西班牙首枚國(guó)產(chǎn)商業(yè)火箭繆拉-1研制動(dòng)態(tài)分析

楊青格 吳洪洋 王歡（ 北京航天動(dòng)力研究所 中國(guó)兵工學(xué)會(huì)）

2023 年10 月7 日凌晨2 時(shí)19 分，西班牙航空航天運(yùn)載公司（PLD Space）在安達(dá)盧西亞大區(qū)韋爾瓦省的埃爾·阿雷諾西洛實(shí)驗(yàn)中心（El Arenosillo Experimentation Center），成功發(fā)射了首枚全國(guó)產(chǎn)的繆拉-1（MIURA-1）火箭，但后續(xù)的海上回收工作未能順利完成。

繆拉-1 是西班牙第一枚全國(guó)產(chǎn)商業(yè)運(yùn)載火箭，標(biāo)志著西班牙航天技術(shù)邁上了新的臺(tái)階。本文梳理了繆拉-1火箭的研發(fā)背景，介紹了該火箭的構(gòu)型和動(dòng)力系統(tǒng)，揭示了繆拉-1 火箭的成功發(fā)射對(duì)于西班牙、歐洲乃至全世界的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)影響。

1 研發(fā)背景

長(zhǎng)期以來(lái)，西班牙等歐洲國(guó)家由于航天技術(shù)不足，需要與美國(guó)或者俄羅斯合作。2022 年俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后，歐洲各國(guó)便無(wú)法再繼續(xù)使用俄羅斯“聯(lián)盟”（Soyuz）系列運(yùn)載火箭，加之“阿里安”（Ariane）火箭遇到發(fā)展瓶頸，因此歐洲各國(guó)對(duì)新款運(yùn)載火箭的需求迫在眉睫，“繆拉”系列應(yīng)運(yùn)而生。

“繆拉”系列的首枚火箭繆拉-1 由西班牙航空航天運(yùn)載公司出品，計(jì)劃在亞軌道區(qū)域內(nèi)（距離地面高度在130～150km 之間）飛行，旨在對(duì)微重力環(huán)境下的火箭進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)研究或技術(shù)開(kāi)發(fā)。

西班牙航空航天運(yùn)載公司創(chuàng)立于2011 年，創(chuàng)始人為勞爾·托雷斯和勞爾·維爾杜，總部位于西班牙的埃爾切，在特魯埃爾、韋爾瓦和法屬圭亞那等地均設(shè)有技術(shù)設(shè)施，人員規(guī)模200 人。該公司是西班牙航空航天領(lǐng)域的先驅(qū)代表，在歐洲的可重復(fù)使用火箭技術(shù)領(lǐng)域中處于非常領(lǐng)先的地位。西班牙航空航天運(yùn)載公司成立后，迅速搭建了火箭測(cè)試實(shí)驗(yàn)室，設(shè)計(jì)了專屬的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，開(kāi)始拉贊助并吸收公共和私人投資。該公司對(duì)繆拉-1 火箭投入了很多人力和財(cái)力，旨在打造一款驗(yàn)證火箭技術(shù)可行性的試驗(yàn)樣機(jī)，并在2023 年5 月和6 月先后兩次發(fā)射繆拉-1 火箭，但均因客觀原因而推遲發(fā)射。

當(dāng)排查一切故障后，2023 年10 月7 日，火箭成功發(fā)射。作為歐洲境內(nèi)商業(yè)性質(zhì)火箭發(fā)射任務(wù)的首次成功，繆拉-1 火箭為歐洲大陸帶來(lái)了新的希望。

2 火箭構(gòu)型及動(dòng)力系統(tǒng)

繆拉-1 火箭為一款單級(jí)的亞軌道火箭，具備可重復(fù)使用技術(shù)，采用了海上回收的方式。箭體的長(zhǎng)度為12m，直徑為0.7m，近地軌道的最大有效載荷為540kg，具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 繆拉-1 火箭的基本參數(shù)

繆拉-1 火箭設(shè)有4 個(gè)獨(dú)立的有效載荷隔間。每個(gè)隔間的直徑為0.59m，高度為0.26m，有效載荷為25kg。可提供基本的質(zhì)量估計(jì)、電源、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下行鏈路服務(wù)。其航空電子設(shè)備則包括：遙測(cè)系統(tǒng)、電力存儲(chǔ)和配電系統(tǒng)、專用有效載荷計(jì)算機(jī)、傳感器調(diào)節(jié)和采集器。

繆拉-1 火箭的動(dòng)力系統(tǒng)配備了一臺(tái)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Teprel-B，推進(jìn)劑為液氧煤油，其他具體參數(shù)見(jiàn)表2。2021 年，TEPREL-B 被評(píng)估為歐洲研制的首臺(tái)“具有太空飛行資格的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”。根據(jù)飛行計(jì)劃可知，繆拉-1 火箭的總飛行時(shí)長(zhǎng)原定可以達(dá)到12min，并提供3～4min 的微重力時(shí)間。

表2 繆拉-1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)Teprel-B 的基本參數(shù)

3 本次發(fā)射詳情及后續(xù)發(fā)展

發(fā)射詳情

本次發(fā)射任務(wù)是繆拉-1 火箭在本年度經(jīng)歷的第三次發(fā)射。第一次為2023 年5 月28 日，由于高空突發(fā)強(qiáng)風(fēng)天氣，繆拉-1 火箭的發(fā)射任務(wù)不得不被迫中止。第二次為2023 年6 月，當(dāng)西班牙航空航天運(yùn)載公司準(zhǔn)備再一次嘗試發(fā)射繆拉-1 火箭時(shí)，火箭航空電子設(shè)備艙的臍帶電纜沒(méi)有及時(shí)全部展開(kāi)，因此不得不中斷了火箭的升空計(jì)劃。

2023 年10 月7 日，在埃爾·阿雷諾西洛實(shí)驗(yàn)中心，隨著15s 倒計(jì)時(shí)的結(jié)束，繆拉-1 火箭噴射著劇烈的火焰騰空而起。在持續(xù)飛行306s 后，繆拉-1 順利上升到加迪斯灣上空，到達(dá)46km 后開(kāi)始調(diào)整飛行方向準(zhǔn)備下降，離開(kāi)微重力區(qū)后打開(kāi)了主降落傘。在減速板和主降落傘的幫助下，繆拉-1 降落在了韋爾瓦海岸附近。隨后，西班牙航空航天運(yùn)載公司派出了自由-6 救援船（Libertad-6）打撈繆拉-1 火箭。

此次繆拉-1 火箭在發(fā)射升空過(guò)程中攜帶并釋放了來(lái)自德國(guó)不萊梅大學(xué)應(yīng)用空間技術(shù)和微重力中心（ZARM）的載荷材料,質(zhì)量為100kg。火箭的推進(jìn)器還使用了常見(jiàn)的航空燃油，型號(hào)為Jet A1。繆拉-1火箭在執(zhí)行本次發(fā)射任務(wù)時(shí)，飛抵距地表46km 的高度后便立即選擇返航，并成功降落在韋爾瓦附近的大西洋海域，整個(gè)飛行過(guò)程僅持續(xù)約5min。火箭在發(fā)射前完成了靜態(tài)測(cè)試，也被稱為熱測(cè)試，即在不離開(kāi)發(fā)射臺(tái)的情況下驗(yàn)證了火箭系統(tǒng)的完美運(yùn)行(包括啟動(dòng)、溫度和壓力等技術(shù)要素)。在該靜態(tài)測(cè)試中，繆拉-1 火箭維持滿負(fù)荷成功運(yùn)轉(zhuǎn)了5s。

繆拉-1 運(yùn)載火箭上的回收系統(tǒng)原定的計(jì)劃是可將整個(gè)火箭安全送回地面，將有效載荷返還給客戶，整個(gè)火箭可再次使用。原定計(jì)劃是當(dāng)火箭進(jìn)入大氣層后，需要逐一打開(kāi)兩個(gè)降落傘,從而有序減緩繆拉-1火箭的下降速度；最后，繆拉-1 火箭以10m/s 的速度墜落，通過(guò)標(biāo)定的GPS 定位和信標(biāo)系統(tǒng)，可以快速找到漂浮在海面上的火箭，并用船將其打撈上來(lái)。但在本次飛行試驗(yàn)中，繆拉-1 火箭飛行未能進(jìn)入既定高度（80km），最后未能成功回收，雖然如此，也并未對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成太大的影響，因?yàn)橐呀?jīng)收集到了后續(xù)發(fā)射工作所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。繆拉-1 火箭的回收現(xiàn)場(chǎng)如圖1 所示。

圖1 繆拉-1 火箭的回收現(xiàn)場(chǎng)

本次繆拉-1 火箭的目的地為亞軌道區(qū)域，盡管其飛行軌跡范圍低于把有效載荷送入既定軌道所需的高度（通常為100km），但也足以令有效載荷成功離開(kāi)地球大氣層，到達(dá)太空區(qū)域。在本次飛行期間，繆拉-1 火箭按計(jì)劃驗(yàn)證了火箭系統(tǒng)的可行性，而且從遙測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，分析可能應(yīng)用于繆拉-5 火箭的改進(jìn)措施。就火箭元件和技術(shù)而言，繆拉-5 火箭和繆拉-1 火箭的相似度將高達(dá)70%。

后續(xù)發(fā)展

盡管本次飛行距離十分有限，但足以代表西班牙民用商業(yè)航天領(lǐng)域的巨大飛躍。西班牙航空航天運(yùn)載公司的下一步目標(biāo)是在2025 年發(fā)射繆拉-5 火箭。繆拉-5 是一枚雙子級(jí)的可回收型運(yùn)載火箭，能夠?qū)?40kg 的有效載荷送入低地球軌道（LEO）。當(dāng)有效載荷順利入軌后，火箭一級(jí)將通過(guò)使用降落傘回收的方式實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用。如圖2 所示，與繆拉-1 相比，繆拉-5 火箭的質(zhì)量將大大增加，長(zhǎng)度約為34m，發(fā)射地點(diǎn)為法屬圭亞那的庫(kù)魯航天港。

圖2 繆拉-1 火箭和繆拉-5 火箭對(duì)比圖

如果一切順利，西班牙航空航天運(yùn)載公司將會(huì)為世界各國(guó)的空間機(jī)構(gòu)和政府，以及大型的航天運(yùn)營(yíng)商提供衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)。目前，該公司已經(jīng)與歐洲航天局（ESA）和歐盟簽署了合同，贏得了大量的資金和技術(shù)支持。第一枚繆拉-5 火箭將耗資高達(dá)6000 萬(wàn)歐元。當(dāng)收支平衡并完善可重復(fù)使用技術(shù)后，西班牙航空航天運(yùn)載公司計(jì)劃每年發(fā)射約14 次繆拉-5 火箭，每次發(fā)射的平均成本均低于500 萬(wàn)歐元，從而使公司在這一新興的運(yùn)載器市場(chǎng)中盈利。

4 現(xiàn)實(shí)意義

此次繆拉-1 火箭的飛行目的主要是盡可能多地收集相關(guān)的火箭飛行信息，以便進(jìn)一步驗(yàn)證火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且在未來(lái)繼承并集成到繆拉-5 運(yùn)載火箭的技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)踐應(yīng)用中。

西班牙航天研發(fā)能力進(jìn)一步提升

這是第一枚全部采用了西班牙航天技術(shù)的火箭，被譽(yù)為“西班牙航天研發(fā)能力順利進(jìn)入太空運(yùn)輸領(lǐng)域前沿的里程碑”。雖然繆拉-1 火箭在本次發(fā)射中僅飛行了5min，與原定的12min 飛行時(shí)間還尚有一段差距，飛行高度也未能達(dá)到既定的81～150km，但這仍然標(biāo)志著西班牙在太空之路中的努力和成果，尤其是可回收火箭技術(shù)方面邁出了具有重大歷史性的一步。通過(guò)簡(jiǎn)化發(fā)射程序，將飛行試驗(yàn)與發(fā)射裝置集成，西班牙航空航天運(yùn)載公司不僅縮短了整個(gè)飛行任務(wù)的時(shí)間，還簡(jiǎn)化了飛行試驗(yàn)與發(fā)射裝置之間的接口。

為歐洲太空事業(yè)注入了新的活力

繆拉-1 可重復(fù)使用火箭不僅是代表某一枚火箭的發(fā)射成功，更是被賦予了非常深厚的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)于歐洲航天界來(lái)說(shuō)，它不僅展示了西班牙航空航天運(yùn)載公司在航天事業(yè)中的領(lǐng)先地位，也為歐洲航天產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的希望。在某些層面上，甚至還可以與美國(guó)等國(guó)家的商業(yè)航天公司相互制衡，為歐洲商業(yè)航天贏得自由的發(fā)展空間和良好的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

同時(shí)，繆拉-1 的研發(fā)和成功發(fā)射為歐洲民營(yíng)航天企業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。對(duì)于歐洲的航天公司來(lái)說(shuō)，西班牙航空航天運(yùn)載公司的此番成果，無(wú)疑將會(huì)為其帶來(lái)巨大的動(dòng)力和寶貴的借鑒意義。尤其是2023 年1 月，自維珍軌道公司（Virgin Orbit）從英國(guó)發(fā)射一枚火箭的行動(dòng)失敗后，歐洲能否將小型衛(wèi)星順利送入太空受到了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注。目前除了西班牙之外，蘇格蘭、瑞典和德國(guó)等地的多家公司也加入了小型有效載荷升空的航天技術(shù)競(jìng)賽。

5 結(jié)語(yǔ)

作為一款試驗(yàn)型火箭，繆拉-1 可謂圓滿完成了任務(wù)，收集到了很多非常重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為后續(xù)繆拉-5 火箭的發(fā)射奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。這款西班牙首枚全國(guó)產(chǎn)火箭代表了西班牙乃至歐洲境內(nèi)民營(yíng)商業(yè)航天的技術(shù)水平，為歐洲航天界贏得了一定的發(fā)展空間。隨著“繆拉”系列火箭的不斷完善，歐洲航天運(yùn)載火箭庫(kù)將會(huì)得到有效的擴(kuò)充。