阿斯特拉：屢敗屢戰(zhàn)，火箭橫飛又如何

文/遲惑 于遠(yuǎn)航

2021 年8 月29 日，美國阿斯特拉公司的“火箭3.3”在阿拉斯加太平洋航天港發(fā)射。點火后，一級火箭的5 臺發(fā)動機(jī)當(dāng)中，有一臺工作異常，導(dǎo)致推力不平衡。火箭先是在發(fā)射臺上橫著移動，然后勉強(qiáng)向上飛，但因為姿態(tài)嚴(yán)重錯誤，發(fā)射控制員不得不中斷飛行，火箭最終掉進(jìn)了太平洋。

目前正在努力為美國國防高級研究計劃局研制小型快速響應(yīng)火箭的阿斯特拉公司，或許是小火箭公司在成本和性能之間掙扎的最典型案例。

▲ 阿斯特拉公司火箭爆炸

▲ 阿斯特拉公司團(tuán)隊

“火箭”火箭

阿斯特拉公司主要打算為軍方提供一種小型快速響應(yīng)火箭，根據(jù)戰(zhàn)場需要應(yīng)急發(fā)射衛(wèi)星。它的發(fā)射能力大概可以把150 千克的載荷送到500 千米高的近地軌道上。阿斯特拉公司在2016 年10月成立，2018 年3 月就把第一枚火箭豎到了發(fā)射臺上，聽起來還是挺神速的。

這家公司在給自己火箭起名的時候非常“懶”，僅僅叫做“火箭”而已。第一個型號就叫做“火箭一號”。不過這枚“火箭一號”并不能發(fā)射衛(wèi)星入軌，僅僅是拿來測試一級火箭發(fā)動機(jī)“德爾芬”，這個詞的意思是德語“海豚”。而第二級發(fā)動機(jī)叫做“以太”，當(dāng)時還沒有開發(fā)出來，所以只是用了一個配重。

2018 年7 月，“火箭一號”升空。不過據(jù)悉，在3 月到7 月間，阿斯特拉公司多次試圖發(fā)射火箭卻沒能成功。7 月20 日的這次發(fā)射也沒有成功，“火箭一號”從阿拉斯加發(fā)射場升空，不過只飛行了27 秒就發(fā)生異常，掉回了地面，墜落點都沒有超出發(fā)射場的圍欄。然而阿斯特拉公司總裁卻對記者表示，客戶對這次的發(fā)射結(jié)果非常滿意。

4 個月后，阿斯特拉公司再次組織發(fā)射，火箭飛行了30 秒之后中止飛行，墜落到地面。而公司聲稱這次發(fā)射是成功的。

阿斯特拉公司的1.0 和2.0 兩枚火箭的發(fā)射應(yīng)該認(rèn)為是成功的，因為只有一級火箭，并且只是把它垂直打上天去，并不要求入軌，這件事的難度不算太大。但是到了3.0 期間，阿斯特拉公司就必須要研制一種能夠入軌的運載火箭了，所以問題的難度立刻成幾何級數(shù)上升。

怎么也不能入軌

第3 版火箭也就是真正要入軌的型號，它的編號是按照3.x 的方式進(jìn)行的。第一枚稱為“火箭3.0”。這枚火箭用來正式執(zhí)行美國國防高級研究計劃局的發(fā)射任務(wù)。本來2020 年的3 月2日是火箭3.0 的發(fā)射最后窗口，但是由于地面準(zhǔn)備工作沒有能夠完成，所以錯過了這個窗口。但是美國國防高級研究計劃局并沒有因此撤回對阿斯特拉公司的支持，他們要求這家企業(yè)繼續(xù)執(zhí)行發(fā)射任務(wù)。

▲ 準(zhǔn)備發(fā)射的阿斯特拉公司火箭3.0

3 月23 日火箭3.0 終于準(zhǔn)備再次實施發(fā)射，但它在發(fā)射準(zhǔn)備期間著火了。當(dāng)時地面技術(shù)人員完成了一次演練，然而因為不明原因，火箭起火把整箭完全燒毀。據(jù)說火箭上當(dāng)時沒有衛(wèi)星，因此也沒有造成載荷方面的損失。

火箭3.0 損毀之后，阿斯特拉公司繼續(xù)挑戰(zhàn)第一宇宙速度。2020 年8 月31 日火箭3.1 豎到了發(fā)射臺上，但是天公不作美，發(fā)射只能推遲。9 月12 日，火箭3.1 終于點火，但是很快就墜回了地面，在一片空場上炸得粉碎。阿斯特拉公司官員表示，這次飛行沒有攜帶有效載荷，所以發(fā)生失敗造成的損失不大。

▲ 阿斯特拉公司火箭3.1 墜毀

下一枚火箭就是3.2。2020 年12月15 日，火箭3.2 從阿拉斯加州起飛，這次看起來似乎要接近成功了，火箭成功地穿過了卡門線，達(dá)到了390 千米的高度。這原本是它應(yīng)該部署衛(wèi)星的軌道，但是由于上面級發(fā)動機(jī)的燃料混合出現(xiàn)問題，所以模擬有效載荷并沒有達(dá)到第一宇宙速度。但阿斯特拉公司宣布這次任務(wù)是成功的，因為他們的實驗?zāi)繕?biāo)是實現(xiàn)一級關(guān)機(jī)和一二級分離，只要能把這件事情做到就算是任務(wù)成功，人們也就姑妄聽之吧。

橫著飛的火箭3.3

2021 年8 月29 日，火 箭3.3 在阿拉斯加太平洋航天港發(fā)射，結(jié)果再次遭到失敗。其失敗的情形正如本文開頭所描述。該公司聯(lián)合創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官肯普在失敗后約90 分鐘召開的電話記者會上稱，一級火箭5 臺發(fā)動機(jī)中的一臺，由于不明原因在起飛后不到1秒即發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)射失敗。

大家可能會問了，一般火箭發(fā)動機(jī)發(fā)生故障，火箭不是會爆炸嗎？阿斯特拉公司的火箭怎么這么“頑強(qiáng)”，掙扎了一段時間，還飛了上去？這就得從火箭的飛行原理說起了。

我們知道，火箭要想獲得向上飛行的速度，其火箭發(fā)動機(jī)的推力一定要大于火箭的重量。對于這個指標(biāo)，業(yè)內(nèi)有一個專用名詞，叫“推重比”。阿斯特拉公司發(fā)布的資料顯示，此次發(fā)射的火箭采用液氧和煤油推進(jìn)劑，長11.6米，直徑1.32 米，被設(shè)計成能裝入標(biāo)準(zhǔn)貨運集裝箱，設(shè)計太陽同步軌道運載能力為25 千克，低軌運載能力為100千克。火箭一級裝有5 臺由電泵驅(qū)動的“海豚”發(fā)動機(jī)，總推力約140 千牛；二級安裝單臺“以太”發(fā)動機(jī)，真空推力約3.1 千牛。

在此次發(fā)射中，該火箭在一臺發(fā)動機(jī)不能工作的情況下，仍然能維持不墜落地面，且貼著地面橫向移動，說明火箭剩下的仍然在工作的4 臺發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的推力恰好與火箭的重量相等。此時的火箭無法獲得向上飛升的加速度。但是隨著火箭發(fā)動機(jī)不斷消耗推進(jìn)劑，火箭的總質(zhì)量在不斷減輕。當(dāng)推進(jìn)劑被消耗到一定程度時，火箭再次獲得向上的加速度，重新開始爬升。

大家可能還有一個疑問，那就是火箭為什么不原地浮空，而是發(fā)生了側(cè)向偏移呢？

這就說明此次火箭發(fā)生故障的那一臺發(fā)動機(jī)并沒有被布置在5 臺發(fā)動機(jī)的中間位置，而是布置在了一側(cè)。在這種情況下，火箭的推力不平衡，理論上火箭應(yīng)該傾倒在地才對，但它為什么沒有倒地呢？這要歸功于火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)。

▲ 準(zhǔn)備發(fā)射的阿斯特拉公司火箭3.2

我們知道，一般運載火箭都有制導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)告訴火箭，在什么時候應(yīng)該轉(zhuǎn)彎，應(yīng)該轉(zhuǎn)多大的彎，以及在什么條件下關(guān)閉火箭發(fā)動機(jī)。遵從制導(dǎo)系統(tǒng)的指令，運載火箭就會最終到達(dá)預(yù)定的軌道。

那么是誰指揮發(fā)動機(jī)偏轉(zhuǎn)，控制火箭執(zhí)行制導(dǎo)系統(tǒng)的指令呢？那就是火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)。

姿態(tài)控制系統(tǒng)要隨時感受火箭當(dāng)前的姿態(tài)，對發(fā)動機(jī)偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)行調(diào)整，使火箭的姿態(tài)回歸到制導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)定的位置上來。其間，火箭的姿態(tài)必然會受到各種各樣的擾動，姿態(tài)控制系統(tǒng)必須克服這些擾動，控制好火箭的姿態(tài)。

火箭發(fā)射時，制導(dǎo)系統(tǒng)給出的指令一般是垂直90 度向上飛行。當(dāng)阿斯特拉公司的這枚火箭，在其一側(cè)安裝的一臺發(fā)動機(jī)發(fā)生故障關(guān)機(jī)后，由于火箭的重心要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)推力的作用位置，火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)為了保持火箭的平衡，就必須控制發(fā)動機(jī)向另一側(cè)擺動，產(chǎn)生相反的推力力矩，使火箭的姿態(tài)盡量保持在垂直狀態(tài)。但這樣也會產(chǎn)生另外一個副作用，那就是火箭獲得了一個側(cè)向力，推動火箭發(fā)生橫向飛行。

遙測數(shù)據(jù)顯示，在地面控制人員關(guān)閉發(fā)動機(jī)的時候，這枚火箭達(dá)到了距離地球表面大約50 千米的高度。所以，阿斯特拉公司距離發(fā)射成功還是挺遠(yuǎn)的。

雖屢敗但雄心不減

發(fā)射雖然又一次失敗了，但似乎并沒影響阿斯特拉公司必勝的雄心。按照他們的說法，過去的3 次軌道飛行雖然都失敗了，但是一次比一次接近最終成功的目標(biāo)，也就是進(jìn)入近地軌道。

▲ 阿斯特拉公司的火箭3 第一級有5 臺發(fā)動機(jī)

▲ 火箭3.3 居然用四臺發(fā)動機(jī)起飛了

▲ 一臺發(fā)動機(jī)失靈，導(dǎo)致火箭3,3 橫飛

公司負(fù)責(zé)人在推特上給自己打氣，說為團(tuán)隊感到無比自豪，征服太空可能很艱難，但是就像這枚火箭一樣，我們是不會放棄的。這樣的豪言壯語聽起來非常讓人感動，但實際上真正讓他不會放棄的，是已經(jīng)拿到手的大約1 億美元投資。有了這么一大筆錢作為底氣，再加上美國國防高級研究計劃局的預(yù)售合同，這家企業(yè)當(dāng)然還可以把試錯的工作繼續(xù)推進(jìn)下去。