃燒，燃燒室壓力13.4MPa。液態甲烷價格實惠，與煤油等其他火箭燃料不同，其可對火箭的推進劑貯箱進行自生增壓，而無需使用昂貴且復雜的增壓系統，如氦氣增壓系統，并且也不會產生煤油燃燒后的副產物，可簡化發動機重復使用時的處理程序。BE－4發動機同時也是美國“火神”火箭一級發動機的首選方案，將替代目前宇宙神－5火箭使用的俄制RD－180發動機，預計2017年具備飛行試驗條件，可滿足“火神”火箭2019年首飛的要求，“新格倫”火箭二子級發動機是其真空狀態。BE－4發動機研制成功后，將成為世界上第一款投入工程應用的采用液氧/甲烷推進劑的火箭發動機。

“新格倫”火箭主要參數

三級BE－3發動機推進劑為液氫和液氧，發動機地面推力50t，可多次點火及重復使用，具備18%～100%的節流能力，相關技術已在“新謝潑德”運載器上得到了成功驗證。用在“新格倫”火箭三子級上的是其真空狀態，需針對真空飛行及一次性使用的需求進行適應性改進。2016年1月，美國空軍向軌道-ATK公司撥付資金，用于為BE－3真空狀態發動機研制可延伸噴管，從而增強其在真空的工作性能。

2 “新格倫”火箭方案特點

繼承已有研制經驗以加快研制進度

藍源公司自成立以來，先后研制了數款發動機和亞軌道運載器，并進行了多次飛行試驗，尤其是“新謝潑德”運載器的5次成功飛行和回收，為“新格倫”火箭的方案設計及研制提供了重要參考。在“新格倫”火箭的各系統中，BE－4作為美國聯合發射聯盟公司“火神”火箭的首選發動機，正在進行各類測試試驗；BE－3發動機已成功應用于“新謝潑德”運載器；一子級所采用的子級回收及重復使用技術與“新謝潑德”運載器類似，已經得到了數次飛行試驗的驗證。所有這些研制經驗，都將有助于推進“新格倫”火箭的研制進度。

一子級重復使用以降低成本

為了有效降低火箭成本，“新格倫”火箭一子級BE－4發動機采用了液態甲烷燃料，并對一子級進行回收重復利用的方案設計。甲烷推進劑獲取方便，價格低廉，同時燃燒較少結焦，易于維護和再次使用。此外，火箭一子級多達100次的重復使用次數，可有效均攤火箭的研制費用，降低發射成本。

簡化動力方案以降低研制難度

“新格倫”火箭主要采用BE－3、4兩型發動機。其中BE－4發動機用于一子級和二子級，分別采用地面狀態7臺并聯和真空狀態單臺工作，從而以一種發動機型號實現了兩級火箭構型，這與太空探索技術公司獵鷹－9（Falcon－9）火箭的設計理念是相同的。該方案一方面有利于降低大推力發動機的研制難度，另一方面在一子級垂直返回過程中更容易實現較小的推力，以精確控制落點位置。同時，一、二子級使用基本相同的動力系統有利于實現火箭制造、測試及發射工作的產品化和標準化，可降低火箭成本。根據具體任務需求，BE－3可選配作為末級發動機，有助于提高火箭的任務適應能力。

3 “新格倫”火箭與“獵鷹重型”火箭對比分析

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

火箭總體方案對比

“獵鷹重型”火箭是太空探索技術公司基于獵鷹－9火箭技術研制的超大型運載火箭，采用了3個通用芯級并聯加二子級的構型，通用芯級直徑為3.66m，采用液氧/煤油推進劑，起飛時共有27臺發動機點火。而“新格倫”火箭采用兩級或三級構型，一子級直徑為7m，采用液氧/液態甲烷推進劑，起飛時共有7臺發動機點火。

就構型而言，“新格倫”火箭的方案更為簡化，一子級發動機BE－4的推力是灰背隼－1D的2.9倍，因而起飛時所用的發動機臺數遠少于“獵鷹重型”火箭，且不需要通過芯級并聯來實現大推力。這樣有助于降低火箭動力系統的復雜程度，提高全箭的可靠性，但需要研制大推力發動機。

“新格倫”火箭采用液氧/液態甲烷推進劑，可實現自生增壓，不必另外配置一套昂貴且復雜的增壓系統，從而降低了系統的復雜度。但液態甲烷的密度遠小于煤油，造成“新格倫”火箭燃料箱的尺寸較大，直徑是“獵鷹重型”火箭芯級的2倍多，一子級的長度也更大，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“航天發射系統”（SLS）。由此帶來的弊端是生產、工藝、運輸等方面的難題，而目前“新謝潑德”的箭體直徑不超過4m，因此藍源公司還需要跨越較大的技術門檻。

“新格倫”火箭與“獵鷹重型”火箭總體方案對比

從起飛推重比來看，“獵鷹重型”火箭的起飛推重比高達1.638，遠大于一般液體火箭的推重比，其性能還有進一步挖掘的空間。但由于“獵鷹”火箭的箭體直徑僅為3.66m，加大火箭推進劑質量將引起火箭長細比變大，動力學耦合嚴重，帶來控制方面的難題，這也是小直徑箭體的一個天然劣勢。

子級重復使用技術對比

為了實現子級重復使用，“新格倫”火箭與“獵鷹重型”火箭均采用一子級垂直返回的回收方式，甚至都可在位于大西洋的駁船上進行垂直回收。藍源公司從最初的“戈達德”（Goddard）縮比樣機，到實現“新謝潑德”運載器的連續5次試驗成功，太空探索技術公司則先后依托于“蚱蜢”（Grasshopper）驗證機、獵鷹－9重復使用驗證飛行器（F9R-Dev）驗證機和獵鷹－9火箭開展了數十次演示驗證試驗，兩家公司最終對發動機深度節流及多次點火、子級高精度返回控制、著陸支架等子級垂直返回涉及到的關鍵技術進行了驗證，證明了箭體安全垂直回收乃至重復使用的工程可行性，為“新格倫”火箭和“獵鷹重型”火箭的子級重復使用奠定了堅實的基礎。

此外，“新格倫”火箭采用液氧/液態甲烷推進劑，造成一子級尺寸較大，結構偏重，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個芯級并聯，每個芯級分離后單獨返回著陸場，這樣回收的箭體要遠小于“新格倫”火箭，技術成熟度更高，且相同的技術已在獵鷹－9火箭上得到了數次飛行試驗驗證。因此，“新格倫”火箭若要實現一子級的垂直返回乃至重復使用還有相當長的路要走。

動力系統對比

藍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/液態甲烷等發動機，在“新格倫”火箭上選擇液氧/液態甲烷發動機，不僅因為甲烷來源豐富、價格便宜，而且燃燒無結焦，發動機回收后維護使用簡單，對于重復使用運載器來說無疑是一種優良的動力系統。太空探索技術公司在未來的載人火星探索規劃中也使用了液氧/甲烷發動機，并已成功進行了原理樣機的試車，美國聯合發射聯盟公司的“火神”火箭結合BE－4發動機設計了傘降減速然后空中回收發動機艙段的方案，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/甲烷可重復使用發動機項目，用以支撐空客集團（Airbus Group）的“艾德琳”（Adeline）發動機部段帶翼飛回重復使用方案，充分說明了該種動力在重復使用方面具有強大的生命力。

通過研制獵鷹－1、9火箭，太空探索技術公司在液氧/煤油發動機上積累了豐富的經驗，在不斷的技術改進和完善中，實現了子級的安全回收和液氧/煤油發動機回收后的再次試車，并在2017年3月30日成功實施了一枚“二手火箭”的再次發射，這表明太空探索技術公司已經逐步掌握了液氧/煤油發動機回收后的檢測、維護等技術，開拓了液氧/煤油動力系統重復使用的方向。因此，在重復使用方面，液氧/甲烷動力及液氧/煤油動力很可能將并行發展，主要取決于各公司的研制基礎及發展規劃。

運載效率對比

在運載能力方面，液氧/液態甲烷推進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”火箭的運載效率會高于“獵鷹重型”火箭。最關鍵因素在于，“獵鷹重型”火箭的通用芯級并聯構型在采取推進劑交叉輸送技術后將有效提升運載能力，而“新格倫”火箭在該方面不具有優勢。

“獵鷹重型”火箭的助推器與芯級采用相同模塊，助推器和芯級擁有獨立的貯箱和發動機。在飛行初始階段，助推器貯箱可以為芯級貯箱提供推進劑，助推器和芯級分離后，火箭大幅減少了結構質量，同時芯級擁有較多的推進劑，從而極大提高了運載能力。在不使用推進劑交叉輸送技術的情況下，“獵鷹重型”火箭近地軌道運載能力約為45t，與“新格倫”火箭相同。而太空探索技術公司目前公布的運載能力為54.4t，推進劑交叉輸送技術的應用使得運載能力提升幅度可達20%左右，運載效率達到了3.8%。正是由于具備了較大的運載能力，“獵鷹重型”火箭才能在通過一級回收和重復使用來降低成本的情況下，仍然能夠執行重型載荷的發射任務。但另一方面，推進劑交叉輸送技術也將帶來一些弊端，提高了動力系統及控制系統的復雜程度和發生故障的概率，其可靠性還有待進一步提升。

4 思考與建議

美國藍源公司與太空探索技術公司結合自身優勢，開展了“新格倫”火箭和“獵鷹重型”火箭的研制，并進行了多項技術創新，對世界運載火箭技術的進步具有一定的推動作用。結合我國運載火箭發展情況，提出以下幾點思考：

1）火箭發動機在運載器研制中占據重要位置，發動機技術的積累對航天運輸領域的裝備及技術發展具有重要的支撐作用；同時，運載器總體的規劃和方案論證也可為發動機技術的發展注入強勁“動力”，推動發動機的研制和應用。因此，應加強謀劃布局我國的航天運輸發展戰略，做好運載火箭型譜完善及重復使用運載器的規劃和方案論證，加大火箭總體對動力技術的牽引力度，加快研發發動機技術，不斷提升進入空間、開發空間的能力。

2）重復使用是降低火箭發射成本的有效途徑之一。在一次性運載火箭基礎上實現可重復使用，有不同的技術路線，包括傘降回收、垂直返回等。為此，應密切關注國外可重復使用技術的進展，充分結合我國實際，在多方案對比、多種途徑探索的基礎上，確定重復使用技術發展路線，加大重復使用技術的研究力度。

3）運載火箭重復使用是航天技術的重要發展方向，但其技術超前、難度大，藍源公司、太空探索技術公司等均采取了分步驗證、穩扎穩打的發展策略。在重復使用技術等重大領域方向的推進過程中，應重視樣機驗證及演示試驗驗證，采取分步實施的策略，注重關鍵技術攻關和積累，不斷取得技術的新發展和新突破，為重復使用技術未來發展奠定堅實基礎。

在當前的世界商業航天發展大潮中，美國私營航天公司依托于政府的政策和技術支持以及自身靈活的管理和創新體制，設計開發了性能優異、成本低廉的航天運載火箭，用于支撐公司的業務開拓和遠期發展。在此基礎上，應從頂層規劃我國的航天運輸發展戰略，加強技術儲備，加大火箭總體對動力技術的牽引力度，同時制定重復使用技術發展路線并分步實施，為我國航天強國戰略的實施奠定強有力的基礎。