瞄準(zhǔn)可重復(fù)使用的中子號(hào)火箭

文/李晨風(fēng)

▲ 中子號(hào)火箭想象圖

作為航天發(fā)射的后起之秀，火箭實(shí)驗(yàn)室公司也瞄準(zhǔn)了可重復(fù)使用火箭研發(fā)。

2021年12月2日，商業(yè)空間公司火箭實(shí)驗(yàn)室首次公開(kāi)了新一代可重復(fù)使用火箭的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，這種火箭綽號(hào)“中子號(hào)”，計(jì)劃于2024年發(fā)射。根據(jù)該公司的說(shuō)法，中子號(hào)火箭就是為了超大規(guī)模星座發(fā)射而研制的。

大塊頭“中子號(hào)”

中子號(hào)火箭在很大程度上是在電子號(hào)火箭基礎(chǔ)上研制出來(lái)的。電子號(hào)火箭自從2017年首次亮相以來(lái)，已經(jīng)成為業(yè)界新星了。電子號(hào)火箭的特點(diǎn)是采用兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，用輕質(zhì)碳復(fù)合材料構(gòu)成殼體，它的燃料泵獨(dú)樹(shù)一幟，采用鋰電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，向發(fā)動(dòng)機(jī)提供液氧煤油。電子號(hào)火箭迄今為止已經(jīng)發(fā)射22次，入軌衛(wèi)星107顆。

公司老板貝克是個(gè)有野心的人，很早就明確表示，自己也要進(jìn)軍可重復(fù)使用火箭技術(shù)。在2020年的夏秋兩季，火箭實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始通過(guò)直升機(jī)和繩網(wǎng)，嘗試著回收電子號(hào)火箭的第一級(jí)，進(jìn)行可重復(fù)使用性試驗(yàn)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，火箭實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始研發(fā)一種可重復(fù)使用的火箭，它同樣采用碳纖維殼體，但是更大、更復(fù)雜。2021年3月1日，貝克初步向業(yè)界公布了中子號(hào)火箭的參數(shù)，這可不是電子號(hào)那種小火箭了，而是一種運(yùn)載能力達(dá)到8噸的大型火箭。

當(dāng)時(shí)，貝克介紹說(shuō)，中子號(hào)火箭長(zhǎng)度達(dá)到40米，采用兩級(jí)，都可以重復(fù)使用。除了可以攜帶8000千克載荷到達(dá)近地軌道（LEO），其還能把1500千克載荷送到去往火星或金星的軌道。

火箭細(xì)節(jié)

2021年12月2日，貝克提供了火箭的最新細(xì)節(jié)，包括氣動(dòng)外形、發(fā)動(dòng)機(jī)、殼體和一些非傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征。其中包括：

新型的“阿基米德”火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，具有高可靠性和重復(fù)使用能力。

獨(dú)特的四瓣式整流罩設(shè)計(jì)，貝克叫它“饑餓河馬”，可以實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭和整流罩的重復(fù)使用，無(wú)需翻新。

碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，使“中子號(hào)”成為世界上第一個(gè)碳復(fù)合材料大型運(yùn)載火箭通過(guò)反推減速返回發(fā)射場(chǎng)。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司還表示，8噸僅僅是中子號(hào)火箭的標(biāo)準(zhǔn)載荷，通過(guò)擴(kuò)展設(shè)計(jì)，能夠把這個(gè)數(shù)字提高到15噸。貝克還表示：“‘中子號(hào)’不是傳統(tǒng)的火箭。它是一種新型的運(yùn)載火箭，在設(shè)計(jì)的一開(kāi)始，就考慮了可靠性、可重復(fù)使用性和成本降低。‘中子號(hào)’結(jié)合了過(guò)去的最佳創(chuàng)新，并將其與尖端技術(shù)和材料結(jié)合起來(lái)。未來(lái)10年將發(fā)射的衛(wèi)星中，預(yù)計(jì)有80%以上將是星座，星座具有獨(dú)特的部署需求，‘中子號(hào)’是第一個(gè)專門解決這一需求的運(yùn)載器。正如我們對(duì)電子號(hào)火箭所做的那樣，我們沒(méi)有從傳統(tǒng)的火箭設(shè)計(jì)開(kāi)始，而是專注于客戶的需求，火箭的尺寸適合市場(chǎng)需求，能夠快速、頻繁、經(jīng)濟(jì)地發(fā)射。”

新型殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)

如前所述，火箭實(shí)驗(yàn)室公司在全球率先將碳復(fù)合材料用于火箭的殼體。“中子號(hào)”第一級(jí)也將采用碳復(fù)合材料殼體，但它是由一種新的、特殊配方的碳復(fù)合材料制成的，重量輕、強(qiáng)度高、堅(jiān)固耐用，足以承受反復(fù)太空飛行和再入造成的高溫和壓力。

“中子號(hào)”的碳復(fù)合材料結(jié)構(gòu)將使用自動(dòng)纖維鋪設(shè)系統(tǒng)制造，據(jù)說(shuō)可以在幾分鐘內(nèi)建造數(shù)米長(zhǎng)的碳火箭殼體。這將實(shí)現(xiàn)快速制造和可重復(fù)使用性，使“中子號(hào)”成為世界上第一個(gè)大型碳復(fù)合材料可重復(fù)使用運(yùn)載火箭。

“阿基米德”是一種可重復(fù)使用的液氧（LOX）和甲烷氣體發(fā)生器循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，可產(chǎn)生1兆牛頓的推力和320秒的比沖。與傳統(tǒng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比，“阿基米德”發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不那么復(fù)雜，所需要實(shí)現(xiàn)的推力也更小。這樣，發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)起來(lái)更容易，生產(chǎn)過(guò)程也更加經(jīng)濟(jì)高效、速度更快。

“中子號(hào)”火箭第一級(jí)打算采用七臺(tái)“阿基米德”發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)采用一臺(tái)真空優(yōu)化的“阿基米德”。

▲ 火箭實(shí)驗(yàn)室公司用降落傘回收電子號(hào)火箭第一級(jí)

▲ 電子號(hào)火箭與中子號(hào)火箭的對(duì)比

▲ 貝克展示中子號(hào)火箭的整流罩結(jié)構(gòu)

新概念的二級(jí)火箭與整流罩

通常，整流罩由安裝在第二級(jí)助推器頂部的兩個(gè)錐形半體組成，在發(fā)射過(guò)程中密閉起來(lái)，保護(hù)有效載荷。一旦一級(jí)和二級(jí)火箭分離，達(dá)到展開(kāi)高度，就要拋掉整流罩，讓有效載荷暴露出來(lái)，整流罩則墜入大氣層燒毀。

太空探索技術(shù)公司對(duì)整流罩回收做了一定的努力。但是，在海上“捕獲”整流罩難度極大。這家公司的兩艘回收船只能實(shí)現(xiàn)不到20%的回收成功率。所以到2021年底，太空探索技術(shù)公司宣布完全放棄這個(gè)想法，改為從海里打撈。

相比之下，“中子號(hào)”采用了一種花瓣式展開(kāi)和收攏的新設(shè)計(jì)，就是所謂“饑餓河馬”，整流罩連接在火箭第一級(jí)上，第二級(jí)和載荷完全包裹在整流罩當(dāng)中。當(dāng)一級(jí)火箭到達(dá)指定高度，整流罩不會(huì)脫落，而是展開(kāi)。第二級(jí)和有效載荷從整流罩中飛出，然后整流罩關(guān)閉，與第一級(jí)一起返回著陸。著陸后，集成新的二級(jí)火箭和載荷重新發(fā)射。

火箭實(shí)驗(yàn)室目前正在使用由碳復(fù)合材料制成的一次性第二級(jí)設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度為6米，使用單臺(tái)真空優(yōu)化“阿基米德”發(fā)動(dòng)機(jī)。這使第二級(jí)免于在發(fā)射和再入過(guò)程中經(jīng)歷的許多極端條件，這意味著它們可以變得更輕、更便宜。

這種設(shè)計(jì)消除了在海上捕獲整流罩的困難方法，在提高發(fā)射頻率和靈活性的同時(shí)，全面降低了成本。

▲ 中子號(hào)火箭釋放第二級(jí)的想象圖

▲ 中子號(hào)火箭釋放第二級(jí)的想象圖

發(fā)射和著陸

“電子號(hào)”的第一級(jí)回收多少有點(diǎn)試驗(yàn)性質(zhì)，但“中子號(hào)”的整個(gè)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程都是定制化的，以確保可重復(fù)使用。首先，“中子號(hào)”并不是傳統(tǒng)的細(xì)長(zhǎng)圓柱體，而是錐形的，底部更寬，為著陸提供了一個(gè)穩(wěn)定的平臺(tái)，因此也不需要復(fù)雜的著陸系統(tǒng)或支腿。

這種平衡的結(jié)構(gòu)意味著，在發(fā)射前和發(fā)射過(guò)程中，“中子號(hào)”可以安全地用支腿站立住。返回時(shí)，火箭通過(guò)反推方式返回發(fā)射場(chǎng)，受控著陸。這樣就不需要昂貴的基礎(chǔ)設(shè)施，如舷梯、發(fā)射塔和海洋著陸平臺(tái)，也不需要把火箭運(yùn)輸回發(fā)射場(chǎng)。

最近幾年，火箭實(shí)驗(yàn)室公司已經(jīng)在弗吉尼亞海岸的美國(guó)宇航局沃洛普斯基地建設(shè)新的發(fā)射場(chǎng)，火箭實(shí)驗(yàn)室希望在2024年在這里進(jìn)行“中子號(hào)”首次發(fā)射。至于在哪里生產(chǎn)火箭本體和“阿基米德”發(fā)動(dòng)機(jī)，還沒(méi)有選定。