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日本发射最小火箭缘何失败 贪小便宜却致质次价高

时间:2017年01月24日 信息来源:观察者网 点击: 【字体:

当地时间1月15日早上8:33,几经推迟的“世界最小火箭”——日本SS-520-4号机从内之浦宇宙空间观测所发射升空,但随后失去遥测信号坠入大海,所携载荷一并损失。


在2016年年末到2017年年初的航天发射高峰期,这次失利原本算不上什么——毕竟航天发射充满了风险与不确定性,出现问题也属于正常,不过这次发射的噱头在于火箭的体量在目前应用的航天发射载具中是最小的,这也自然引起了国内外媒体的关注。那么笔者就以公开资料为基础,带大家看看这个“世界最小火箭”到底有什么名堂。

 探空火箭转行发射卫星


这次发射的火箭SS-520四号机是从日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研发的系列探空火箭发展而来,同系列型号还有S-160、S-210、S-310和S-520。日本探空火箭的命名规则很直接,“S”的数量代表火箭的级数(Stage),后面的数字是火箭的直径(毫米),SS-520的意思就是两级式520mm直径探空火箭,全长9.65米,发射重量2.6吨,能把140千克的载荷送到距地面800千米的高度。

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S-310和S-520探空火箭准备发射


应当注意的是,基本型的SS-520并不能将载荷送入轨道,800千米只不过是抛物线最高点,与人造卫星入轨的要求相距甚远。不过日本人对于把S系列探空火箭改装成能够发射小卫星的运载火箭,显示出了独特的兴趣——早在上世纪90年代,在只有S-520的时候,JAXA的科学家已经开始规划两级式的SS-520,并论证给SS-520增加第三级以发射低轨道卫星的可行性。


在这次发射之前,SS-520只进行了两次成功的亚轨道发射:第一次于1998年2月5日在日本内之浦,以验证用于卫星发射的姿态控制装置;第二次于2000年12月4日在挪威斯瓦尔巴群岛,进行地磁场相关科学实验。时隔16年,“半路出家”的SS-520四号机终于开始尝试真正意义上的轨道发射,但却遭遇了失败。

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 S系列探空火箭原本的弹道——高空科学实验

“非典型”日货


从探空火箭到运载火箭,SS-520都进行了哪些改进呢?我们不妨从SS-520四号机的资料开始探究。

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SS-520-4结构图


SS-520-4充分利用SS-520已有的部件,包括尾翼、一级火箭、二级火箭和头锥;新研发了第三级火箭、二三级连接段还有三级与卫星连接段;为了适应轨道发射,对一二级连接段以及喷气控制机构进行了改进。这样,SS-520-4基本具备了运载火箭的特征,可以进行卫星发射了。


不过,之所以说它只是有运载火箭的“特征”,是因为和真正的运载火箭设计的飞行器相比,SS-520-4实在是过于简陋,从该机的发射时许上就能够看出端倪:

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SS-520-4飞行时序


拜探空火箭的底子所赐,SS-520-4起飞后迅猛加速,31.7秒时一级火箭就已经燃烧完毕,火箭达到26千米高度,速度每秒2千米。这时,一般的运载火箭会进行一二级分离,二级点火继续飞行,以获得更大的速度增量。但是SS-520-4却要带着成为死重的一级继续无动力飞行34.3秒,白白浪费宝贵的速度。


这一方面是因为,一级火箭工作时间短,如果烧完就抛弃的话,一级落区会处于近海,对船舶航行和渔业造成很大干扰;而另一方面,SS-520-4的控制方式简陋——火箭的飞行稳定完全依靠一级尾翼产生的自旋维持,过早抛弃一级也有可能导致火箭在相对稠密的大气层区间内逐渐失去稳定性,导致失败。


观看过我国长征系列火箭发射的朋友肯定会记得,火箭点火起飞后的第一个动作就是“程序转弯”,因为发射时火箭是垂直于地面的,最终入轨时速度方向与地面几乎平行,火箭必须在飞行中不断调整姿态,飞出一条曲线平滑地把载荷送入轨道。不过从SS-520-4的发射实况来看,火箭是从小角度倾斜的挂架上直接起飞,直线上升,并没有程序转弯——因为SS-520的固体发动机是无控的,不能进行矢量控制。


当然,SS-520-4并非没有主动控制机构,在一级和二级火箭之间,安装有对自旋稳定的箭体进行姿态调整的简易控制装置。上面我们说过,由于一级火箭的工作时间过短,一级关机时高度太低,根本无法形成入轨条件,必须等到高度和速度都相对合适的时候才能令二级点火。同时,还要把近乎垂直姿态的箭体调整到一个“躺倒”的角度上,否则二级的喷气方向不对,还是会失败。


主动控制机构是典型的单组元冷气姿态控制系统,以5.7升23兆帕的高压氮气作为工质,在头锥和一级火箭相继分离后按照既定时序开始工作,预计工作时间29秒,在二级火箭点火判定前分离——受火箭性能限制,控制机构不能入轨,二级点火以后的动作中,火箭完全没有主动姿态控制能力,只靠一级尾翼产生的自旋角动量维持稳定。

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 SS-520-4仅有的主动控制机构


笔者简单翻译了SS-520-4的二级点火判定逻辑图,SS-520-4的二级点火是通过遥测数据由地面发送指令的,通过对五个关键数据的判定,决定是否启动二级发动机继续入轨。不巧的是,这次发射中,遥测数据在起飞后20秒就丢失了,地面控制中心无法得知火箭的准确状态,二级点火判定自然无法进行,发射也就失败了。

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  二级点火判定逻辑图


审视顶着“世界最小运载火箭”名头的SS-520-4,我们不难发现,这型火箭并没有传统日本产品“技术先进”“细节出色”的感觉,反而是能省则省,只具备轨道发射的基本条件,正常运载火箭的关键节点冗余备份基本没有,单点故障极多,这也必然导致发射成功率大幅降低。


低成本下的质次价高


如果一切顺利的话,经过二级三级的助推,SS-520四号机搭载的TRICOM-1立方星还是可以进入轨道,成为真正的人造卫星的。不过我们要注意的是,TRICOM-1的预定轨道是近地点180千米,远地点1500千米,倾角31°的椭圆轨道。由于近地点过低,轨道阻力大,根据笔者用STK软件模拟,发射成功的TRICOM-1也会在四个月左右的时间陨落——尽管对于一颗预计寿命只有30天的立方星来说这不算是个缺点,但是这种轨道远不如圆轨道实用,对于卫星的实际应用和测控都有很大阻碍。

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STK初步模拟的TRICOM-1再入轨道


不过就SS-520-4火箭而言,打出这种轨道并非刻意为之,实在是打不了圆轨道——对于这种基本无控的小火箭而言,能入轨已经是胜利,还能要求更多吗?


纵观SS-520系列的技术特点,我们不难发现:在这型小火箭上,处处体现着“因陋就简”的思想,最大程度利用既有技术,甚至不惜削足适履,把本该具有的控制设备和冗余备份全部剔除,以期获得低廉的发射成本和快速响应的发射能力。


然而偏偏事与愿违,根据外媒报道,SS-520-4的发射成本在400万美元左右,由于载荷只有一颗立方星,如果这是一次商业发射的话,为了不赔本,卫星使用方付出的发射费用应当高于400万美元。而在国际市场上,同等规格的3U立方星,发射报价一般在30万美元左右,这使得SS-520改装的运载火箭基本不存在竞争力。


也许随着未来发射次数的提高,单发成本能够降下来,但是考虑到这种小火箭的可靠性从设计上就很差,卫星使用方面临的风险与保险压力都会很大。更不用说正常运载火箭的搭载服务一般是把立方星送入圆形的太阳同步轨道,除了圆轨道对卫星载荷、通信和测控的优势外,光照条件的一致性也会一定程度简化卫星设计,延长卫星寿命,客户似乎更没有理由把自己的小卫星交给日本的小火箭来发射。因此,给SS-520-4一个“质次价高”的考语是没有错的。

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  TRICOM-1立方星,类似3U立方星的搭载发射方案已经成熟


当然,尽管从总体设计层面上,SS-520系列并不能被视为成功的运载火箭,但类似SS-520的设计思路也并不罕见:据笔者了解,国内某明星火箭少年的“中国SpaceX公司”就是准备从探空火箭搞起,以探空火箭技术发展小型运载火箭。对此,笔者到也希望国内草根民营火箭的创业者们,关注一下日本的这枚“世界最小运载火箭”,吸取前人失败的教训,切勿重蹈覆辙。


最后,有必要纠正一下一些朋友的误解,SS-520-4并不是“有史以来最小运载火箭”,而是“目前还在发展的运载火箭中最小的”,历史上最小的、有轨道发射能力的载具是美国海军在上世纪50年代研发的空射反卫星武器NOTS-EV-1,这是一种5级火箭,曾进行过4次地面亚轨道测试和6次空射测试,全部以失败告终。

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NOTS-EV-1反卫星武器


(作者:佚名)
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