3D 打印火箭人族-1 測試性飛行的特點分析

劉琳 （北京宇航系統工程研究所）

1 任務簡介

2023 年3 月8 日，美國民營航天公司相對論空間公司（Relativity Space）的人族-1（Terran 1）火箭在美國佛羅里達州卡納維拉爾角發射場進行首次測試性飛行。這次發射任務代號為“GLHF”，意思是“祝你好運，玩得開心”（Good Luck，Have Fun）。

相對論空間公司成立于2015 年，計劃采用3D打印技術、人工智能以及自主機器人相融合的新方法來實現火箭的設計、制造、試驗與飛行任務，近期進軍新型的小型運載火箭市場，遠期幫助構建人類的多星球未來。2020 年以來，相對論空間公司飛速發展，目前已經贏得了包括美國國防部以及一網公司（OneWeb）在內的多家客戶的價值超過數億美元的發射合同訂單。

此次火箭的測試性飛行并沒有攜帶任何客戶的有效載荷，僅攜帶了一枚由該公司第一代3D 打印機所制造的質量約為1.5kg、直徑為16.5cm 的鋁制金屬環，計劃將其送入傾角為28.5°的200km 的近地軌道。

公司的首席執行官蒂姆·埃利斯（Tim Ellis）稱，此次飛行的主要任務是考核3D 打印“產品”能夠真正上天。人族-1 火箭上重量超過85%的結構由3D 打印機制造，是現階段世界范圍內“3D 打印”程度最高的火箭。雖然研制過程經過多次地面試驗考核，但是能否承受飛行力學載荷環境的嚴峻考驗尚不確定，特別是起飛后的最大動壓的飛行環境將對火箭結構帶來巨大挑戰，如果此次測試性飛行成功，它將是全球第一枚入軌的3D 打印火箭，將創造航天制造業的新紀錄。

與此同時，它還將成就：相對論空間公司的首次發射；16 號發射場35 年后的首次發射；人族-1火箭的首次發射；第一枚入軌級的液氧甲烷火箭。

不過，GLHF 任務并沒有預期順利。在當地時間3 月8 日的第一發射窗口，當發射程序進行到倒計時70s 時，因為火箭二級發動機的液氧推進劑溫度超過上限而選擇發射中止，約3h 后，在3 月8 日下午的第二發射窗口，人族-1 火箭又重新進行了一次發射嘗試，不過在起飛前20min 再次取消發射。3 月11 日，相對論空間公司再次進行兩次發射嘗試，第一次在火箭發動機點火后發射中止，第二次在倒計時45s 時發射中止，最終該公司宣布推遲發射。

3 月23 日，人族-1 火箭再次發射，火箭從16號發射場點火起飛，通過了最大動壓時刻，突破結構承載的峰值，順利完成一級飛行、一級發動機關機、一二級級間分離程序，不過二級發動機飛行段工作異常，發動機嘗試了兩次點火都未能產生足夠的推力，最終并未達到目標軌道。不過這次飛行已經創造了“西方首枚超越卡門線的甲烷火箭”的新歷史。

2 典型特點分析

顛覆60 年的航天制造技術

60 年以來，美國傳統的航天制造業依靠星羅密布的大型工廠、錯綜復雜的供應鏈、數以萬計的人工以及經年累月的周期制造著價格昂貴的火箭。近些年，為了降低航天運輸成本，實現更為快速靈活的進出空間方式，美國民營航天可謂八仙過海，各顯神通：太空探索技術公司（SpaceX）給出了可重復使用的完美解決方案，而相對論空間公司則使出了全箭3D 打印的獨門絕技。

人族-1 火箭測試性飛行

他們設計研發了世界上最大的3D 金屬打印機——星門（Stargate）打印機，然后通過不斷改進，現在已經更新到了第四代，打印速度比第一代提高了7 倍，容量是第三代產品的55 倍，性能已經遠超行業標準。第四代的星門打印機，通過水平打印的方式，突破尺寸限制，可以打印直徑為3.4m、高為7.6m的結構部件。采用智能打印方式，使工程師們從對金屬的彎曲、銑削和焊接的工藝中抽身出來，而僅是對機器人進行編程，通過在合適的位置沉積金屬來實現。不僅如此，每臺星門打印機都具備實時檢測、檢查和后處理的能力，并通過計算機視覺、實時遙測技術以及溫度感知等高度融合實現制造過程的全閉環控制，最大限度避免產品缺陷，降低廢品率，提高產品可靠性。

3D 打印技術制造特點

經由星門打印機制造，人族-1 火箭的零件數量不足1000 個，從原材料到全箭的制造時間不足60 天。公司首席執行官蒂姆·埃利斯稱，目前還屬于制造方式發展的早期階段，隨著技術的不斷迭代，還將出現更為高性能的下一代材料，生產速度也會更快。

相對論空間公司不僅可以在地球實現火箭的快速打印，還設想在未來的某一天能夠在火星表面建立一個“小而輕”的工廠，在幾乎不需要地球人參與的條件下使用3D 打印設施，制造出地球人生活所需要的各式各樣的東西。

液氧甲烷發動機前景廣闊

近些年，盡管學者們對于發展液氧甲烷發動機充滿爭議，但是美國、俄羅斯、歐洲都在持續推進其研制計劃，美國太空探索技術公司的“星艦”（Starship）所采用的猛禽-2（Raptor-2）發動機，以及聯合發射聯盟的“火神半人馬”（Vulcan Centaur）火箭采用的BE-4 發動機均已經過多次試驗驗證。人族-1火箭更是有可能成為首枚入軌級“甲烷火箭”。

目前，采用液氧為氧化劑的火箭發動機一般有三種，即：液氧煤油發動機、液氫液氧發動機、液氧甲烷發動機。與液氧煤油發動機相比，液氧甲烷發動機的理論比沖高、推進劑成本低，但是密度比沖低。與液氫液氧發動機相比，液氧甲烷發動機理論比沖低，但是其氧化劑與燃燒劑的低溫差距小，密度比沖高，且價格低廉。

一般而言，可復用性、成本價格、使用維護性、原材料獲取難易程度等代表著發動機技術發展的需求方向，也是發動機設計的重要指標。將三種發動機進行比較，按照密度比沖越高越好，成本價格越低越好，積碳結焦風險越低越好，冷卻難度越小越好，理論比沖越高越好，研制門檻越低越好的原則，對三種類型的發動機進行打分，得分越高者代表對需求的滿足度更高，可見，液氧甲烷發動機略勝一籌。

同時，隨著重復使用技術日漸成為新研航天運載器的設計“標配”，伴隨著高密度發射日漸成為常態，甲烷推進劑不易結焦的特性更加凸顯，頗有成為航天動力新寵的趨勢，勢必將在航天運輸動力領域占據一席之地。面向未來，在星際探索方向，由于甲烷在火星上的大量存在，作為最容易獲取和制造的“火星”推進劑，液氧甲烷發動機的發展更是前景廣闊。

人族-1（左）與人族R（右）火箭外形圖

3 “人族”系列火箭

相對論空間公司的“人族”系列火箭包括此次測試性飛行的人族-1 火箭和未來的人族R 火箭，人族-1 火箭是一款小型的一次性兩級液體火箭，具備將1250kg 的有效載荷送入低地球軌道（LEO）的能力。人族R 火箭為中型的完全可重復使用的兩級液體火箭，具備將20t 的有效載荷送入近地球軌道的能力。

人族——1 火箭

人族-1 火箭是小型一次性運載火箭，用于將小型衛星送入近地球軌道和太陽同步軌道，采用兩級的液氧甲烷動力系統，高約35m，直徑2.3m，此次用于測試性飛行的人族-1 火箭由于采用封閉式錐形結構替代了火箭原有的有效載荷整流罩，所以高度僅為33.5m。

全箭重量約85%的部件由相對論空間公司的星門3D 打印機制造，包括火箭內部的復雜零件、發動機大部分零件、推進劑儲箱以及級間分離系統等。通過這種制造方式，此枚人族-1 火箭的零件總數量降低了至少兩個數量級，總數不足1000 個，并將火箭從原材料到整箭的制造周期縮短到60 天內，大量節約了時間與人工成本。

人族-1 火箭的有效載荷整流罩高度為6.8m，直徑為3m，殼體為金屬材料，采用蚌殼式，整流罩內部有效包絡范圍直徑2.54m，高度5.588m，柱段長度3.165m，標準有效載荷接口為986mm，配有一個攝像頭用于監控衛星與火箭的動態分離過程。人族-1 火箭可以適應多種有效載荷，滿足單星或者多星發射任務需求，任務時長最多可達2.5h。

動力系統共使用10 臺永世-1（Aeon-1）發動機，是一種開放式循環的液體發動機，采用液氧作為氧化劑、燃燒劑為液壓天然氣（含有97%的甲烷與3%的其他天然氣）。其中火箭一子級采用9 臺永世-1 發動機，起飛推力約900kN；二子級采用真空版永世-1發動機，推力約126kN。

電氣系統采用單總線與模塊化設備相結合方式，通過增加或者減少模塊化組件來滿足不同任務的個性化需求，整體采用架構式設計，盡可能減少開發設計過程并簡化操作流程。

最大運載能力為將1250kg 的有效載荷送入185km 的近地球軌道、將900kg 的有效載荷送入500km 的太陽同步軌道，或者將700kg 有效載荷送入1200km 的太陽同步軌道。此次GLHF 任務飛行程序約8min，目標軌道為傾角為28.5°的200km近地球軌道。

人族R 火箭

人族R 火箭名字中的R 代表Reusable，意思是重復使用，表明該火箭是一款完全可重復使用的火箭。該公司稱人族R 火箭的設計靈感來源于大自然，它擁有獨特的，由算法創造的氣動外形，目的是便于進出大氣層。人族R 火箭運載能力與SpaceX 公司的獵鷹-9（Falcon-9）火箭相當，設計目標是將20t 有效載荷送入近地球軌道。

該火箭將使用第四代星門打印機生產制造。火箭一子級采用7 臺永世R（Aeon R）發動機，二子級采用真空版發動機，預計于2024 年在卡納維拉爾角發射基地進行首次飛行試驗，并于2025 年起發射OneWeb 公司的第二代衛星。

人族R 火箭未來還將用于為商業和政府客戶提供面向更遠的軌道、更經濟的空間投送能力，并最終成為一艘能夠在地球、月球以及火星之間執行任務的點對點的貨運平臺。

人族-1 火箭飛行程序

人族R 火箭獨特的氣動外形

4 總結

人族-1 火箭是一枚“小而美”的火箭，它正在航天制造領域另辟蹊徑，試圖從根本上改變航天制造行業的設計與運營方式，從而大幅提高規模生產能力，以極大的靈活性滿足市場需求；還有可能在這個方興未艾的液氧甲烷動力時代拔得頭籌，成為首枚入軌級的“甲烷火箭”，真正改寫航天動力史。