美國“阿斯特拉”小型運載火箭最新進展

趙榮 施思（西安衛星測控中心）

目前，全球微小衛星蓬勃發展，對小型運載火箭的發射服務需求也日益增加。阿斯特拉公司（Astra）作為一家新興的小型運載火箭發射服務公司，著眼市場需求，研發了阿斯特拉火箭－3.0（Astra Rocket－3.0）小型運載火箭。公司從2020年2月下旬以來，連續2次嘗試發射首枚運載火箭，一次是參加美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“發射挑戰賽”，另一次是自主發射，但兩次發射準備過程中均遭遇意外，火箭一直沒能順利升空。阿斯特拉公司作為唯一一家參加了DARPA發射挑戰賽的商業公司，雖然結果失敗，但是使公司迅速進入了人們的視野。

1 阿斯特拉公司

阿斯特拉公司是一家成立于2016年的小型運載火箭初創公司，總部位于加利福尼亞州阿拉米達市，致力于進入太空商業發射服務市場。公司將阿拉米達海軍航空站重建為全球首個完全具備火箭研發、制造和測試的集成廠區，在園區內可以實施從設計到測試的每個過程（園區內擁有2個室內火箭發動機測試臺）。公司已從投資者那里獲得了超過1億美元的融資。

公司的目標是重塑太空工業的運行方式，提出新穎、經濟、快速的航天發射服務，將制造能夠大規模生產且具有高可靠性能的小型火箭，拓展近地軌道發射服務市場。目前，公司研發了阿斯特拉火箭－3.0，稱能提供1U和3U立方體標準衛星的搭載發射網上預訂服務。對于專用發射服務，公司將在2020年和2021年提供50～150kg有效載荷的低軌道發射服務。公司的潛在客戶群包括美國軍方、政府、企業等。

位于阿拉米達市的阿斯特拉公司總部全景圖

阿斯特拉公司發展里程碑

2 “阿斯特拉”火箭概況

阿斯特拉火箭－3.0以阿斯特拉火箭－1.0/2.0兩款亞軌道火箭為基礎進行研發，是公司首款具備近地軌道發射能力的小型運載火箭。

火箭結構參數

阿斯特拉火箭－3.0屬于小型運載火箭，為二級結構，無捆綁級，全長約11.6m，直徑約1.32m，采用液氧煤油燃料。一級火箭裝有5臺28kN推力的Delphin電泵式發動機，以五邊形模式布局，總起飛推力約133kN，二級火箭只裝有一臺推力約3kN的Aether發動機，能將25kg有效載荷發射至太陽同步軌道，后續運載能力可進一步提升。火箭發射成本低廉，每次發射費用約為250萬美元，后續通過擴大發射規模成本可降至100萬美元。目前，公司每月可生產1～2枚火箭。

火箭性能優點

阿斯特拉火箭－3.0是一種具備機動發射能力的小型衛星發射系統，具備靈活的發射方式和快速響應能力，而且價格低廉。公司能夠將火箭系統所有物品（包括火箭）裝載到標準運輸箱中進行運輸，并可從世界各地許可的地點發射。阿斯特拉火箭－3.0的發射系統簡單，不需要復雜、昂貴且種類繁多的地面支持設備，最大程度地減少發射基礎設施，如便攜式移動火箭發射臺只需幾天就能完成建立，從而提高了快速響應能力。此外，位于阿拉米達市的總部還設有一個任務控制中心，管理人員可以在那里遠程指揮和監控火箭發射，火箭發射場只需要很少量的人員就可以完成火箭發射準備。這種發射的靈活性和快速性改變了以往的游戲規則，可以將衛星快速發射到目標軌道。

阿斯特拉火箭－1.0/2.0/3.0（從左至右）

公司廠房內火箭組裝區

火箭研發特點

公司在研發火箭過程中，一直遵循快速迭代設計的理念。火箭的每次改進都針對性能進行了優化。公司利用集成廠區的優勢，不需要去專門的火箭發動機測試外場，直接在廠區內就可以進行火箭發動機點火測試以及全箭測試，不斷進行“測試-學習-改進”的循環迭代過程，大大加速了火箭發動機的研發速度。公司在室內進行了數千次火箭發動機測試。其次，公司轉變了傳統設計方式，采用低成本的火箭制造技術。公司通過大量采用輕質鋁材料，使火箭造價更加便宜。火箭整流罩改用鋁材料后，相比原來的輕質碳纖維復合材料，雖然質量增加了20%，但是價格從25萬美元降至2500美元。最后，公司以參加DARPA“發射挑戰賽”為契機，將“發射挑戰賽”要求的靈活和快速響應能力融入火箭研發中，最終將“阿斯特拉”火箭打造成簡單、可靠、靈活、便捷的小型運載火箭。

3 火箭進展情況

阿斯特拉公司表示，“阿斯特拉”火箭要成功將1顆衛星送入地球軌道，大概需要發射3次。公司借首枚火箭發射任務測試整個火箭系統，包括發射臺、火箭、軟件以及航線范圍內的設備，這是公司首次進行整套軟硬件的集成試驗。今人遺憾的是，首枚阿斯特拉火箭－3.0進行了2次發射嘗試，均因火箭自身原因未能順利升空。

DARPA“發射挑戰賽”

2018年2月，美國DARPA發起了一項“發射挑戰賽”活動，目的是通過私營太空發射公司開發軍方可以使用的小型移動發射系統，具有發射靈活性和快速響應能力。“發射挑戰賽”希望能打破目前限制進入太空的時間、技術、系統和流程，從而為國防部提供只需幾天而不是幾年的靈活發射能力。

2019年，共有60多家航天公司報名參賽，最后DARPA選出了3家公司入圍。后來，另外2家公司都出了狀況，矢量公司（Vector）宣布破產清算，維珍軌道公司（Virgin Orbit）則宣布退出，只剩下了唯一的參賽選手阿斯特拉公司。阿斯特拉公司入圍后一直處于低調的“隱身”狀態，并沒有公開宣傳。

按照“發射挑戰賽”的規則，如果某一家航天發射公司能夠按要求在規定的時間間隔內、在指定地點完成兩次快速發射任務，將載荷送入250km以上的低地球軌道，就可以獲得共計1200萬美元的獎金。為了測試阿斯特拉公司的反應靈活性，DARPA直到發射前1個月，才向公司提供有效載荷的詳細信息；到發射前1周，才將有效載荷交付給公司，以讓公司完成星箭結合。第1枚火箭需要在阿拉斯加州科迪亞克島的太平洋航天港發射DARPA載荷，成功后將獲得200萬美元。之后，DARPA再選擇本國的一個航天發射場，要求幾周內完成第2枚火箭發射，成功后將繼續獲得1000萬美元。最終，DARPA從演示技術挑戰的角度考慮，決定第2枚火箭可在科迪亞克島太平洋航天港的另一個發射臺發射。

DARPA“發射挑戰賽”

第一次嘗試發射

阿斯特拉公司參加DARPA“發射挑戰賽”的首枚火箭在科迪亞克島的太平洋航天港B發射臺進行發射，共搭載了3顆立方星和1個有效載荷。其中，1顆“普羅米修斯”（Prometheus）立方星由洛斯阿拉莫斯國家實驗室開發，旨在演示“縮短任務和數據傳播時間線，為軍事操作員提供戰術相關信息”的功能。2顆偵察與通信探測－1（ARCE－1）立方星由南佛羅里達大學制造，主要用于演示驗證星間通信技術。1個“空間物體自動報告系統”（SOARS）無線電信標有效載荷，固定在火箭二級上，不進行分離，用于改進軌道跟蹤和空間態勢感知。火箭將把有效載荷送入軌道高度約445km、傾角約97.2°的太陽同步軌道。

根據DARPA的設定，第1枚火箭的發射窗口為2020年2月17日～3月1日，后因天氣原因允許增加1天時間。阿斯特拉公司2月18日將火箭運送至科迪亞克島的發射場，因需要時間準備火箭發射，將初步發射日期定在2月25日。后來由于當地惡劣天氣以及一些小的技術問題多次推遲發射，在3月2日嘗試挑戰。因火箭上制導、導航和控制系統的傳感器數據顯示異常，可能會影響火箭順利飛行，公司在發射倒計時T-53s時決定停止發射。公司表示，這是出于對火箭安全的考慮，同時為了提高火箭前三發的成功率。公司由于無法在規定的發射窗口內發射，挑戰失敗。同時，原計劃于3月18日～3月31日窗口期間發射第2枚火箭，第二階段的挑戰發射也自動取消。

Prometheus衛星（左）、ARCE－1衛星（中）和SOARS載荷（右）

第二次嘗試發射

阿斯特拉公司在排除第一次嘗試發射時產生故障后，計劃2020年3月24日或25日再次在科迪亞克島的太平洋航天港嘗試進行首枚運載火箭的第二次發射。公司表示，DARPA的有效載荷已從火箭上移除，此次發射火箭上沒有攜帶有效載荷。火箭于3月23日在發射臺上進行發射前倒計時彩排，發生異常情況并遭到損壞，被迫取消了發射嘗試。公司稱，此次事故中沒有人員受傷，但火箭已損壞，團隊已經在努力獲取原因，并打算等到新型冠狀病毒疫情好轉后再嘗試。

4 小結

阿斯特拉公司積極進軍小型衛星商業發射服務市場，但其首枚火箭發射任務一波三折，特別是火箭的可靠性需要進一步提高。該公司在4年內完成火箭研發和嘗試發射的速度已經很快。公司的后續計劃包括快速迭代升級現有型號火箭、實現商業化運營、新建火箭發射場等。

阿斯特拉公司開創了集火箭研發、制造和測試于一體的完全集成廠區，研發了靈活機動式小型火箭發射系統，將會給美國甚至全球的小型火箭發射市場帶來深遠影響。同時，“阿斯特拉”火箭具備的快速響應能力也是美軍多年來一直追求的愿望，可有效拓展美軍使用商業航天力量來提升戰時響應能力，實現小型航天器的快速補網發射，從而快速服務軍方用戶。DARPA稱正在與美國太空軍和太空司令部討論在軍事演習中展示響應型衛星快速發射能力的可能性，而“阿斯特拉”火箭正是在朝這個方向發展，以滿足客戶需要的靈活和快速響應發射。