小型運載火箭：航天發(fā)射的明日之星

張乃千

小型運載火箭是指近地軌道運載能力在1000千克左右的運載火箭，具有發(fā)射成本低、反應速度快、適應能力強等突出特點。近年來，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展和火箭設(shè)計、復合材料、電子技術(shù)以及固體推進技術(shù)的發(fā)展，將小型運載火箭推上了航天發(fā)射的大舞臺。未來，可實現(xiàn)快速有效航天發(fā)射的小型運載火箭具有巨大的軍用和民用價值，將成為人類開展太空活動的明日之星。

小型運載火箭的前世今生

時光流逝，歲月如梭，運載火箭大家族也正經(jīng)歷著更新?lián)Q代的如火如荼進程。目前，圍繞低成本、快速反應這一發(fā)射需求，美國、俄羅斯、歐洲、日本等航天大國可謂“八仙過海，各顯神通”，紛紛推出了自己的新一代運載火箭計劃，并迅速將小型運載火箭推向航天發(fā)射的大舞臺。

在小型運載火箭領(lǐng)域，航天技術(shù)大國美國投入了較大精力。美國研制的飛馬座、金牛座等小型運載火箭早已投入使用。這些小型運載火箭的“老前輩”已經(jīng)實現(xiàn)了移動發(fā)射，不僅操作簡單、發(fā)射迅速，發(fā)射設(shè)備也較為簡單，全套發(fā)射裝置由鐵路和飛機運輸后，5天內(nèi)就可完成各級火箭的組裝和檢測，進入倒計時后只需72小時就可完成發(fā)射，整個發(fā)射過程只需要20個人進行操作。

進入21世紀以來，美國更是充分嗅到了小型運載火箭的巨大軍民用價值。2007年5月，美國國防部成立了快速響應空間辦公室，旨在進一步增強和充分利用美國的空間作戰(zhàn)力量。在快速響應空間辦公室的支持下，桑迪亞國家實驗室提出Super-Strypi固體小型火箭方案。該火箭長18米，直徑僅1.32米，采用地基導軌發(fā)射，近地軌道的運載能力達到300千克。2015年11月，Super-Strypi曾攜帶10余顆立方體衛(wèi)星進行首飛，雖然發(fā)射升空1分鐘后爆炸，卻掀起了小型運載火箭的研究熱潮。目前，美國從事小型運載火箭研制設(shè)計的商業(yè)公司接近20家，其中有部分“急先鋒”甚至已經(jīng)完成了設(shè)計生產(chǎn)，即將開展飛行試驗。美國ARCA航天公司推出的Haas 2C火箭燃燒室和噴管全部采用復合材料，推力可達220千牛，而向量空間系統(tǒng)公司研制的小型運載火箭，結(jié)構(gòu)質(zhì)量甚至只有685千克。

在小型運載火箭的“競技場”上，其他航天俱樂部成員也不甘示弱。歐洲航天局從2003年就開始研制織女星號小型運載火箭，可實現(xiàn)將1500千克有效載荷發(fā)射到700千米高度的軌道，也可一次發(fā)射300～2000千克不同載荷的衛(wèi)星，同時還能讓微小衛(wèi)星搭上順風車。被稱為“世界上最小”運載火箭的日本SS520火箭全長僅9.54米，只有電線桿那么粗，是日本自主研發(fā)的三段式小型火箭。此外，俄羅斯也計劃于2020年實現(xiàn)新型小型運載火箭“聯(lián)盟”號2LK的首飛。

小身板擔當使命重擔

與大推力火箭發(fā)射成本高、準備時間長、缺乏快速反應能力相比，小型運載火箭制造技術(shù)先進、發(fā)射成本低、反應速度快、適應能力強，尤其在衛(wèi)星小型化大行其道的今天，小型運載火箭更是擔負起這類簡單成熟衛(wèi)星發(fā)射的重任，同時更因自身獨特的技術(shù)特點而備受青睞。

別看小型運載火箭個子小，但絕對是個“短跑健將”。一般的大中型運載火箭發(fā)射準備時間動輒數(shù)月，小型運載火箭卻是用天乃至小時來計算。法國的阿里安火箭發(fā)射準備時間長達兩個月，而美國的Super-Strypi小型運載火箭發(fā)射時間只有21天，飛馬座火箭發(fā)射準備時間為14天，金牛座火箭更只有短短72小時。由美國和新西蘭聯(lián)合研制的電子小型運載火箭，可實現(xiàn)每隔72小時進行1次航天發(fā)射的超高頻率，堪稱世界航天領(lǐng)域快速發(fā)射的代表作。這么短的發(fā)射準備時間，意味著一旦遭遇自然災害、戰(zhàn)爭爆發(fā)等突發(fā)事件，小型運載火箭可快速將偵察、通信等用途的衛(wèi)星發(fā)射升空，實現(xiàn)衛(wèi)星的快速發(fā)射和空間部署，及時獲取相關(guān)重要信息，戰(zhàn)略意義相當重要。

此外，小型運載火箭的發(fā)射升空方式可謂多姿多彩。除可以像“老字號”運載火箭一樣從地面及海上發(fā)射外，小型運載火箭還可直接開啟空中發(fā)射模式，堪稱航天發(fā)射領(lǐng)域的一個偉大創(chuàng)舉。美國自20世紀50年代就開始空中發(fā)射火箭的試驗工作，飛馬座小型運載火箭利用B-52轟炸機攜帶到空中，是世界上第一種實現(xiàn)空中發(fā)射的運載火箭。在空中發(fā)射領(lǐng)域，美國的維珍銀河公司可算是情有獨鐘，不但研發(fā)設(shè)計的太空船2號亞軌道飛行旅游飛船采用空中發(fā)射升空，專門設(shè)計的運載器1號小型運載火箭也采取了通過波音747-400民用航空飛機發(fā)射的方案。

進入21世紀以來，世界各航天大國的新一代運載火箭都擺脫了研制初期以彈道導彈為基礎(chǔ)衍生的復雜設(shè)計方案，從設(shè)計之初就開始考慮組合化、模塊化和通用化，通過不同的模塊搭配組合，實現(xiàn)覆蓋更加寬廣發(fā)射運力范圍，從而滿足主流航天發(fā)射的需求。小型運載火箭更是模塊化設(shè)計的先行軍，美國軌際系統(tǒng)公司研制的NEPTUNE小型運載火箭通過捆綁不同數(shù)量的通用模塊，就可實現(xiàn)不同的運載能力，目前已經(jīng)完成了通用模塊的飛行試驗。同時，為進一步降低航天發(fā)射成本，小型運載火箭也將“省錢模式”發(fā)揮到了極致。

新興航天發(fā)射的敲門磚

天下武功，惟快不破。相比于傳統(tǒng)運載火箭漫長的吊裝對接、狀態(tài)監(jiān)測和加注燃料時間，小型運載火箭發(fā)射準備時間明顯縮短，不僅提升了發(fā)射效率，更可大大掌握航天發(fā)射的先機。

其實，小型運載火箭的研制并不復雜，尤其是火箭的發(fā)動機和結(jié)構(gòu)規(guī)模要小很多，在制造、試驗等方面的更容易實現(xiàn)，因而在美國、歐洲等工業(yè)基礎(chǔ)發(fā)達的國家和地區(qū)掀起了研制小型運載火箭的熱潮。目前，挺進小型運載火箭領(lǐng)域的都是近些年成立的新興商業(yè)航天公司，技術(shù)門檻相對較低，又能全面覆蓋火箭系統(tǒng)研制的切入點。商業(yè)公司開展小型運載火箭研制的一個共同特點就是完全掌握發(fā)動機、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等核心技術(shù)，還要自建試驗和制造設(shè)施，以便最大程度降低研制和生產(chǎn)成本，在新興航天發(fā)射的強烈市場競爭中牢牢掌握主動權(quán)。

新概念技術(shù)的大量涌入也將大大降低小型運載火箭的發(fā)射成本。美國Bagaveev公司研制的小型運載火箭一大特點就是采用了3D打印的發(fā)動機，電子小型運載火箭甚至將火箭的渦輪泵、閥門、噴射器和燃燒室等部件都采用了3D打印，不僅能提高火箭的制造效率，同時也可大幅度降低出現(xiàn)故障概率，大大縮短了火箭發(fā)射需要的檢測時間。

當然，我們更不能忘了小型運載火箭在軍事領(lǐng)域的重要應用前景。近年來，一些退役下來的性能先進的彈道導彈相繼加入小型運載火箭的改裝行列。小型運載火箭機動靈活、反應速度快，一旦在軍事上遭遇突發(fā)事件和局部戰(zhàn)爭爆發(fā)，任務衛(wèi)星的損失補充和應急發(fā)射等都需要小型快速火箭出來大顯身手。海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)后，美軍就應急發(fā)射過兩顆近地軌道小型通信衛(wèi)星，確保了戰(zhàn)時美軍通暢的戰(zhàn)場通信能力。此外，小型運載火箭的大量新技術(shù)還可用于開展高超音速武器的飛行試驗。

美國早在數(shù)年前就曾提出過“衛(wèi)星即插即用”概念，對于及時響應型衛(wèi)星和一系列低成本快速發(fā)射型火箭的需求成為當務之急。美國國防部為實現(xiàn)衛(wèi)星快速部署，曾開展過多個快速響應發(fā)射技術(shù)研制項目，但直到目前，機載發(fā)射輔助進入空間項目、試驗性太空飛機項目和士兵-戰(zhàn)斗者應急響應投放器等進展遲緩，小型運載火箭為衛(wèi)星的快速發(fā)射提供了新的曙光。未來戰(zhàn)爭的通信、導航、偵察等都需要大量衛(wèi)星組成天基輔助作戰(zhàn)網(wǎng)絡，衛(wèi)星網(wǎng)絡的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)缺失都會對戰(zhàn)爭制勝產(chǎn)生巨大威脅。從這個意義上講，可實現(xiàn)快速發(fā)射、重復利用且成本低廉的小型運載火箭將成為未來戰(zhàn)爭的又一“殺手锏”武器。

責任編輯：劉靖鑫