“電子”小型火箭首飛未能進入預定軌道

王瑞 張綠云 （北京航天長征科技信息研究所）

“電子”小型火箭首飛未能進入預定軌道

Rocket Lab Reaches Space, but not Orbit, on First Electron Launch

王瑞 張綠云 （北京航天長征科技信息研究所）

2017年5月25日，美國火箭實驗室公司（Rocket Lab）自主研制的“電子”（Electron）專用小衛星運載火箭進行了首次發射試驗，火箭未能進入預定軌道，但本次試飛成功驗證了多項火箭性能指標，標志著該火箭向正式投入商業運營邁出了重要的一步。

1 本次發射情況

在連續3天因惡劣天氣原因而一再推遲后，2017年5月25日，美國火箭實驗室公司自主研制的小型運載火箭——“電子”從位于新西蘭北部的瑪西亞航天發射中心進行了首次試驗飛行。本次試飛的火箭僅攜帶了一個驗證型有效載荷（模擬衛星），并在火箭上面級上安裝了各種儀器設備，以對火箭性能進行評定。首次試飛計劃的太陽同步軌道（SSO）高度為300～500km，傾角為83°。

在首次試飛中，火箭按原計劃完成了一子級點火、級間分離、二子級點火和整流罩分離程序，但未能按計劃實現入軌目標。公司的首席執行官彼得·貝克在公告中表示，雖然火箭未能成功進入預定軌道，但首次試飛就成功進入太空，這無疑是值得驕傲的，為公司快速步入商業運營階段打下了堅實的基礎。在接下來的幾周時間里，公司將對試飛中采集到的2.5萬路數據進行詳細分析，以找出火箭未能到達預定軌道的原因，從而進行火箭的優化改進。

“電子”火箭首次試飛的飛行時序

按照此前公司公布的計劃，“電子”火箭將在2017年底投入商業運營，而在此之前，將進行3次試驗飛行，且試飛難度將會逐次提高，主要是增加火箭飛行高度和有效載荷質量，目的是為了能夠充分衡量火箭的性能。貝克在首次試飛前表示，首次試飛會采取手動和自主飛行中止系統相結合的方式，但未來的試飛很可能只配備自毀設備，以簡化基礎設施要求。

2 “電子”小型運載火箭

“電子”火箭是兩級液體運載火箭，意在為小衛星市場帶來高頻率的專用發射機會，消除目前搭載發射方式所受到的發射時間和發射軌道等種種限制?！半娮印被鸺L17m，直徑1.2m，質量10.5t，單次發射價格為490萬美元。火箭在500km高的SSO軌道運載能力為150kg，而其最大運載能力可達到225kg。

箭體

“電子”火箭的外殼和內部很多結構件大部分是由碳纖維復合材料制造而成，而火箭本身為了減輕質量的需要，沒有專門再另行噴涂白色涂層，因此火箭通體為黑色，并可大幅降低火箭結構質量，從而提升有效載荷運載能力。

動力系統

“電子”火箭的動力系統采用了發動機通用化的設計理念：整枚火箭所采用的10臺液氧/煤油發動機基于相近的設計來制造?；鸺蛔蛹壊捎猛耆嗤?臺“盧瑟?！保≧utherford）液氧/煤油發動機，起飛推力為162kN，峰值推力為192kN，比沖303s?；鸺蛹壊捎?臺真空型“盧瑟?！卑l動機，推力為22kN，其真空比沖為333s。該火箭動力系統的特點是采用全新的電動推進循環發動機（單臺發動機配置2臺電動機，單臺功率為37kW，正常轉速為40000r/min），依靠無刷直流電機和高性能鋰聚合物電池來驅動推進劑泵，這也是該火箭命名為“電子”火箭的原因?！氨R瑟?！卑l動機采用電動泵實現推進劑增壓輸送，省去了大量復雜的推進劑管路與閥門、燃氣發生器等裝置，降低了復雜度，提高了可靠性，降低了制造成本。

此外，“盧瑟福”發動機的主要部件均采用3D打印制造而成。目前，火箭實驗室已經配置了6臺金屬3D打印機，每臺發動機最快可在24h內完成打印，包括再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進劑閥門等，便于發動機低成本、快速和批量制造。

電子系統

火箭上的電子系統采用火箭實驗室公司自行研制的微型航電和箭載計算機系統，采用先進的現場可編程門陣列（FPGA）及實時系統技術，在達到立項的響應速度和高可靠性的同時，使航電系統質量僅為8.6kg。

火箭各級電子系統均采用模塊化硬件結構，只需對其進行編程就可完成不同功能定制，可大幅減少硬件改動，縮減生產制造周期，確?；鸺哳l率、快速發射需求。

整流罩

“電子”火箭的整流罩由2個半片組成，同樣采用碳纖維復合材料制造而成，其總質量只有30kg。

發射場

“電子”火箭一般在一座完全由私人公司建造完成的發射場——瑪西亞航天發射中心發射，該發射中心位于新西蘭北島東海岸，面向太平洋。該發射中心的1號綜合發射設施已獲準可72h發射1次。為避開復雜的有效載荷處理工作，縮短在發射場的發射準備時間，公司擬采用集裝箱化理念，即由用戶把衛星封裝到由該公司提供的有效載荷整流罩內。整流罩裝載衛星后可存放起來，能在即將發射前很容易地裝配到火箭上。

除在新西蘭瑪西亞半島建設發射場外，該公司還打算在美國佛羅里達州卡納維拉爾角和阿拉斯加州科迪亞克島的太平洋航空航天港內建設發射場，而這也是新西蘭瑪西爾半島發射場被編號為1號發射場的原因。

3 火箭實驗室公司的發展歷程

火箭實驗室公司成立于2007年，大多數業務在新西蘭，在美國奧克蘭設有一個設計與工程辦事機構，但總部設在加利福尼亞州亨廷頓比奇，所以“電子”火箭發射任務還需獲得美國聯邦航空管理局（FAA）的發射許可。

該公司以“去除商業航天業的沉重負擔”（即高昂的發射費用）為企業使命，秉承“小型載荷應該有專用的小型火箭，小型火箭具有常規火箭所無法比擬的靈活性”理念，重點圍繞小型火箭開展技術研發工作。該公司于2010年獲得美國“作戰響應空間”（ORS）衛星發射合同，開始研究低成本微納衛星運載器推進技術；2013年12月研制出“盧瑟福”發動機，并進行了300多次點火試驗；2016年完成“電子”火箭各級的飛行資質認證，并在新西蘭建造了瑪西亞航天發射中心的1號綜合發射設施；2017年3月，公司完成了一輪D系列融資，籌得的7500萬美元將用于擴大其生產，包括添置更多的3D打印設備，為預期中的高頻率發射做準備。這筆資金還將用于為美國加利福尼亞州享廷頓比奇一座新火箭工廠配備設備和對新西蘭現有設施進行升級改造。

火箭實驗室公司預計在2017年底將“電子”火箭投入商業運營，雖然火箭仍需進行多次飛行試驗，但截至目前，公司已經獲得多個微小衛星發射合同（發射任務已從2017年第2季度排至2020年）。月球快車公司（Moon Express）與其簽訂了3次微型月球著陸器發射合同，其中首個著陸器按合同要求需在2017年年底前進行發射，其他用戶還包括美國航空航天局（NASA）、美國行星公司（Planet）和斯派爾公司（Spire）。其中，2015年10月，NASA與火箭實驗室公司簽訂的一份價值近700萬美元的“NASA冒險級發射服務”（NASA’s Venture Class Launch Services Program）合同，計劃2017年發射多顆小型科研衛星。2016年，行星公司與火箭實驗室公司簽訂的發射協議涉及至少3次專用發射，每次發射搭載的衛星數量為20～25顆，但發射時間取決于“電子”火箭的研制情況。斯派爾公司則同意使用多達12次“電子”火箭發射來部署其商業氣象與船舶跟蹤立方體衛星。另外，2017年5月17日，從事小衛星發射經紀業務的空間飛行公司（Spaceflight）宣布訂購一次“電子”火箭發射，將把有效載荷送入不常用的中等傾角軌道，具體發射時間尚未確定。

4 小結

隨著微小衛星在各個領域需求的不斷攀升，微小衛星數量逐年增加。目前，基本通過大中型火箭的搭載方式滿足微小衛星的發射需求，但該方式一般無法滿足微小衛星運營商對衛星發射時間和軌道高度等方面的要求。因此，近年來，全球多家初創私營公司開始研制微小衛星專用小型運載火箭，以滿足其發射需求。據統計，全球正在開展專用小型運載火箭研制的商業公司接近20家，其中部分型號已經完成了設計與生產，即將進行飛行試驗。還有部分公司在探空火箭或運載火箭相關技術基礎上，已經完成了某些關鍵部件的研制。另外還有一些公司只停留在方案設計階段。專用小型運載火箭研制成本低，發射價格僅為大中型火箭的10%或更低；發射時間靈活；有些火箭還可以按照客戶需求提供定制服務，更適合于進行小衛星的搭載發射服務。

火箭實驗室公司的“電子”火箭針對微小衛星發射市場而研制，其首次試飛為其正式投入商業運營邁出了重要的一步，也為全球微小衛星專用小型運載火箭的研制提供了一個良好的開端。未來，微小衛星專用小型運載火箭可使微小衛星不再受制于大中型火箭的搭載發射方式，為蓬勃發展的微小衛星發射市場提供全新的發射選擇，成為航天發射領域的重要力量之一。