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国外新型商业小型运载火箭成本控制措施简析

时间:2017年12月15日 信息来源:国际太空 点击: 【字体:

日前,国外多家小型卫星发射公司就很好地证明了这点。商业航天发射小卫星的需求牵引着小型运载的研制和生产,“快速、机动、灵活、廉价”正成为商业小型运载火箭新的发展趋势,诸如萤火虫空间系统公司(FSS)、英国维珍银河公司(Virgin Galactic)、美国火箭实验室公司(Rocket Lab)等私人航天公司,正是凭借其低成本、快速响应的商业运作模式获得了小卫星发射市场的青睐。



国外商业小型运载火箭介绍

“织女星”运载火箭

“织女星”(Vega)运载火箭是欧洲航天局(ESA)从2003年开始启动研制、以意大利固体推进技术为基础、多个欧洲国家参与研制的一种小型运载火箭,目的是作为阿里安-5(Ariane-5)火箭和“联盟”(Soyuz)火箭的补充,用于发射政府和商用小型有效载荷。“织女星”为小型单体三级固体燃料火箭,外加一个液体推进上面级模块和有效载荷整流罩,全箭最大直径3m、全长30m。目前,“织女星”火箭的运载能力可把质量1450kg的有效载荷发射到400km高的太阳同步轨道,也可把1430kg的有效载荷发射到700km高的极轨道。火箭第一级使用P80固体发动机,第二级和第三级发动机为Zefiro-23和Zefiro-9固体发动机,外加使用常规液体推进剂的上面级模块。


“艾普斯龙”运载火箭

“艾普斯龙”(Epsilon)运载火箭为日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研发的固体运载火箭。“艾普斯龙”是日本M-5固体火箭的后继型号,已于2013年成功完成了1次发射。“艾普斯龙”包括两种构型,基本型为三级固体火箭,全长24m、最大直径2.6m,能够将1200kg的有效载荷送入250km×500km的低地球轨道;扩展型是在基本型的基础上增加了一个小型液体推进系统作为第四级,全长24m、直径2.6m,质量稍大于基本型火箭,能够将700kg有效载荷送入500km近地圆轨道,或将450kg有效载荷送入500km的太阳同步轨道。


“萤火虫”运载火箭

“萤火虫”(FireFly)运载火箭由2013年成立的新兴商业航天公司萤火虫空间系统公司开展研制,目前仍处于研制中状态,预计于2018年为美国国家航空航天局(NASA)发射立方体卫星,在2022-2023年达到每年50次的发射频度。“萤火虫”为两级液体火箭,前期采用液氧/煤油作为推进剂,后期将逐渐改为液氧/甲烷发动机。全箭最大直径1 .8m、长2 3 .5m,目标太阳同步轨道运载能力为200kg。火箭的一级采用8台气动塞式(Aerospike)喷管的挤压式液氧/甲烷发动机,二级采用1台传统喷管式发动机。其液氧/甲烷储箱使用碳纤维增强复合材料制造,采用自生增压的方式。甲烷和液氧作为其发动机推进剂,这在近地轨道卫星发射器中属于首例。

 

“电子”运载火箭

“电子”(Electron)是美国火箭实验室公司研制的新型小型运载火箭,该公司成立于2006年,在新西兰拥有分部。“电子”火箭已经获得行星公司(Planet)、月球快车公司(Moon Express)等的订单。2017年开展首次商业发射,但由于发射程序错误,首飞失利。第二次发射计划于2018年底开展。“电子”火箭为两级液体运载火箭,使用“卢瑟福”(Rutherford)液氧/煤油发动机,目标500km的太阳同步轨道运载能力为150kg。全箭最大直径为1.2m、长16m。该火箭预计发射成本仅为490万美元,规划在未来实现每年100次发射。“电子”小型运载火箭采用电池驱动发动机,其发动机制造工艺采用电子束熔炼3D打印技术。


国外商业小型运载火箭成本控制分析

注重模块化、通用化设计

火箭上产品模块化、通用化已经成为了一种广泛获得认可的成本控制措施。“萤火虫”火箭的一、二子级发动机虽然分别采用的是气动塞式喷管和钟形喷管,但2台发动机使用的是完全相同的燃烧室,2台发动机除喷管选择外基本相同。选择使用相同的发动机能有效减少研发、测试和制造成本。“米诺陶”(Minotaur)系列运载火箭就使用了大量通用的航电设备和结构,不仅降低了成本而且优化了质量。“织女星”火箭上同样使用了大量的通用化产品,这些产品都可以使用在“阿里安”系列火箭上,例如飞控系统、安全防护系统等。一种新的通用化思路是对液体发动机的通用化。 

“电子”火箭各级电气系统采用了模块化硬件结构,采用现场可编程门阵列及实时传输系统技术,以增强运载系统适应性。据报道只需对其编程就可以完成不同的功能定制,可以大幅减少硬件改动,缩短生产制造周期。在达到较为理想的响应速度和高可靠性的同时,电气系统质量仅为8.6kg。动力系统采用通用化、模块化的设计理念,火箭共采用10台“卢瑟福”液氧/煤油发动机,其中一级采用的9台“卢瑟福”发动机完全相同,二级采用真空型“卢瑟福”发动机,换装大扩张比喷管,这与采用多发同等状态发动机并联的美国太空探索技术公司(SpaceX)不谋而合:均是利用自身技术优势,将其效能发挥到最大。

 

充分利用成熟火箭部件和技术

对于美国轨道科学公司(OSC)、欧洲航天局等机构来说,由于拥有过往成熟固体导弹或火箭的技术储备,在研发制造新型运载火箭时可以大量借用成熟固体火箭的部件和技术,在增加可靠性的同时也有效减少了研发和制造成本。 

“艾普斯龙”运载火箭同样大量使用了过往日本宇宙航空研究开发机构的成熟部件和技术。“艾普斯龙”火箭一子级采用的是H-2A火箭的固体助推器,二、三子级则由退役的M-5火箭改进获得。“织女星”火箭的一子级P80固体发动机由阿里安-5的固体助推器改进获得,而针对P80的后续技术发展将会反过来应用于“阿里安”系列后续火箭的固体助推器。通过将“织女星”项目与“阿里安”系列火箭的结合发展,欧洲航天局可以在逐步推进新技术研制的同时降低整体研发成本。


采用新材料、新技术减少发射成本

“艾普斯龙”火箭在发射控制方面进行了多项创新,具有高度智能的自主检测系统及发射控制系统。箭上计算机可在发射前对火箭上各系统的状态进行自主监控、故障诊断,并实施故障隔离及恢复,甚至包括箭上点火系统的检查。在发射控制过程中,仅需要配备便携式电脑的少量操作人员,通过互联网在世界的任何地方检查和控制火箭发射,未来将有可能实现发射场不再需要发射控制系统。 

 “电子”火箭采用了基于通用硬件的分布式计算架构,计算模块分布在每级箭体上,实现海量的功能定制。经过优化,“电子”火箭上的航电系统总质量仅8.6kg,在降低火箭总质量的同时节约了研发时间与成本,从而实现了高频率与低成本发射的目的。“电子”火箭的“卢瑟福”发动机采用了新的动力模式,与传统泵相比使用电泵有效减少了所需燃料的质量。除此之外,“卢瑟福”发动机主要部件均采用3D打印制造而成,每台发动机的再生冷却燃烧室、喷注器、泵和主推进剂阀门等最快可在24h内完成打印,便于发动机低成本、快速和批量制造。

新材料使用的一个典型例子是新型碳复合材料。“织女星”火箭的一级发动机壳体采用IM7碳纤维材料,这也是目前试验过的最大的整体式高质量比、高性能碳纤维材料壳体;其二、三级火箭发动机壳体则采用T1000G与UF3325树脂的复合材料。2种小型液体运载火箭则采用全碳复合材料作为结构材料,其中美国火箭实验室公司已经投入了大量精力研究将碳复合材料应用于液氧贮箱制造上。“电子”火箭整流罩采用碳纤维复合材料,总质量只有30kg。


(作者:佚名)
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