聯(lián)合發(fā)射公司的新一代火箭

□ 張雪松

2014年烏克蘭危機(jī)，對(duì)美國(guó)航天工業(yè)也造成了巨大的沖擊。美國(guó)在參議院麥凱恩推動(dòng)下，要求研制國(guó)產(chǎn)的大推力碳?xì)淙剂习l(fā)動(dòng)機(jī)取代俄羅斯進(jìn)口的RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，以擺脫現(xiàn)有“宇宙神”5火箭對(duì)俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)的依賴(lài)。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的討論，加上聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）面對(duì)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）越來(lái)越強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力，最終產(chǎn)生了“宇宙神”5火箭的換代型號(hào)，2014年9月ULA非正式公開(kāi)了新一代模塊化火箭NGLS的消息。

NGLS的起因

年初的烏克蘭危機(jī)后，面對(duì)美國(guó)的經(jīng)濟(jì)制裁和美國(guó)航宇局中斷航天合作的動(dòng)作，俄羅斯副總理羅戈津曾威脅禁止美國(guó)使用RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射軍用載荷。羅戈津不過(guò)是虛張聲勢(shì)的復(fù)讀，所謂禁止發(fā)射軍用載荷，是美國(guó)引進(jìn)RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)就簽訂的協(xié)議，不過(guò)這個(gè)軍用載荷的定義和我們多數(shù)人理解的不一樣，它指的是天基激光器之類(lèi)武器的狹義定義，連發(fā)射天基紅外預(yù)警衛(wèi)星也不在限制之列。盡管如此，俄國(guó)官方的非正式聲明還是進(jìn)一步引發(fā)了美國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)使用俄國(guó)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的擔(dān)憂(yōu)和指責(zé)：美國(guó)空軍又一次開(kāi)始討論國(guó)產(chǎn)化RD-180的問(wèn)題，但根據(jù)更早的研究報(bào)告，盡管美俄早就簽訂了相關(guān)合同，但美國(guó)進(jìn)行RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化，仍然需要將近5年時(shí)間和約10億美元的巨額費(fèi)用。美國(guó)共和黨參議院麥凱恩后來(lái)又提出并通過(guò)了一項(xiàng)決議，禁止美國(guó)繼續(xù)進(jìn)口RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，更是把洛馬公司使用該型發(fā)動(dòng)機(jī)的“宇宙神”5火箭逼到墻角。與此同時(shí)，SpaceX公司高調(diào)宣傳廉價(jià)全國(guó)產(chǎn)化“獵鷹”火箭的擠兌，也給ULA造成了很大的輿論和政治壓力。

“德?tīng)査?運(yùn)載火箭

面對(duì)政治上的不利形勢(shì)，ULA只好以拖待變，一方面全力運(yùn)回RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)，另一方面希望通過(guò)政治游說(shuō)取消進(jìn)口禁令，最后它們還承諾在未來(lái)的發(fā)射中降低成本和報(bào)價(jià)。2014年美俄關(guān)系并沒(méi)有轉(zhuǎn)暖，雖然俄羅斯沒(méi)有禁止出口RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的跡象，但美國(guó)國(guó)內(nèi)日益要求擺脫“宇宙神”5火箭在發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)俄羅斯的依賴(lài)，ULA也只能做好無(wú)法繼續(xù)采購(gòu)的準(zhǔn)備，精打細(xì)算把發(fā)射任務(wù)盡可能轉(zhuǎn)交給“德?tīng)査?火箭，延長(zhǎng)“宇宙神”5火箭的服役時(shí)間，同時(shí)將研制下一代漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭提上日程，于是誕生了下一代發(fā)射系統(tǒng)（NGLS），它正式服役時(shí)或許會(huì)被命名為“宇宙神”6火箭。

NGLS的出現(xiàn)

冰凍三尺非一日之寒，同樣NGLS也不是突然出現(xiàn)在大家面前的。2014年9月17日，藍(lán)色起源公司宣布它將與ULA建立合作關(guān)系，藍(lán)色起源公司將為ULA的火箭研制發(fā)動(dòng)機(jī)。

藍(lán)色起源公司是亞馬遜公司總裁杰夫·貝索斯創(chuàng)立的私營(yíng)航天公司，雖然在美國(guó)商業(yè)貨運(yùn)和商業(yè)客運(yùn)發(fā)射的競(jìng)爭(zhēng)中沒(méi)能脫穎而出，但藍(lán)色起源公司也絕非泛泛之輩，它開(kāi)發(fā)的“新謝帕德”（New Shepard）號(hào)垂直起降亞軌道航天器很早就進(jìn)行了超音速飛行，2011年9月墜毀前新謝帕德號(hào)在14000米高空達(dá)到1.2馬赫速度，而SpaceX公司的垂直起降試驗(yàn)飛行器蚱蜢的第一次試飛已經(jīng)是一年后的事情了，直到現(xiàn)在蚱蜢2/F9R也沒(méi)有突破新謝帕德號(hào)當(dāng)初的記錄。

“宇宙神”5運(yùn)載火箭

ACES先進(jìn)通用漸進(jìn)上面級(jí)

藍(lán)色起源公司在發(fā)動(dòng)機(jī)研制上同樣做出了很大的成績(jī)，如果說(shuō)BE-2發(fā)動(dòng)機(jī)還有些稚嫩的話(huà)，BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)上已經(jīng)顯示出它強(qiáng)勁的實(shí)力。BE-2發(fā)動(dòng)機(jī)使用過(guò)氧化氫/煤油推進(jìn)劑，單發(fā)推力也只有15噸，新謝帕德飛行器不得不使用5臺(tái)BE-2發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)推動(dòng)，而B(niǎo)E-3發(fā)動(dòng)機(jī)則是一種液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，地面推力更是一躍增加到490千牛，這個(gè)指標(biāo)和我國(guó)長(zhǎng)征五號(hào)火箭芯級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)YF-77非常相近。不僅如此，BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)還具有深度節(jié)流能力和重復(fù)使用能力，它的最低推力僅有110千牛，可以方便地用于垂直降落飛行器的著陸控制。截至2013年12月，BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了160次熱試車(chē)，試車(chē)時(shí)間累計(jì)達(dá)到了9100秒。藍(lán)色起源公司還為運(yùn)載火箭上面級(jí)研制了BE-3U發(fā)動(dòng)機(jī)，它為真空環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，是一種一次性使用的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。

基于這樣的背景，2014年9月17日藍(lán)色起源公司宣布和ULA的合作關(guān)系，并將為其研制2450千牛的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，雖然引起了轟動(dòng)，但很少有人懷疑藍(lán)色起源的實(shí)力。隨著時(shí)間的推移，藍(lán)色起源和ULA透露了更多的消息，BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的細(xì)節(jié)也越發(fā)清晰起來(lái)。綜合它們的聲明和媒體報(bào)道，BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)是一種富氧分級(jí)燃燒循環(huán)的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，它的混合比為3.5，燃燒室壓強(qiáng)只有13兆帕，而噴管的膨脹比也僅有23。由于技術(shù)參數(shù)并不高，它的性能也談不上出眾，藍(lán)色起源公司公布的數(shù)據(jù)顯示，BE-4液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為550千磅（249.8噸），可以節(jié)流到40%，發(fā)動(dòng)機(jī)地面和真空比沖分別為307秒和342秒。據(jù)稱(chēng)BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)進(jìn)行了縮比富氧預(yù)燃器研制試驗(yàn)，預(yù)燃器的分級(jí)燃燒試驗(yàn)以及主噴注器組裝。下一個(gè)里程碑將是測(cè)試渦輪泵和主閥，預(yù)計(jì)可以在2016—2017年開(kāi)始進(jìn)行全尺寸發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試，并在2019年進(jìn)行首次發(fā)射。

公 示

根據(jù)新聞出版總署《2014年新聞?dòng)浾咦C換發(fā)實(shí)施辦法》的要求，我單位太空探索雜志社已對(duì)換發(fā)記者證人員及符合《新聞采編人員崗位培訓(xùn)考試》免考資格的人員進(jìn)行嚴(yán)格審核，現(xiàn)將我單位通過(guò)新聞?dòng)浾咦C換發(fā)資格審查的人員名單及符合《新聞采編人員崗位培訓(xùn)考試》免考資格的人員名單進(jìn)行公示，公示期2015年1月7日—1月14日。

新聞出版總署舉報(bào)電話(huà):010-83138953

太空探索雜志社舉報(bào)電話(huà)：010-68767130

通過(guò)新聞?dòng)浾咦C換發(fā)資格審查的人員名單：周武、楊建、薛滔、陳彩連、夏丹

符合《新聞采編人員崗位培訓(xùn)考試》免考資格的人員名單：周武、楊建、薛滔

“宇宙神”5和NGLS火箭比較圖

根據(jù)俄羅斯授權(quán)完成RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的國(guó)產(chǎn)化需要至少5年時(shí)間，而全新的BE-4居然也只需要5年時(shí)間，而B(niǎo)E-4發(fā)動(dòng)機(jī)的性能略高，這不能不說(shuō)是令人稱(chēng)奇的。其實(shí)原因也很簡(jiǎn)單，BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)雖然是全新的設(shè)計(jì)，但也是傾向于低成本高可靠性的新設(shè)計(jì)：它使用富氧分級(jí)燃燒循環(huán)，最根本的原因就是這種設(shè)計(jì)可以降低燃料泵的出口壓力，降低泵和閥門(mén)出現(xiàn)事故的可能性；它還是一種低室壓的發(fā)動(dòng)機(jī)，13兆帕的燃燒室壓強(qiáng)不僅和RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的25兆帕相去甚遠(yuǎn)，也比我國(guó)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)的18兆帕低得多，甚至不如蘇聯(lián)第一代富氧高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)NK-33的16兆帕壓強(qiáng)。較低的燃燒室壓強(qiáng)，也降低了從燃燒室到輸送泵和渦輪泵的設(shè)計(jì)制造難度。BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)還通過(guò)使用更先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)降低研制和生產(chǎn)成本，而RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)使用的是數(shù)十年前的技術(shù)，很多制造技術(shù)和工藝在美國(guó)工業(yè)界已經(jīng)被淘汰，肯定要為此大費(fèi)周章的使用新技術(shù)，反而增加了美國(guó)生產(chǎn)的難度和費(fèi)用。BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)研制費(fèi)用低進(jìn)度快，還有一個(gè)重要原因是藍(lán)色起源公司已經(jīng)秘密研制了長(zhǎng)達(dá)3年之久，它本來(lái)是藍(lán)色起源為自己的運(yùn)載工具研制的發(fā)動(dòng)機(jī)，現(xiàn)在不過(guò)是簽訂合作協(xié)議后提供給ULA分?jǐn)偝杀尽＝芊颉へ愃魉固?hào)稱(chēng)到2014年7月已經(jīng)為藍(lán)色起源公司投資5億美元之多，其中很大一部分就投資于BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)及其測(cè)試設(shè)施的研制和建造上，2014年5月藍(lán)色起源公司的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)地面測(cè)試設(shè)施已經(jīng)建成，它可以測(cè)試最大推力450噸的發(fā)動(dòng)機(jī)。

ULA確保BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的研制和供應(yīng)后，馬上就提出了下一代漸進(jìn)一次性運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)方案。該公司副總裁佐沃2014年9月20日在著名的NASA太空飛行論壇上回答航天愛(ài)好者們的提問(wèn)時(shí)，涉及了很多下一代火箭的細(xì)節(jié)，其中包括新火箭暫時(shí)不考慮重復(fù)使用能力，火箭最大起飛質(zhì)量約430噸，芯級(jí)將從“德?tīng)査?火箭上衍生，不會(huì)使用更先進(jìn)的復(fù)合材料儲(chǔ)箱，當(dāng)然推進(jìn)劑使用液氧甲烷，選擇甲烷推進(jìn)劑主要原因是全系統(tǒng)的綜合成本。此外他還提到新的火箭將保留“宇宙神”5的固體助推器捆綁模式，可能使用新的上面級(jí)和上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，但不會(huì)使用藍(lán)色起源公司的BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)。2014年10月，ULA的新總裁托里·布魯諾在接受采訪(fǎng)時(shí)提到，新火箭的初始設(shè)計(jì)有望在年底前完成，而且它的發(fā)射費(fèi)用將只有該公司現(xiàn)有火箭的一半左右，該公司打算以此為契機(jī)重新進(jìn)軍商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)。

NGLS的基本設(shè)計(jì)

目前NGLS火箭尚未完成基本設(shè)計(jì)，但熱心的NASA太空飛行論壇網(wǎng)友已經(jīng)根據(jù)媒體報(bào)道和訪(fǎng)談建模做出了簡(jiǎn)單的火箭模型，如果后續(xù)不發(fā)生大的變化，火箭的基本性能也不會(huì)有多大變化。

NGLS火箭最大起飛質(zhì)量約430噸，這個(gè)構(gòu)型很可能是一個(gè)芯級(jí)捆綁6個(gè)固體助推器的設(shè)計(jì)，并將使用更新的上面級(jí)。火箭芯級(jí)目前確定使用兩臺(tái)藍(lán)色起源公司的BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)，而固體助推器不出意外仍然使用航空噴氣公司的產(chǎn)品?；鸺炯?jí)還將使用自生增壓技術(shù)，降低使用成本，而甲烷推進(jìn)劑的沸點(diǎn)較高，因此也無(wú)需液氫儲(chǔ)箱那樣使用復(fù)雜厚重的保溫隔熱措施，這將有利于火箭芯級(jí)提高質(zhì)量比。火箭上面級(jí)如果使用改進(jìn)型半人馬座，它的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力可達(dá)13噸以上，如果使用全新的類(lèi)似先進(jìn)通用漸進(jìn)上面級(jí)（ACES）的設(shè)計(jì)，同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力更是可以達(dá)到16噸～18噸，其運(yùn)力將僅次于SpaceX公司的獵鷹重型火箭。

NGLS火箭將使用“宇宙神”5火箭現(xiàn)有的位于卡納維拉爾角基地的LC-41和位于范登堡空軍基地的SLC-3E發(fā)射工位，無(wú)需新建新工位增加成本。由于NGLS火箭起飛質(zhì)量更大，火箭運(yùn)力也有了不小的提高，為此NGLS將取消“宇宙神”5火箭研制時(shí)曾提出的“宇宙神”5重型構(gòu)型，但為了降低成本，捆綁不同數(shù)量助推器的芯級(jí)仍要求通用。NGLS的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)力將超過(guò)“德?tīng)査?重型火箭，根據(jù)目前的推測(cè)，NGLS首先將取代由于RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題的發(fā)射一枚少一枚的“宇宙神”5火箭，隨后使用類(lèi)似ACES上面級(jí)的設(shè)計(jì)后，可能進(jìn)一步取代現(xiàn)有的“德?tīng)査?火箭。

BE-4 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試

XCOR公司的XR-5H25發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火

NGLS火箭最初將沿用半人馬座上面級(jí)，不過(guò)新上面級(jí)也開(kāi)始露出風(fēng)聲。XCOR公司研制了山貓（Lynx）亞軌道飛機(jī)用于太空旅游，不過(guò)很少有人注意，XCOR公司還曾研制過(guò)全活塞泵的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，XCOR公司還和ULA合作，計(jì)劃以這項(xiàng)技術(shù)出發(fā)研制新的高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)NGLS出現(xiàn)前的報(bào)道，雙方聯(lián)合研制的縮比XR-5H25發(fā)動(dòng)機(jī)曾在2013年11月首次熱點(diǎn)火成功，這是第一種全活塞泵的液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然XR-5H25推力僅有2500磅/11.12千牛，但該公司還在研制推力更大的XR-8H21發(fā)動(dòng)機(jī)，它仍將使用獨(dú)特的熱力循環(huán)和活塞泵技術(shù)，推力將達(dá)到111.2千牛，與現(xiàn)有的RL-10發(fā)動(dòng)機(jī)相比，XCOR公司研制的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)將具有更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和更廉價(jià)的生產(chǎn)成本。

2014年11月ULA總裁托里.布魯諾進(jìn)一步確認(rèn)了和XCOR的合作，稱(chēng)NGLS將使用研制多年的新型上面級(jí)和XCOR公司的新型液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，不出意外的話(huà)，新上面級(jí)將使用ACES的設(shè)計(jì)概念和XCOR公司XR-8H21發(fā)動(dòng)機(jī)。ACES上面級(jí)除了氣球共底儲(chǔ)箱的設(shè)計(jì)外，最顯著的特點(diǎn)是全新概念的推進(jìn)劑管理系統(tǒng)，具體說(shuō)是利用受熱蒸發(fā)的氫氣和氧氣進(jìn)行自生增壓、姿態(tài)控制和發(fā)電，這樣就完全取消了冷氦/超臨界氦增壓系統(tǒng)，省去了姿態(tài)控制系統(tǒng)所需的大部分推進(jìn)劑和維持上面級(jí)活動(dòng)所需的大部分電池，從而將上面級(jí)的質(zhì)量比提高到一個(gè)前所未有的水平。2013年ULA對(duì)“德?tīng)査?火箭未來(lái)升級(jí)的介紹中，ACES達(dá)到了92%的質(zhì)量系數(shù)，或者說(shuō)質(zhì)量比達(dá)到了12.5，使用ACES升級(jí)后“德?tīng)査?重型火箭的近地軌道運(yùn)力將從28噸增加到37噸。雖然現(xiàn)在看來(lái)“德?tīng)査?火箭很可能被NGLS取代，但類(lèi)似ACES設(shè)計(jì)的新型上面級(jí)對(duì)NGLS運(yùn)力的提升，仍然可見(jiàn)一斑。不過(guò)去年的ACES上面級(jí)設(shè)計(jì)中，使用的是RL-10C發(fā)動(dòng)機(jī)，而未來(lái)NGLS火箭使用的ACES上面級(jí)改進(jìn)型，使用的將是推力和比沖相近的XR-8H21發(fā)動(dòng)機(jī)。

BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)

NGLS火箭可以說(shuō)是ULA被逼上梁山的產(chǎn)物，雖然NGLS火箭使用的技術(shù)并不是最新最好的，不過(guò)NGLS火箭使用低成本設(shè)計(jì)，同時(shí)運(yùn)載能力上又有了進(jìn)一步的提高，通過(guò)捆綁不同數(shù)量的固體助推器，還能靈活的應(yīng)對(duì)不同的發(fā)射運(yùn)力要求，很好的適應(yīng)了新時(shí)代發(fā)射市場(chǎng)的需求。它不僅得到了美國(guó)空軍航天部門(mén)領(lǐng)導(dǎo)的贊許，如果真能做到發(fā)射報(bào)價(jià)減半的話(huà)，也將重返商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)，和SpaceX公司的“獵鷹”火箭一樣成為商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的佼佼者。

BE-3 發(fā)動(dòng)機(jī)試車(chē)