小火箭需要解決的大問題

文/松堂

有人會說，如今的火箭技術已經相對成熟了，早期火箭研制當中所面臨的那些基礎性原理性的問題有很多已經解決了，而且相關的知識都寫在了公開出版的圖書當中；火箭研制的這些技術人員也并不都是新手，其中有很多人在傳統火箭研制單位當中從業多年，有著豐富的經驗，那么為什么還會一次次地發生失敗呢？這種情況還要從多方面進行分析。

▲ 第一枚“電子號”火箭從新西蘭瑪西亞半島發射場升空

“學費”省不得

小型火箭失敗了這么多次，就會讓人有一種奇怪的感覺，似乎研制這種東西，和研制大型、重型火箭一樣困難。其實這是前期投入不足的后果。小型火箭在研制上還是要比大型火箭容易的。至少，要研制出一枚可以打到天上正常入軌的小型火箭，要比研制大型火箭容易很多。

正是因為相對容易，所以相當多小型火箭研制企業出現了投入不足的情況。無論是研制者還是投資方都會這樣認為：既然小火箭的個頭小，發動機也小，那么少花點錢也可以把它搞出來嘛！

這種想法定性上雖然沒錯，但是應該少到什么程度，有哪些錢是一定要花的，哪些錢不能省，就是一個非常微妙的問題。

在過去幾年發射的所有小火箭當中，如果不算中國的“長征十一號”，成功率比較高的其實就只有一種，就是美國火箭實驗室公司的“電子號”。

電子號火箭的主要研制工作是在新西蘭完成的。新西蘭的總體消費水平比較低，而且在進行火箭試射的時候，得到了當地農場主的積極支持，幾乎是免費為其提供了一塊位置絕佳的發射場。而且在新西蘭進行試航驗證，跑各種各樣的行政手續要比美國容易得多。畢竟新西蘭是一個小國，政府架構比較簡單。

同樣一筆錢要是在美國進行火箭研制，那恐怕就要差得遠了。美國不但消費水平比較高，而且行政成本遠遠超過新西蘭。包括軍方、聯邦航空管理局、環保單位、地方行政部門、勞工部門、工會甚至一些環保團體，都要對火箭研制和發射活動插上一手。我們并不是說這樣的行政程序是沒有價值的，它可以防止對美國來說最差的結果，比如火箭技術流失到國外、火箭引起嚴重的環境問題等等，但是這畢竟增加了成本。

其實“交學費”這種事情，無論對于商業公司還是國家隊來講，情況都是一樣的。如果把時鐘撥回到上世紀50年代，考察一下美國陸海空三軍發起的各種火箭研制項目，就會發現在那段時間里美國的火箭發射幾乎全都失敗，成功的只是少數。如果考察一下蘇聯同時期的火箭發射，會發現失敗的次數也非常多。假如我們把時光回溯到更早的年代，到二戰末期的納粹德國看一看，就會發現馮·布勞恩在研制A4 火箭時遇到了種種問題，他所遭遇到的發射失敗比其他任何人都多。

▲ 火箭實驗室公司的測控設施很簡單

▲ “電子號”位于新西蘭瑪西亞半島的發射場

商業化帶來的新問題

小火箭的成功率不高，還和商業化這個概念有直接的關系。

早期“國家隊”的火箭研制是為了解決有無的問題，只要能夠把衛星送到軌道上就可以，哪怕以比較低的運載效率付出比較大的代價，也是可以接受的。但是商業火箭是要講求效益的，要在成本和發射能力之間做到最佳的平衡，盡量降低單位質量的發射成本。與此同時，可能還要滿足關于快速響應、不指定地點發射等等復雜的要求，這給火箭設計師們帶來了全新的課題。

所以，如今的小火箭公司們，還得從頭“交學費”。

當然了，“交學費”是一件說起來很輕松的事情，但火箭的飛行成本是非常高的。我們就算按照近地軌道發射成本每千克1 萬美元來計算，一枚小型火箭的成本怎么也要按照百萬美元來計算。小火箭的發射成本甚至可能達到每千克3 萬多美元。而且火箭只要飛行失敗就會掉在地上，變成一團毫無用處的殘骸，并不像汽車那樣壞了修修還能繼續使用；也不像飛機那樣，只要迫降回來就可以修理修理，重新上天。只要失敗一次，這幾百萬美元就化作灰燼了，這樣昂貴的學費并不是每個企業都交得起的，也不是每個投資機構都舍得花出去的。

所以商業企業研制小型火箭，恐怕還要經過一個更加漫長的歷程。哪家企業是“千里馬”，哪家企業能夠遇到自己的“伯樂”，哪家企業就能走到最后，把這個行業真正支撐起來。

用什么燃料的問題

美國的幾家小火箭研制商，不約而同地采用了液體燃料的方案，這也是早期失敗率比較高的主要原因。液體火箭發動機的結構更加復雜，雖然它能夠實現更大的運載能力，但是也對制造者的工藝水平和質量控制能力提出了更高的要求。

那么為什么這些企業不像中國的小型火箭創業者那樣，在早期先采用固體火箭來實現突破呢？最主要是因為在美國能夠用于宇航發射的固體火箭發動機被諾斯羅普·格魯曼公司壟斷，而諾·格公司對于承接這種業務是沒有什么興趣的。

這家公司的固體火箭部門正忙于美國軍方的導彈業務。美國軍方現在的大型遠程導彈項目比較多，其中規模最大的，就是空軍的下一代陸基戰略威懾洲際核導彈項目。估計項目總經費超過1000 億美元。另外，在高超音速導彈領域，陸海空三軍都有各自的研發項目，他們都要用大直徑固體火箭發動機作為助推器。這些訂單數量大、金額高，要求復雜，諾·格公司承接這些合同就足夠吃飽飯了，哪里有精力和興趣接待那些只買得起一兩發火箭的小公司？

另外，這些企業和諾· 格公司之間存在著直接競爭關系，諾·格公司自己也有小型運載火箭的項目，也就是從軌道科學ATK 公司那里收購來的幾個型號，包括“飛馬座”和“人牛座”兩種運載火箭。其中飛馬座火箭在很長一段時間里，都是美國唯一也是世界上唯一的空射運載火箭，直到維珍軌道公司的“發射器一號”取得成功，才打破了這樣的壟斷。

▲ 軌道科學ATK 公司的飛馬座-XL 火箭被推入廠房

美國是一個私有制為主的國家，諾·格、波音、洛·馬這樣的私營軍火公司沒有義務像中國的國有企業那樣，執行國家政策，扶持小型商業公司。那么在這樣的情況下，小型火箭企業怎么可能指望得上讓諾·格公司來支持自己。而且通過諾·格公司訂購火箭發動機的成本并不低，一旦形成了供應鏈依賴，那么萬一某個公司到了某個關鍵時刻，諾· 格卻忽然宣布自己因為產能問題或者是其他什么問題不能再供應了，那這些小火箭公司豈不是欲哭無淚嗎。

當然早期也有一些創業團隊試圖自己突破較大直徑固體運載火箭的固體火箭發動機制造技術，但事實證明這種東西需要太高的專業技能。早在2017 年，桑迪亞實驗室、夏威夷大學和Aerojet火箭公司的超級斯屆比火箭就采用了自己開發的固體發動機，火箭升空后沒有多久就炸成了一團煙火。這主要是因為，大直徑固體發動機對藥柱的鑄造質量有著很高的要求，特別是在溫度變化之后，藥柱本身不能夠出現裂縫。萬一有那么一道裂縫就會導致燃燒面積陡然增大，造成燃燒室內的壓力突然升高、火箭爆炸。這樣的工藝和經驗是需要在一次次的失敗當中摸索和學習的，并且需要為之配備龐大而復雜的工藝設備，這些創業企業哪里有如此多的投資來做這種事情呢。

被大火箭搶飯碗的問題

人們之所以要研制小型運載火箭，不僅僅是因為這些火箭看上去很便宜，有的時候也是為了能夠讓一些有效載荷可以更快地進入太空，不需要等待大型火箭的“班次”。等待大型火箭的發射機會有時可能要耗掉一年以上的時間，等上兩年三年也不是不可能的事情。這種等待對于很多小型機構來說是沒有辦法接受的。

我們都知道，作為商業企業來說，等上兩三年，可能千辛萬苦融來的資金就用完了，導致整個創業計劃失敗。對于許多大學和研究機構來說，碩士研究生的學制也不過是一兩年，博士研究生三到五年，如果僅僅是為了等衛星發射獲取數據就要用掉兩三年，那么這個學位也不用再拿了。

所以，可以更快地進入太空，或許是小型運載火箭的最大價值。當然這也帶來了另外一方面的問題：如果有一家大型運載火箭制造商，能夠實現更快的發射頻率和航班化的運行，那么，小型運載火箭是不是還有自己的生存空間呢？

正如美國太空探索技術公司所希望做到的那樣，如果獵鷹9 號火箭能夠每兩個星期發射一次，確保次次成功，它的每一次飛行都能夠搭載幾十顆甚至上百顆小衛星，那些希望通過小衛星創業或者開展科學研究的機構，就不需要再去考慮購買小型火箭發射服務這種問題了。

至于獵鷹9 號火箭是不是能夠確保每一個衛星業主所想要進入的預定軌道，這種事情也不必擔心。因為還有另外的機構正在開發所謂的“太空輪渡”業務，把衛星發射到軌道上之后，這些實質上相當于火箭上面級的航天器就會飛過來把小衛星捉住，然后用電火箭發動機推進，把它們送到預定軌道上去。到那時候，可能人們就不需要再研制太多小火箭了吧。

▲ 準備發射的超級斯屆比火箭