“阿斯特拉”火箭的進展與分析

劉琳（北京宇航系統工程研究所）

1 引言

2021年11月20日，美國阿斯特拉太空公司（Astra Space）研制的阿斯特拉-3.3（Astra-3.3，編號LV0007）火箭發射升空，將美國太空部隊的試驗性有效載荷成功送入近地點438km、遠地點507km、傾角86°的預定軌道。

此次“阿斯特拉”火箭的成功發射標志著該公司經過61個月的時間，已經具備了入軌能力，刷新了私營航天企業研發液體運載火箭并成功送入近地球軌道的時間記錄。

阿斯特拉太空公司成立于2016年10月，總部位于美國加利福尼亞州，是一家以“通過提供太空服務以改善地球生活”為使命的航天初創公司，公司愿景是通過制造小型火箭，使發射到近地球軌道變得高頻化、常規化以及自動化。

2 火箭發展簡況

在此次飛行成功之前，“阿斯特拉”火箭共經歷了1次發射中止和5次發射失敗，其中2021年8月28日LV0006號火箭發射時，由于火箭和發射臺快速斷開過程中一臺一級主發動機異常關機，起飛推重比由1.25降至1，在強大的火箭制導、導航與控制（GNC）系統的調整下，火箭在發射場開始橫向移動，直至火箭重量進一步減少后才開始緩慢爬升，整個過程持續數秒，被網友戲謔為“玩漂移的火箭”。由于這是阿斯特拉太空公司首次與美國國家航空航天局（NASA）合作進行直播發射，這段發射影像也被全球航天愛好者實時圍觀，并在航天發射史中一舉成名。

3 火箭特點與分析

低成本的小型商用運載火箭

“阿斯特拉”火箭目前有3個版本，分別為1.0、2.0和3.X版本。其中火箭1.0和2.0版不具備運載能力，且由于3.2版本火箭的入軌速度增量不足，3.3版本重新改進了設計方案，火箭長度由11.6m增至13.1m，用于增加推進劑量并對一、二級級間比進行了調整，箭體直徑為1.32m。目前，該公司還在開展4.0版火箭的研制以及試飛準備工作。

現階段的阿斯特拉-3.3火箭，其動力方案是一級采用5臺電泵式“海豚”（Delphin）液氧煤油發動機并聯設計，能夠提供的海平面總推力為140kN，工作時間約為170s；二級采用1臺“以太”（Aether）發動機，工作時間約為540s。火箭的運載能力達到近地球軌道不小于100kg，屬于小型商用運載火箭系列。

“阿斯特拉”火箭歷次任務統計

阿斯特拉―3、4火箭運載能力 kg

商用小型運載火箭的核心競爭力是經濟性，為了實現低成本，“阿斯特拉”火箭在設計方案選擇、性能指標確定以及商業發射模式上都做出了取舍。

在設計方案上，火箭結構舍棄成本較高的復合材料與3D打印技術，選擇了經濟性好的輕質鋁材料并配以簡單制造工藝。

在性能指標上，火箭放棄了自主可控回收技術。采用自主可控回收技術雖然可以獲得更好的經濟性，但是對于運載能力性能指標會造成極大的損失。例如：2021年12月2日火箭實驗室（Rocket Lab）發布的“中子”（Neutron）火箭，在采用了一級回收方案后，近地球軌道的運載能力將由15t降至8t，能力損失達到46.7%。如果以同樣的比例換算到“阿斯特拉”火箭，那么其近地球軌道的運載能力將由100kg降至46kg，對于小型火箭而言，就意味著損失了將近一半的潛在客戶，并且運載成本也將翻倍。

在任務模式上，公司以追求超高密度發射為發展目標。目前該公司已獲得超過50次的發射訂單，合同金額達到1.5億美元，且即將發射的LV0008火箭的商業訂單價格為390萬美元，據此推算，“阿斯特拉”火箭目前的單次發射價格約為300～400萬美元。公司表示未來將通過實現“日發”從而大幅降低發射成本。為此，公司還聘請了蘋果公司前雇員本杰明擔任公司首席工程師，以發揮其在iphone、ipad和Mac方面的批量產品研發經驗。

快測試、超靈活和高頻模式

在增加發射頻次方面，“阿斯特拉”火箭不是夸下海口，而是在進行充分準備。

首先是開發階段的快速測試與產品迭代：阿斯特拉太空公司在舊金山外建立世界上第一個完全集成的火箭開發、制造和測試設施，其中包括兩個火箭發動機測試臺，使得發動機的設計和制造地點僅距離數百英尺，用于支持開展快速和重復的實驗。

其次是發射階段的快速機動與靈活部署：阿斯特拉太空公司還開發了極為簡化的“便攜式”發射系統，無需建設永久性的發射場，接到發射任務后，火箭以及整個發射系統會被裝進4個標準集裝箱，從公司總部運輸到發射地點，只需要6人團隊在7天內就可以完成發射臺的搭建與火箭射前準備工作，并將衛星載荷送入太空。這種“集裝箱式”的發射方式使火箭發射幾乎可以使用“任意”發射場地：“阿斯特拉”火箭目前在位于美國阿拉斯加的科迪亞克島實施發射，LV0008火箭在卡納維拉爾角的商業發射場進行，2022年還計劃在馬紹爾群島發射。

最后是制定好時間表：阿斯特拉太空公司聲稱計劃在2021年年底實現每月發射一次的頻率，并在未來的2～3年內大幅增加發射計劃，目標是到2025年實現每天發射一次。

4 未來發展與分析

“阿斯特拉”火箭成功入軌的同時，阿斯特拉太空公司收購了星用電推進研制廠家阿波羅聚變公司（Apollo Fusion），并向美聯邦通信委員會（FCC）提交了在近地球軌道上構建13620顆衛星的星座的申請，公司稱未來將努力為客戶提供滿足需求的端到端的一體化服務，看來不久的將來，不僅會有“阿斯特拉”火箭，還將有“阿斯特拉”衛星、“阿斯特拉”星座……而這一切得益于資本市場的重金加持。就在“阿斯特拉”火箭在私營航天領域創造了“最快”入軌火箭記錄的同時，阿斯特拉太空公司在資本市場也刷新了“最快”納斯達克上市的紀錄。

2021年7月，投資人麥考夫（McCaw）與阿斯特拉太空公司達成價值21億美元的交易。隨后，公司創始人克里斯·坎普（Chris Kemp）宣稱：“這筆交易為我們提供了從地球上任何地方每天進入近地球軌道的資金。”通過特殊目的收購公司（SPAC）合并上市，阿斯特拉太空公司雖然不是第一家，但是絕對是獲益最大的一家。“SPAC合并”近兩年在資本市場異軍突起，2020年的募資金額占比超過了傳統的IPO模式，2021年在航天領域掀起“燎原之勢”。維珍軌道公司（Virgin Orbit）、火箭實驗室都先后完成了“SPAC合并”，并獲得數億美元的現金支持，但他們的“SPAC合并”均是發生在獲得首飛成功之后。相比而言，阿斯特拉太空公司作為尚未首飛成功就上市的公司，就能獲得來自投資人和股民們的巨額資金投入，助力其首飛任務，絕對是“SPAC合并”的最大受益者，有了充裕的資金支撐，相信“阿斯特拉”火箭以及阿斯特拉太空公司的未來發展將如沐春風。

5 小結

隨著“阿斯特拉”火箭的入軌成功，美國商業航天領域又添新成員。隨著資本市場推波助瀾，越來越多的風險投資家和創業者逐夢航天。隨著形形色色的小型衛星技術不斷提升，未來的太空市場令人充滿遐想與期待。與阿斯特拉太空公司一樣的航天發射公司，更像只無形的手，讓太空與地球的連接變得越來越密切，越來越尋常，越來越便捷地走進我們的生活。