火箭实验室电子火箭发展概况

　　2020年2月14日，美国小型卫星发射公司火箭实验室（Rocket Lab）宣布，NASA已授予其价值995万美元的发射合同，价值995万美元，以发送价值1370万美元的Cislunar自主定位系统技术运营和导航实验（CAPSTONE）CubeSat进入月球轨道。换句话说，NASA已经签下了一项完整的科研任务，总费用不到2500万美元，与上半个世纪进行的所有行星际探险相比，价格几乎是难以置信的便宜。火箭实验室的微小型火箭，从最初的不被看好，到如今的超过10次的发射，并与NASA签订了合同，将其服务范围扩大到地球轨道以外，其发展十分迅速。

　　电子火箭配置与性能

　　2013年，该公司开始研发两级轨道火箭，起名为电子火箭（Electron），旨在发射小型或微型卫星入轨。这项工作包括开发卢瑟福发动机，该发动机使用由锂聚合物电池供电的无刷直流电动机为其涡轮泵供电，从而取代了通常的气体发生器。

　　Electron发动机结构

　　Electron的设计目标为专用于发射小型卫星，每次任务的费用约为490万美元。该设计采用了创新的碳复合材料储罐来容纳煤油燃料和低温液氧。九台卢瑟福发动机为第一级提供了动力。一台卢瑟福真空发动机为第二级提供动力。

　　起飞时Electron重12.55吨，它的直径为1.2米，站立高度为17米。第一级的高度为12.1米，第二级的高度为2.4米，有效载荷整流罩为2.5米。该火箭旨在将150公斤有效载荷提升至500公里的太阳同步轨道。

　　Electron火箭性能参数

　　卢瑟福火箭发动机是第一个由电动泵供油的发动机，电动泵由锂聚合物电池供电。第二级使用三个“热交换”电池，其中两个一旦耗尽就被抛弃以脱落质量。第一级有九个卢瑟福引擎，第二级则为一个真空优化版本。第一级发动机在303秒的真空比脉冲下产生16.53吨的海平面推力，第二级发动机以333秒的特定脉冲产生2.268吨的推力。发动机的几乎所有零件都是3D打印的。

　　卢瑟福火箭发动机

　　火箭实验室还开发了一个可选的第三级，可以在更短的时间内将卫星送入更精确的轨道。此“启动”级采用了一种名为居里（Curie）的新型火箭发动机，该发动机能够进行多次燃烧，并使用未指定的“绿色”单推进剂，同样通过3D打印制造。它在Electron的第二次飞行中首次使用。使用该级可以运输多达150千克的有效载荷。

　　光子的鼻子上装有一个额外的小型贮箱，

　　为小型发动机提供染料将CAPSTONE送往月球

　　为了满足NASA的月球轨道项目，火箭实验室正在开发另一种称为“光子”的第三级设计，以将高达30千克的小型有效载荷送入月球轨道。

　　火箭实验室于2018年10月开设了一家工厂，规模足以每年生产50多枚火箭。客户可以选择将他们的航天器封装在公司提供的有效载荷整流罩中，这些整流罩可以在发射前不久方便地连接到火箭上。每次发射可向500公里太阳同步轨道运送150公斤重，价格约为600万美元，这是在这一价格点上提供的唯一专门服务。

　　火箭实验室的新工厂

　　火箭实验室还在研究使用降落伞和空中回收技术研究Electron助推器的潜在回收利用能力。第十次飞行的Electron助推器在其重新引导下幸存下来，并坠入大海。该助推器计划在2020年进行全面恢复。

　　研发历程

　　火箭实验室由彼得·贝克（Peter Beck）于2007年在新西兰成立，该公司寻求并获得美国资金后，就在加利福尼亚州洛杉矶建立了总部，并宣布了在美国进行一些制造的计划。不过火箭实验室的生产、测试和工程仍留在新西兰的奥克兰，在新西兰北岛的马希亚半岛上建造了一个发射场。

　　Electron第一级发动机测试

　　2016年3月21日，火箭实验室宣布对其卢瑟福发动机进行了飞行认证，该发动机在两年间进行了200多次发动机高温燃烧测试。一个月后，该公司宣布Electron第二级发动机已经合格，并在公司的测试台上进行了测试，第一级则于2016年12月13日获得资格。

　　火箭实验室的Electron火箭在2017年5月25日从新西兰进行首次试验发射时未能达到轨道。在这次试飞中，Electron携带了测试仪器，而不是有效载荷。火箭实验室报告说，Electron具有良好的第一级燃烧、第二级分离、第二级点火和整流罩分离功能，但没有达到轨道速度。

　　Electron发射统计

　　火箭实验室的Electron于2018年1月21日从新西兰进行了第二次测试发射。在这次试飞中，Electron携带了三个立方体卫星和测试仪器。此次试飞是Electron的第一次成功试飞。在这之后的三年时间内，Electron连续进行了10次成功的发射。

　　回收火箭技术

　　火箭实验室对Electron火箭的期望不满足于目前的状态，而是希望Electron最终也可以实现可重复使用，这样可以进一步降低火箭发射的成本。目前像大多数火箭一样，每个Electron只具有一次飞行的寿命。在将卫星部署到轨道中之后，火箭回落到地球上，并且基本上已失控。

　　火箭实验室将不会像SpaceX那样恢复其火箭助推器，SpaceX的火箭发射后的着陆能力近乎完善，而火箭实验室的计划要稍微复杂一些。Electron的目的是在地球大气进行引导性的折返，希望能一次返回，然后火箭使用降落伞减缓下降速度。在经过精心设计的飞行轨迹中，直升机将俯冲而入，紧紧抓住火箭，然后将其运送到附近的船只。

　　Electron的直升机回收方式

　　火箭实验室距离用直升机回收Electron还有很长的路要走。但是2019年12月，该公司测试了回收过程的一部分：引导性重入。火箭实验室成功地在新西兰执行了第十次任务，将七架小型航天器送入了地球轨道。这次飞行的主要目标获得成功，而且火箭实验室还利用该任务测试了其火箭的重复使用潜力。

　　这是一项特别艰巨的任务，因为火箭返回地球时必须经过非常恶劣的环境，这有可能使飞行器分裂。为了应对这些挑战，这款特殊的Electron配备了制导和导航计算机，可以在火箭坠落期间帮助收集数据。它还具有控制推进器，有助于在火箭下降时调整方向，并设有隔热罩，以防止火箭过热。这些系统都应协同工作，以引导Electron在其向下的狭窄路线中通过。如果它的方向正确，则会产生巨大的冲击波，使火箭上的力可控，足以将火箭保持完整。

　　回收火箭上的控制推进器

　　最终实验成功了，因为Electron一体地回到了地球，这就是火箭实验室所希望的。不过火箭实验室将无法恢复助推器，因为助推器以声速落入海洋。

　　该公司的下一步是再次尝试该过程，如果可行，火箭实验室可能已准备好在其Electron助推器中添加降落伞。然后它将尝试在以后的飞行中部署降落伞。2020年1月31日，该公司的第十一次发射任务获得成功，同样第二次的引导性的折返试验取得成功。

　　回收火箭完全是为了该公司的长期目标：尽可能频繁地发射。该公司已经明确了其每年发射120次以上导弹的目标。迄今为止，火箭实验室已成功发射了11项任务和48颗卫星进入低地球轨道。最终，火箭实验室打算在2020年底之前执行月球绕行轨道、近直线晕轨道（NRHO）和低月球轨道的行星际飞行任务中，使用可恢复和可重复使用的火箭使NASA的卫星升空。

　　Electron火箭的市场前景

　　Electron火箭的发射价为单发570万～600万美元，近地轨道运力150～225公斤，最多可以将225公斤有效载荷送入500公里的太阳同步轨道，对于部署微小卫星/航天器来说完全足够。这跟动辄数千万、上亿美元发射价的主流火箭比起来，具有很明显的价格优势。即使跟SpaceX相比也不逊。目前SpaceX的猎鹰9号B5发射价6200万美元，每公斤发射价2700美元，尽管远低于Electron火箭每公斤发射价2.2万美元，但整箭发射价却是后者10倍多：6200万美元＞600万美元。

　　SpaceX和spaceflight合作的微小卫星拼车模式

　　尽管SpaceX与中间商合作，推出过微小卫星拼车模式，就像组团包机那样一起搭乘发射，每公斤发射价可以做到最低。但对于卫星运营商来说，却受限很大。比如发射时间、组团周期、部署条件、轨道要求等，都得受制于人。与这种大规模拼车模式相反，Electron火箭能够提供专属、高效、相对低价、快速响应的一整套发射服务。

　　在市场方面，小型火箭的发射服务市场是客观存在的。虽然小型火箭很难成为小卫星的主要发射手段，但是在少量卫星快速发射这个细分市场上，小型火箭却可以把大型火箭排除在外。因为对于卫星客户来说，火箭值钱，时间更值钱。特别是一些执行短期任务的小卫星，在轨寿命可能还不到一年，甚至只有几个月。如果需要等上几个月再发射，就要全面整修，更换掉其中的过期部件，这甚至可能导致整个项目失败。如果是军方需求，能不能及时发射完全可能影响战争胜负。与其如此，还不如多花点钱，购买立刻就能起飞的快速发射服务。

　　美国的飞马座火箭是目前唯一和Electron尺寸相仿的运营中的火箭，但是空射型火箭

　　有相当多创业者看准了这个机会，过去4年内出现的小型火箭研发计划有101项，其中有34项计划投入了实质性研发，其中20个在美国，6个在中国，英国和西班牙各有3个。但这么多火箭，能在市场上站稳脚跟的并不多。目前全世界已经投入运营的小型火箭只有6种：诺格自己的“飞马座”和“金牛座”，中国的长征11、快舟1和快舟2，以及Electron。然而在实际上，“飞马座”和“金牛座”因为设计和工艺比较传统，加上市场定位的问题，在过去5年只发射了两次，“金牛座”只有四次。而且这两种火箭采用传统的固体推进剂，一定程度上是有毒有害的。Electron火箭的液氧煤油推进剂却完全无毒。

　　这充分体现了Electron火箭在细分市场上的独特性——在美国用户现在就能使用的、从地面起飞的火箭中，Electron不但是最小的一种，还是反应最快的一种。Electron火箭在单位质量入轨价格上没有优势，它只不过能把150千克的载荷送入500千米高的太阳同步轨道，每千克费用远远超过1千克1万美元的国际发射服务平均水平。他的取胜之道在于一个“快”字。Electron火箭在设计成熟后，发射频率可以提高到每72小时发射一次。即使按照每次发射3颗卫星计算，一年可以发射300多颗卫星。

　　此外，美国在小卫星制造业上具有无可争议的强势地位。火箭实验室将总部设在美国，就具备了更好的条件来垄断自己的目标市场——500千米高度以下微小卫星快速发射。因此Electron火箭在细分市场上达成赢家通吃的可能性相当高。

　　火箭实验室的月球轨道任务

　　火箭实验室已获得发射NASA的CAPSTONE实验立方卫星的合同，最终目的是将CAPSTONE CubeSat置于顺月轨道上，该轨道与NASA最终将用于其月球门户轨道空间站的轨道相同。发射定于2021年进行。

　　这次发射具有多种意义，它将采用火箭实验室的光子（Photon）平台，该平台是火箭实验室独立设计和制造的卫星，可以支持多种有效载荷。在这种情况下，光子将从地球轨道到月球运输仅重约55磅的CAPSTONE CubeSat，之后CAPSTONE将使用自己的小型发动机进入目标顺月轨道。

　　火箭实验室独立设计和制造了一个小型卫星平台–Photon

　　火箭实验室于2019年推出了光子平台，当时它被设计为向小卫星（包括向月球）提供更远距离的发射。光子是一个卫星总线平台，设计时考虑了星际传递和深空通信，小型但强大的发射到轨道总线具有下行链路通信功能，耐辐射的航空电子设备和更高的发电量。光子还能够将多个小型有效载荷精确地部署到各个轨道上，从而实现火箭实验室专有的居里推进系统支持的多个任务发射。这是NASA开展其Artemis计划的一项重要能力，该计划旨在在2024年之前将人类宇航员送回月球表面，并在月球及其周围建立更永久的人类存在，以准备最终的火星任务。CAPSTONE将充当NASA的月球空间站的探路者。

　　参考资料

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　　本文转载自“高端装备产业研究中心（chinaequip）”，原标题《火箭实验室电子火箭发展概况》，作者 | 太阳谷

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