藍色起源公司“新謝潑德”飛行器及其未來發(fā)展分析

楊開 才滿瑞（北京航天長征科技信息研究所）

2018年4月29日，藍色起源公司（Blue Origin）的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道飛行器完成第8次飛行試驗，最大飛行高度為107km，達到未來太空旅游任務的標準高度，朝著商業(yè)化運營又邁出了重要一步。

1 技術理念

藍色起源公司由網絡零售商亞馬遜創(chuàng)始人——杰夫·貝索斯于2000年創(chuàng)立，重點關注火箭垂直返回著陸技術，以此實現(xiàn)亞軌道飛行和軌道發(fā)射。“藍色起源”意指人類生活的地球是未來航天活動的根源。

藍色起源公司的理念是“堅實做好每一步”（Step by Step, Feriously），突出技術為本和樸實低調的風格，采用漸進式發(fā)展模式，從垂直起降技術驗證和發(fā)動機研制起步，到成功試驗亞軌道重復使用飛行器，再進一步挑戰(zhàn)大推力液氧/甲烷發(fā)動機以及“新格倫”（New Glenn）大型運載火箭，秉持從易到難、從小到大的方案設計理念。藍色起源公司的低調內斂和太空探索技術公司（SpaceX）的高調宣傳形成鮮明對比，但是通過一步一個腳印地打好技術基礎、做好每款產品，也成長為商業(yè)航天領域內的重要力量之一。

藍色起源公司在2005年到2011年間設計制造了多個垂直返回著陸技術驗證機，但是很少對外宣傳。這種相對“傳統(tǒng)”和保守的漸進式發(fā)展理念，使其在開始并未得到廣泛關注，反而是更晚介入垂直返回著陸技術的SpaceX公司博取了更多眼球。不過藍色起源公司的長期研發(fā)投入終于在2015年得到回報，“新謝潑德”飛行器在SpaceX公司的獵鷹－9（Falcon－9）火箭之前實現(xiàn)垂直返回著陸，實現(xiàn)里程碑式的跨越，也為后續(xù)發(fā)展計劃奠定了基礎。

2 發(fā)展歷程

“新謝潑德”飛行器研制計劃最早于2006年公布，該方案包括提供上升段推力的動力模塊和搭載游客的乘員艙。乘員艙安裝在動力模塊上方，利用動力模塊的火箭發(fā)動機頂推到一定高度（約40km）后，動力模塊發(fā)動機關機，乘員艙分離，利用慣性自由滑行至100km左右的高空，讓游客體驗微重力環(huán)境、欣賞高空景象，最后乘員艙返回，利用降落傘減速著陸。動力模塊下降到接近地面時，會重新啟動發(fā)動機，通過動力反推實現(xiàn)垂直返回著陸。為保證發(fā)射起飛階段的人員安全，乘員艙配備了逃逸系統(tǒng)。

前期技術驗證

藍色起源公司在2005年利用一架稱為“卡戎”（Charon）的驗證機啟動了垂直返回著陸技術的驗證。該驗證機使用4臺羅羅公司（Royce-Rolls）生產的航空噴氣發(fā)動機，垂直安裝到一個鋁合金焊接的框架結構上，利用推力矢量控制實現(xiàn)機動?！翱ㄈ帧痹?005年3月5日完成飛行試驗，最大飛行高度96.3m，成功降落到地面上。藍色起源公司利用“卡戎”初步了解垂直返回著陸技術的設計、制造和操作流程。

“卡戎”之后，藍色起源公司啟動了“新謝潑德”亞軌道旅游飛行器的規(guī)劃，通過多型驗證機從低空到高空循序漸進地開展垂直返回著陸技術的研發(fā)驗證，同時開展試驗、發(fā)射、測控等設施的建設，最后再對全尺寸的“新謝潑德”飛行器開展高空飛行試驗。

在“新謝潑德”飛行器研制計劃下的首個技術驗證機名為“戈達德”（Goddard），也稱為動力模塊－1（Propulsion Module 1）。該飛行器采用了9臺BE－1火箭發(fā)動機，于2006年11月13日進行首次垂直起降飛行試驗，最大飛行高度為85m。2007年又完成了2次飛行試驗，提升了飛行高度。通過動力模塊－1的飛行試驗，藍色起源公司驗證了其飛行軟件的設計。該軟件能夠實現(xiàn)射前準備、發(fā)射、飛行和著陸的自動控制。BE－1是一臺采用過氧化氫推進劑的單組元發(fā)動機，推力為8.9kN。

之后，藍色起源公司開始研制動力模塊－2（Propulsion Module 2）技術驗證機，該驗證機在外形上更加接近于現(xiàn)在的“新謝潑德”飛行器。動力模塊－2采用5臺BE－2火箭發(fā)動機，2011年5月6日進行首次飛行試驗，飛行高度達到167m，完成低空垂直返回的驗證。2011年8月14日在第2次飛行試驗中，動力模塊－2達到Ma 1.2的速度，最大飛行高度達到13.7km。不過由于飛行失穩(wěn)，安全系統(tǒng)終止了推力，動力模塊－2最終墜落到沙漠中。BE－2發(fā)動機采用過氧化氫/煤油推進劑，推力為140kN。

在開展動力模塊驗證的同時，藍色起源公司通過參與“商業(yè)乘員開發(fā)”（CCDev）計劃，在美國國家航空航天局（NASA）的資助下于2012年完成了乘員艙的逃逸試驗。乘員艙采用一種推進器逃逸系統(tǒng)，在上升段出現(xiàn)緊急狀態(tài)時，利用頂推的方式使乘員艙遠離動力模塊。而傳統(tǒng)載人飛船的逃逸塔一般采用拉拽的方式使飛船遠離火箭。

全尺寸飛行試驗

從動力模塊－1和動力模塊－2分別采用BE－1、BE－2發(fā)動機可以看到，藍色起源公司最初將發(fā)動機研制的重點放到了過氧化氫/煤油推進劑上。而且在2006年披露的設計方案中，“新謝潑德”飛行器原計劃也采用過氧化氫/煤油火箭發(fā)動機。不過在2011年的動力模塊－2飛行試驗失敗之后，藍色起源公司對動力系統(tǒng)方案進行了重大調整。當時，該公司正在NASA的CCDev計劃下開展BE－3液氫/液氧發(fā)動機研制（原計劃用于發(fā)射載人飛船的重復使用助推系統(tǒng)），由于得到NASA的支持，研制進展非常順利。BE－3發(fā)動機研制項目是在2011年提出的，2012年完成推力室試車，2013年進行首次發(fā)動機試車。

考慮液氫/液氧發(fā)動機在性能上的絕對優(yōu)勢以及BE－3發(fā)動機的研制進展，再加上動力模塊－2飛行試驗出現(xiàn)意外，藍色起源公司決定將“新謝潑德”飛行器的過氧化氫/煤油火箭發(fā)動機替換為BE－3液氫/液氫發(fā)動機。

BE－3發(fā)動機采用抽氣循環(huán)方式，具有結構簡單、關機方便等優(yōu)勢，推力達到490kN，具有多次點火啟動能力，而推力調節(jié)范圍則達到了18%～100%，其設計方案非常符合垂直返回著陸技術的要求。

更換為BE－3發(fā)動機之后，藍色起源公司在2015年完成了第1架“新謝潑德”飛行器的研制，開始進行全尺寸飛行器的飛行試驗。同時，還公布了“新謝潑德”的部分設計細節(jié)。動力模塊頭部設計了環(huán)形翼和可展開的垂直翼，幫助在返回過程中調整壓心，提高穩(wěn)定性。環(huán)形翼上還有8塊可展開的減速板，在返回過程中將動力模塊的速度降低50%。尾翼利用液壓作動裝置操縱，在上升過程中提高飛行穩(wěn)定性，在返回過程中控制方向，返回著陸點。乘員艙內部有15m3的空間，能夠搭載6名乘客，設有大面積舷窗便于觀賞景色。

截至2018年4月，藍色起源公司共對3架“新謝潑德”飛行器進行了8次飛行試驗。其中，第1架“新謝潑德”于2015年4月29日進行飛行試驗時，乘員艙利用降落傘成功著陸，但是動力模塊在返回過程中由于失控而墜毀。第2架“新謝潑德”于2015年11月23日首次完成了動力模塊的垂直返回著陸，實現(xiàn)技術上的重大突破，同時還成功回收了乘員艙?！靶轮x潑德”飛行器通過8次試驗飛行，正在逐步走向成熟和商業(yè)運營。藍色起源公司計劃從第4架“新謝潑德”飛行器開始進行載人飛行。另外，藍色起源公司不僅利用“新謝潑德”飛行器開展太空旅游業(yè)務，還將利用飛行任務中3～4min的微重力環(huán)境，為各類微重力試驗提供搭載機會。

3 未來規(guī)劃

“新謝潑德”亞軌道飛行器不是藍色起源公司發(fā)展的終點，而是其漸進式發(fā)展模式中的必要一環(huán)。藍色起源公司將以亞軌道飛行器驗證的動力系統(tǒng)技術和垂直返回著陸技術為基礎，研制推力更大的BE－4液氧/甲烷發(fā)動機和“新格倫”大型運載火箭，為美國提供本土化的主動力系統(tǒng)，參與發(fā)射服務競爭。

BE－4發(fā)動機

2014年，美俄在烏克蘭問題上出現(xiàn)沖突之后，美國政府為確保本國獨立進入空間的能力，計劃研制新一代主發(fā)動機。因為美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的主力運載火箭宇宙神－5（Atlas－5）采用的是從俄羅斯進口的RD－180發(fā)動機，藍色起源公司借助這個機會，同聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司合作，快速推進BE－4發(fā)動機的研制。

BE－4發(fā)動機是首個采用液氧/甲烷推進劑的工程應用型號，采用分級燃燒循環(huán)，推力為2400kN，具備重復使用能力和推力調節(jié)能力，面向未來的重復使用運載器設計。藍色起源公司通過BE－3發(fā)動機積累了技術和經驗，在得到資金支持和政府技術支撐后，BE－4項目快速發(fā)展。到2015年，已經完成了包括預燃器、再生冷卻推力室、噴注器在內多個組件的100多次試驗，驗證了關于噴注器性能、熱傳遞、燃燒穩(wěn)定性的理論模型，根據試驗數據進一步優(yōu)化了發(fā)動機設計。2017年3月，第1臺BE－4發(fā)動機完成裝配下線。同年10月，對BE－4發(fā)動機進行第1次試車，在50%的推力水平下，點火工作3s。2018年3月，BE－4發(fā)動機在65%的推力水平下，試車114s。盡管BE－4項目在2015年和2017年曾出現(xiàn)過2次推力室試車事故，不過藍色起源公司在BE－4項目上投入了充足的資源，建設了新的試車臺，保證了研制進度，預計在2018年底完成鑒定，2019年能夠投入使用。

“新謝潑德”飛行器的8次飛行試驗情況

“新格倫”火箭

在“新謝潑德”飛行試驗不斷取得成功，BE－4發(fā)動機得到快速發(fā)展之后，藍色起源公司在2016年公布了“新格倫”大型運載火箭研制計劃。該火箭基礎構型的直徑為7m，一子級采用7臺BE－4發(fā)動機，二子級采用2臺BE－3U發(fā)動機，整流罩直徑達到7m，近地軌道運載能力45t，地球同步轉移軌道運載能力13t。根據任務需求，可以選裝三子級，采用1臺BE－3U發(fā)動機。基礎構型全長86m，三級構型全長99m。其中，BE－3U發(fā)動機在BE－3發(fā)動機的基礎上針對真空環(huán)境進行改進，適用于火箭上面級。

“新格倫”火箭的一子級采用垂直返回著陸技術，利用海上平臺實現(xiàn)回收和復用，充分繼承“新謝潑德”飛行器的現(xiàn)有技術，形成該型火箭的核心競爭力。

藍色起源公司計劃在2020年 實現(xiàn)“新格倫”火箭的首飛，將與SpaceX公司、聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司、阿里安空間公司（Arianespace）等競爭大型載荷的發(fā)射任務。目前，“新格倫”火箭已經得到4份發(fā)射合同，包括歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）、泰國Mu航天公司、日本完美天空日星公司（Sky Perfect JSAT）的3顆同步軌道衛(wèi)星發(fā)射任務，以及一網公司（ONEWEB）的4次近地軌道互聯(lián)網星座發(fā)射任務。

藍色起源公司曾表示，很多空間載荷受制于運載能力限制而不能做大，希望通過運載能力的提升來拉動發(fā)射需求的增長。例如，如果具備了更大的運載能力，衛(wèi)星廠商可以開發(fā)直徑更大的天線或者規(guī)模更大的商業(yè)空間站，研究機構也可以制造口徑更大的天文望遠鏡。

重型火箭和月球著陸器

“新格倫”火箭是藍色起源公司從亞軌道飛行向軌道發(fā)射邁出的重要一步，但不是其終點。該公司創(chuàng)始人杰夫·貝索斯在公布“新格倫”火箭方案時，還透露了未來將發(fā)展一型運載能力更大的火箭“新阿姆斯特朗”（New Amstrong），瞄準月球探索。而且，2017年藍色起源公司還專門在美國國會航天分委會的聽證會上，陳述了關于利用“藍月”（Blue Moon）月球著陸器支撐月球探索任務的方案?！八{月”著陸器可以攜帶質量為4.5t的載荷在月球表面著陸，為科研用月球車、資源探測開采、探索任務后勤補給甚至遠期的月球居住站提供支持。

4 小結

藍色起源公司在2000年成立之后，用了10多年的時間才在“新謝潑德”飛行器上取得了重要進展，其進度看上去非?！奥保拖窠芊颉へ愃魉乖浺玫囊痪湓挘骸奥蜁樌?，順利就會快?！?/p>

藍色起源公司目前披露的產品型號計劃，包括“新格倫”大型火箭、“新阿姆斯特朗”重型火箭以及未來月球探索計劃，都需要以垂直返回著陸技術和發(fā)動機技術為基礎。所以“新謝潑德”項目需要在這兩項技術上進行長時間的打磨，奠定能力基礎。也正因如此，藍色起源公司才能在BE－4發(fā)動機和“新格倫”火箭項目上實現(xiàn)快速發(fā)展。從“新謝潑德”項目可以看到，在基礎技術上進行長期投入，形成核心競爭力，對于藍色起源公司的長遠發(fā)展具有重要意義。

另外，從“新謝潑德”的產品定位而言，亞軌道太空旅游市場還不成熟，涉足競爭的公司也很少，存在很大的不確定性。而藍色起源公司其他幾型產品也都是如此，例如“新格倫”火箭50噸級別的運載能力，也不是當下發(fā)射市場的需求。所以藍色起源公司開展商業(yè)競爭的定位，可能更多地是瞄準航天領域的“藍?！?，而不是在已經競爭非常嚴重的大中型商業(yè)衛(wèi)星和小型商業(yè)衛(wèi)星方面發(fā)力。當然，這種定位和競爭策略可能存在很大的風險，要在需求分析和市場調研及預判上做好十足的準備。不過這樣一種競爭策略值得我們思考和研究，隨著航天技術越來越成熟，進入門檻越來越低，勢必有更多的競爭者入局，依靠什么樣的能力和產品才能形成優(yōu)勢，在航天領域占得一席之地？