火箭未飛，訂單到手
——簡析用于柯伊伯星座建設的3種新火箭

文/湯川學

▲ 宇宙神5火箭被選擇發(fā)射最初9組柯伊伯衛(wèi)星

▲ “柯伊伯”計劃簽訂的3款新運載火箭

亞馬遜，這個名字對于大多數(shù)人來說可能是一個專注于電商平臺的公司，但是亞馬遜公司作為美國互聯(lián)網(wǎng)科技企業(yè)五巨頭之一，世界上最大的跨國科技企業(yè)之一，其產(chǎn)業(yè)布局相當廣泛，云計算、人工智能等科技前沿產(chǎn)業(yè)，“亞馬遜”也一直有所研究。

亞馬遜公司的創(chuàng)始人，杰夫·貝索斯早在世紀初便成立了藍色起源公司，布局了航天產(chǎn)業(yè)，面對著互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座這一片藍海，他當然不會放過。2019年，“亞馬遜”提出了其自有的星座計劃，命名為柯伊伯，名字來源于知名荷蘭裔美國天文學家杰拉德·柯伊伯，他的名字也被用于命名在海王星軌道附近的小行星帶。

“亞馬遜”希望柯伊伯衛(wèi)星星座能為世界各地未得到網(wǎng)絡或當?shù)鼗ヂ?lián)網(wǎng)服務不足的社區(qū)提供低延遲、高速互聯(lián)網(wǎng)。“一網(wǎng)”“星鏈”等互聯(lián)網(wǎng)星座已經(jīng)開始逐步鋪開，相比于同時期的競爭者，“柯伊伯”的起步較晚，進度明顯落后。

2022年4月5日，亞馬遜公司宣布，將會從聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟、藍色起源公司、阿里安空間公司購買發(fā)射服務，簽下了大約80個發(fā)射合同，以發(fā)射其搭建互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座所需要的3236顆衛(wèi)星，造就了有史以來最貴的商業(yè)航天發(fā)射合同。接下來我們按80發(fā)來計算，分別來看一下這3家公司占總發(fā)射數(shù)量的比例（數(shù)字精確到個位數(shù)）。

其中聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟將提供38發(fā)火神火箭和之前就已經(jīng)被定下的9發(fā)宇宙神5火箭，占比約為59%；“藍色起源”將提供12發(fā)新格倫火箭，若有需要可以再加上3發(fā)，若按15發(fā)來算，占比約為19%；“阿里安”將提供18發(fā)阿里安6火箭，占比約為22%。

▲ 柯伊伯衛(wèi)星星座發(fā)射合同分布餅狀圖

“火神”“新格倫”和阿里安6火箭都是尚未飛行過的火箭。而另一家公司，美國ABL空間公司在2021年11月宣布與亞馬遜公司達成合作，該公司的首飛火箭RS-1將會攜帶柯伊伯星座的實驗星KuiperSat-1和KuiperSat-2計劃在2022年的第四季度升空，不過這型火箭將不在本文介紹，而“宇宙神5”作為老火箭也不參與討論。除開其夸張的合同價格外，其將使用的3種新火箭也頗引人關注。

ULA的下一代當家火箭——火神

火神（Vulcan）火箭由美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟研發(fā)，是用于接替其金牌火箭——“宇宙神5號”的下一代新型火箭。其一級發(fā)動機采用“藍色起源”開發(fā)的BE-4液氧甲烷發(fā)動機，上面級采用聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟最新研制的半人馬V，可使用的固體助推器為諾格創(chuàng)新公司與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟共同研制的GEM-63XL。2014年爆發(fā)的烏克蘭危機是推動火神火箭研發(fā)的重要契機，由于美國和俄羅斯之間的關系驟然緊張，采用俄羅斯RD180發(fā)動機的宇宙神5火箭引發(fā)了美國政府的擔憂，因為聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟承擔了相當多的高度敏感的國防機密業(yè)務，發(fā)射了大量極為重要的載荷。隨著剩余的“宇宙神5”的全部賣出，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟對下一代能接過“宇宙神5”接力棒的新型火箭的需求也變得十分迫切。

除了安全問題，來自太空探索技術公司的強力挑戰(zhàn)也是推動火神火箭開發(fā)的重要推手之一，其獵鷹9號火箭的成本優(yōu)勢已經(jīng)不容忽視。在不斷搶奪聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的主要收入來源國防訂單的同時，該公司的獵鷹重型火箭直接挑戰(zhàn)了聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟長期以來對大型載荷發(fā)射的近乎壟斷的地位。為了能夠降低成本以面對強力競爭，研發(fā)一款成本相比于“宇宙神5”更低的高性能火箭勢在必行，而火神項目也就在2014年左右邁入正軌。

▲ “火神2.1”引擎試車

火神火箭一級直徑5.4米，高33.3米，使用2臺由藍色起源公司研發(fā)的BE-4液氧甲烷發(fā)動機，采用分級燃燒循環(huán)。該發(fā)動機曾經(jīng)與美國洛克達因公司的AR-1液氧煤油發(fā)動機相競爭，并最終取得勝利。

BE-4的開發(fā)從2011年時便已經(jīng)開始，但是直到現(xiàn)在，“藍色起源”也沒有將可飛行版本的BE-4交付給聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟。該發(fā)動機的研發(fā)進度一直比較緩慢，火箭的首飛時間也不斷受到影響。單臺BE-4發(fā)動機的官方宣傳海平面推力為2.4兆牛，兩臺加起來的性能比單臺RD180的4.15兆牛要高。“火神”一級在研發(fā)時考慮過可回收方案，“藍色起源”CEO鮑勃·史密斯曾對媒體表示，BE-4最多可以使用100次。對于可復用，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟曾經(jīng)提出過一個叫“SMART”的方案：在一級分離后，一級的火箭發(fā)動機將切斷與一級的聯(lián)系，然后使用隔熱罩重返大氣層并在合適高度開傘，由接應的直升機用掛鉤勾住降落傘在空中接走返回。這個方法與美國早期間諜衛(wèi)星將拍攝后的膠卷傳回地面的方法幾乎如出一轍，但是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟對該火箭的復用方案尚未官宣。據(jù)稱首飛時將使用的兩臺BE-4正在進行組裝。5月5日，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟CEO在其社交媒體賬號上放出了已經(jīng)進行涂裝的火神燃料儲箱照片。

“火神”所使用的半人馬V上面級由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟研發(fā)，直徑5.4米，長11.7米，使用兩臺洛克達因公司生產(chǎn)的RL10C液氫液氧發(fā)動機。作為久經(jīng)征戰(zhàn)的半人馬系列的最新一員，其性能相比于本來就優(yōu)秀的前輩有了更進一步的提升。據(jù)稱用于結(jié)構(gòu)測試的上面級已經(jīng)接近完成，首飛用的上面級正在制造中。而采用了3D打印技術的RL10CX預計將在2023年被使用。

“火神”所使用的GEM-63XL固體助推器由諾格創(chuàng)新公司與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟共同研發(fā)。助推器直徑約1.6米，高21.9米。根據(jù)諾格創(chuàng)新公司推進系統(tǒng)副總裁查理·普雷考特所說，GEM-63XL的性能相比于“宇宙神5”目前使用的GEM-63提高了15%到20%。該火箭與“宇宙神5”相似，可以根據(jù)載荷的重量和載荷需要進入的軌道靈活地選擇助推器數(shù)量，助推器數(shù)量有0、2、4、6四種方案可供選擇。該助推器在2020年8月13日進行了第一次測試。諾格創(chuàng)新公司總裁兼首席執(zhí)行官凱西·沃登在4月28日對媒體表示，該公司預計將與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟簽訂一份價值20億美元的固體火箭助推器合同。

火神火箭使用不同整流罩和固體助推器的型號的命名方式與宇宙神5系列不同。火神火箭每一個型號都由四個字符構(gòu)成。比如VC4L，第一個字母V指代其火箭一級；C指代Centaur，指代其使用的半人馬V上面級；后面的數(shù)字指代其所使用的固體助推器數(shù)量，這里的4則代表該型號使用了4根固體助推器；L指代其所使用的整流罩長度。“火神”擁有兩種長度、同等寬度的整流罩，標準版整流罩高度為15.5米，直徑為5.4米，名稱代號S；加長版整流罩長度為21.3米，寬度為5.4米，名稱代號L。這個名字可解讀為采用了Vulcan一級，半人馬V上面級，使用了4根固體助推器，使用了加長整流罩的火箭。火箭若使用標準整流罩高約61.6米，若使用加長版高約67.4米。

火神火箭的加長版整流罩中還可以加入一個可以高效利用整流罩內(nèi)部空間的模塊，其官方名稱是Multi-Manifest。其本質(zhì)上是一種可以在整流罩中提供更大固定點，以存放更多衛(wèi)星的裝置，這種裝置對于需求量大但是體積較小的立方星衛(wèi)星來說十分友好。“火神”的整流罩將由赫赫有名的原RUAG空間，現(xiàn)Beyond Space提供，他們也為“宇宙神5”生產(chǎn)整流罩。

根據(jù)目前的官方資料，火神火箭運載能力近地軌道（200千米高度，傾角28.7度）為10.8～27.2噸，地球同步軌道（高度35786千米，傾角0度）為2.6～7噸，地球轉(zhuǎn)移軌道（高度35786千米，傾角27度）為3.5～14.5噸，中地球軌道（高度20368千米，傾角55度）為3.9～8.1噸，地月轉(zhuǎn)移軌道為2.3～11.5噸。

命途多舛的新格倫火箭

新格倫火箭是由藍色起源公司所研發(fā)的一款火箭。新格倫火箭相對于同樣使用BE-4發(fā)動機作為火箭一級發(fā)動機的火神火箭，其研發(fā)進度緩慢，首飛時間不斷推遲。而最新的消息是，“新格倫”至少要到2023年才能進行第一次發(fā)射，推遲到2024年甚至遠的可能性也有，其數(shù)據(jù)上的不確定性較大。甚至在外形上，與剛發(fā)布時相比，現(xiàn)在的新格倫火箭的外形也有很大的變化。根據(jù)其官網(wǎng)在2020年發(fā)布的視頻，其高度達到了98米，寬7米，相當高大。

新格倫火箭項目啟動的時間較早，據(jù)稱早在2012年便已經(jīng)開始，但是直到2016年才正式公布了“新格倫”這個名字。這個名字來源于美國首位進入到軌道的航天員約翰·格倫。寬達7米的火箭直徑，使得其整流罩內(nèi)能裝載更大的載荷。

新格倫火箭在設計上是一種可重復使用火箭，其一級可以像“獵鷹9號”一樣在其專用回收船上著陸。一級上有6條著陸腿。其一級的設計有許多特點，中部有兩條如同機翼一般的橫條，官方稱它們可以為返回時的一級提供更多的升力；用于控制一級的四個氣動舵面與“獵鷹9號”上的四個格柵舵不同，更類似于魚鰭。其一級上安裝了7臺BE-4發(fā)動機，海平面推力約為17兆牛。

▲ BE-4發(fā)動機引擎

新格倫火箭二級的方案曾做過修改，在之前的方案中，“新格倫”將使用一臺BE-4U發(fā)動機作為二級，但是在2018年改成了現(xiàn)在方案中的使用兩臺BE-3U液氫液氧發(fā)動機，即現(xiàn)有的新謝潑德火箭在使用的發(fā)動機的改造版，原因可能是原方案需要的研發(fā)時間不足。如果載荷有需要，新格倫火箭還可以增加一個上面級。

進入2022年，來自新格倫火箭的最新消息是其所使用的7米整流罩進行了分離測試，但是火箭其他部件截至筆者寫作本文時仍然沒有實物畫面，整體進展如何仍然未知。這款火箭也是這3種火箭中不確定性最大的一種。

根據(jù)目前的官方資料，新格倫火箭近地軌道運力可以達到45噸，地球轉(zhuǎn)移軌道運力可以達到13噸。

扛起歐洲航天的未來新星——阿里安6

阿里安6火箭是阿里安空間公司所研制的，準備用于取代現(xiàn)有的“阿里安5”的新一代火箭，整個歐洲都對其寄予厚望。這種火箭是3種火箭里面唯一不可回收的火箭，這與其當初選擇可擴展性優(yōu)先相關。其研制初衷是希望可以盡可能降低發(fā)射成本，所以在其發(fā)展的過程中成本控制始終是重點。

由于歐洲火箭工業(yè)分布在歐洲多國，其研制也是由十幾個國家共同完成，所以其發(fā)展也不斷地受到各種因素的影響。2021年7月，根據(jù)媒體報道，法國和德國簽署了一項臨時協(xié)議，通過每年額外提供1.4億歐元的資金來保護“阿里安6”的未來，其中涉及到一些部件的生產(chǎn)地問題，比如將“阿里安6”的上面級——芬奇引擎的生產(chǎn)從位于弗農(nóng)的法國工廠轉(zhuǎn)移到位于蘭波茨豪森的德國工廠，由此引發(fā)了一些勞動糾紛和利益爭奪，還被提交到了歐洲議會上進行討論。

“阿里安6”在2012年剛開始提出時使用了一種叫“PPH”的方案，它的一級，二級和助推器全部由固體發(fā)動機組成，而上面級則使用了原本打算用于阿里安5ME的芬奇發(fā)動機提供動力，成本確實明顯降低，設計目標是每次發(fā)射價格為7000萬歐元。不過這個方案并沒有被采用，而是在2014年被替換為阿里安6.1和6.2方案，并在幾年中不斷完善，外型也有了改變，逐漸成為了如今我們看到的兩種阿里安6構(gòu)型，阿里安62和阿里安64。

“阿里安6”的一級直徑5.4米，整個火箭的全長約為62米。阿里安6火箭的一級只有一臺發(fā)動機，該發(fā)動機由“阿里安5”的一級發(fā)動機，火神2液氫液氧發(fā)動機改進而來，名為火神2.1發(fā)動機。該發(fā)動機由法國賽峰公司作為總承包商，歐洲多家企業(yè)共同開發(fā)。該發(fā)動機采用燃氣發(fā)生器原理，相比于“火神2”性能并沒多大提升，海平面推力約1.3兆牛。主要改進在于簡化生產(chǎn)工藝，降低生產(chǎn)成本，許多部件為3D打印制造，對噴嘴進行了重新設計，簡化了生產(chǎn)流程。該引擎2018年1月在德國蘭波茨豪森進行了首次試車。

▲ 新格倫火箭

▲ 阿里安62與64火箭對比圖

▲ RS-1小運載將在2022年后兩個季度發(fā)射兩顆Kuiper-Sat試驗衛(wèi)星

“阿里安6”的固體助推器是一大重點。相比于“阿里安5”的兩個大型固體助推器，“阿里安6”可以靈活按照任務的需要，使用2個或者4個的搭配，其使用的P120C固體助推器由意大利阿維歐公司和阿里安公司聯(lián)合研發(fā)，C代表通用，寬3.4米，長11.7米。它也是阿維歐公司的織女星C火箭的一級，這種通用形式也是降低成本的方法之一。其單個推力約為4.5兆牛，在給“亞馬遜”的18次發(fā)射中，將有16次發(fā)射會使用P120C的改進型P120C+，這一改進型將助推器的長度拉長了1米，這將使“阿里安64”的有效載荷性能提高約2噸。該助推器在2018年7月完成了第一次試車。

“阿里安6”所使用的上面級直徑5.4米，采用由阿里安公司研制的芬奇引擎。該引擎為液氫液氧引擎，采用了膨脹循環(huán)，與目前仍在“阿里安5”上服役的HM7B相比，最大的特點是可以在關機后重新啟動達5次，性能上更是全面占優(yōu)。其真空推力約為180千牛，是HM7B的近3倍，比沖也比HM7B更高。

“阿里安6”的整流罩直徑5.4米，高20米，比“阿里安5”的還要高3米。它也為商業(yè)任務進行了特別定制，更大的整流罩能裝得下更多的衛(wèi)星，載荷搭配也可以更加靈活，從大型科學載荷到各種微小衛(wèi)星再到星座布置，“阿里安6”所使用的衛(wèi)星適配器都可以滿足需求。“阿里安6”的整流罩也將由瑞士RUAG空間公司提供，他們也為“阿里安5”生產(chǎn)整流罩。

“阿里安6”對于阿里安公司來說不僅僅只是阿里安5的下一代火箭，更是決定了阿里安公司能否立足于未來航天發(fā)射市場的救命稻草。

根據(jù)目前的官方資料，阿里安62的運載能力近地軌道為10.3噸，太陽同步軌道為6.5噸，地球轉(zhuǎn)移軌道為4.5～5噸，中地球軌道性能為1.7噸，地月轉(zhuǎn)移軌道性能為2.8～3噸。阿里安64的運載能力近地軌道為20噸，太陽同步軌道為15噸，地球轉(zhuǎn)移軌道為12噸，地月轉(zhuǎn)移軌道為8.2～8.5噸。

柯伊伯星座建設的3型新火箭情況差異較大，各自的項目進展也各不相同。但是作為全新誕生的火箭，我們也可以一窺目前火箭的發(fā)展趨勢，那便是想盡辦法壓低成本，或者靠回收技術，或者靠降低各個部件的生產(chǎn)成本，以迎合逐漸壯大的商業(yè)航天市場。

現(xiàn)在回過頭來分析一下柯伊伯星座發(fā)射合同的分布餅狀圖，其實不難看出，雖然聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟占的百分比最多，但是“藍色起源”也能在其中得到大量利益。關鍵就在于火神火箭和新格倫火箭的一級發(fā)動機，“藍色起源”的掌上明珠——BE-4發(fā)動機。此前曾經(jīng)有傳聞稱聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟由于不滿BE-4的進度，準備轉(zhuǎn)向原來落選的AR-1，但是后來其CEO在媒體上發(fā)表聲明說火神的發(fā)動機已經(jīng)不會更改，他們?nèi)匀幌嘈拧八{色起源”可以順利完成BE-4發(fā)動機的研發(fā)工作，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟和“藍色起源”之間的合作仍然緊密。BE-4驅(qū)動了大部分發(fā)射柯伊伯星座的火箭，重要性不言而喻。從變種角度來說，這個史詩級火箭發(fā)射大單本身也算是一種“亞馬遜”對“藍色起源”的變相投資。

“亞馬遜”在2020年7月獲得了柯伊伯星座的美國聯(lián)邦通信委員會認證，如果想要得到保留，那么必須在2026年之前發(fā)射至少50%的衛(wèi)星，也就是1618顆衛(wèi)星，距離現(xiàn)在還有不到4年的時間。其后，在2029年之前“柯伊伯”剩余的衛(wèi)星必須全部發(fā)射升空。想要實現(xiàn)這個目標，這3家得加快他們的腳步了，尤其是“藍色起源”。