三年磨一“箭”：“朱雀二號”蓄勢待發(fā)

張昌武 張傳軍

2018年年初，美國馬斯克用獵鷹重型火箭將自己的愛車特斯拉跑車送上了太空，看得人熱血沸騰。2018年10月27日，中國民營航天公司——北京藍(lán)箭空間科技有限公司自主研發(fā)的三級固體運(yùn)載火箭“朱雀一號”離開發(fā)射塔架，朝著太陽同步軌道飛去。由此也為中國商業(yè)航天的元年添上了濃墨重彩的一筆。此前中國民營火箭公司已成功發(fā)射幾次不進(jìn)入太陽同步軌道的單級探空火箭，而“朱雀一號”是中國商業(yè)航天在運(yùn)載火箭領(lǐng)域做出的第一次嘗試。

千只鳳凰一 “朱雀”

“朱雀一號”是由國內(nèi)最早取得行業(yè)全部準(zhǔn)入資質(zhì)的民營火箭企業(yè)——北京藍(lán)箭空間科技有限公司（以下簡稱“藍(lán)箭航天”）自主研發(fā)的三級固體運(yùn)載火箭。它的研發(fā)歷時(shí)近一年，耗資7000多萬元。

“朱雀一號”為三級固體運(yùn)載火箭，全箭總長19米，箭體直徑為1.35米，起飛重量27噸，起飛推力45噸。其設(shè)計(jì)運(yùn)力為500公里高度太陽同步軌道（SSO）200公斤、200公里高度近地圓軌道（LEO）運(yùn)載能力300公斤。

此外，“朱雀一號”還搭載了為《加油！向未來》節(jié)目定制的科普教育衛(wèi)星“未來號”。“未來號”衛(wèi)星搭載了光學(xué)對地觀測相機(jī)和空間在軌實(shí)驗(yàn)艙，在軌設(shè)計(jì)壽命2年。該衛(wèi)星在功能上融合了空間在軌科普實(shí)驗(yàn)和對地遙感觀測，滿足在軌科學(xué)實(shí)驗(yàn)需求，并配有集成數(shù)據(jù)回傳系統(tǒng)，是一顆空間科學(xué)和遙感綜合用途微小衛(wèi)星。

歷史性的380秒

2018年10月27日下午16時(shí)整，隨著指揮中心一聲“點(diǎn)火！”，肉眼可見火箭一、二級分離，火箭沿著原定軌道繼續(xù)升空。隨后，火箭超出肉眼可見范圍，現(xiàn)場指揮司令宣布第三級點(diǎn)火正常。最終，指揮中心等來消息：火箭發(fā)射后飛行正常，一、二級工作正常，整流罩分離正常，但是三級出現(xiàn)異常。三級自旋時(shí)失穩(wěn)，火箭接近但未能達(dá)到第一宇宙速度，其載荷的“未來號”商業(yè)衛(wèi)星也未能按照預(yù)定計(jì)劃進(jìn)入太陽同步軌道。

這一結(jié)果讓人扼腕！不入軌，對藍(lán)箭航天來講是一個(gè)遺憾，離實(shí)現(xiàn)奇跡差了一步！盡管發(fā)射任務(wù)未能圓滿完成，但“朱雀一號”依然展現(xiàn)出相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。這短短的380秒，代表藍(lán)箭航天通過這次發(fā)射得以驗(yàn)證火箭各級分離、整流罩分離等關(guān)鍵步驟；代表了民營力量在運(yùn)載火箭所需的能力鏈條、供應(yīng)鏈條、體系鏈條、發(fā)射鏈條已逐級打通，這也將為中國民營航天、商業(yè)航天的發(fā)展做出貢獻(xiàn)。因此，這380秒是有歷史性意義的。

失之毫厘，差之千里

藍(lán)箭航天對“朱雀一號”三級固體運(yùn)載火箭飛行實(shí)驗(yàn)的快速處理數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析。

經(jīng)數(shù)據(jù)判讀，火箭點(diǎn)火、起飛正常，一級飛行正常，一、二級分離正常，二級飛行正常，二、三級分離正常，整流罩分離正常，三級滑行段飛行正常，三級主發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后火箭飛行正常。最大飛行高度337千米，最快速度6300m/s。

三級工作約37秒（對應(yīng)總飛行時(shí)間402秒）后，主發(fā)動機(jī)工作正常，但姿態(tài)控制力異常，推進(jìn)劑提前耗盡。經(jīng)初步分析，可能是末修姿控動力系統(tǒng)某推力室輸送管損壞導(dǎo)致了控制力下降和推進(jìn)劑泄露。

對于航天來說，失之毫厘，就是差之千里！

航天探索充滿未知，尤其對于民營航天來說，即便是馬斯克的SpaceX，也經(jīng)歷多次失敗才取得成功，他的“獵鷹號”初次發(fā)射因?yàn)橐粋€(gè)錯(cuò)誤發(fā)射延期，之后又連續(xù)兩次延期，正式發(fā)射后僅26秒就出現(xiàn)問題導(dǎo)致墜落。

鵲鳴兆喜，蓄勢待發(fā)

商業(yè)航天最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，就是航天發(fā)動機(jī)技術(shù)。這是火箭、空天飛行器的主要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)。以液體發(fā)動機(jī)為例，當(dāng)前最前沿的技術(shù)是探索研制液氧甲烷發(fā)動機(jī)。隨著美國太空探索技術(shù)公司（以下簡稱“SpaceX公司”）的“獵鷹九號”火箭的第一級重復(fù)使用技術(shù)的成功實(shí)現(xiàn)，液體火箭發(fā)動機(jī)的單次任務(wù)可多次啟動和可在多次任務(wù)中使用的性能成為了工程師追求的目標(biāo)。

相較于當(dāng)前主流的液氧煤油和液氫液氧兩個(gè)組合，液氧甲烷具有冷卻能力強(qiáng)、比沖高（考驗(yàn)燃料性能指標(biāo)之一，比沖越高油耗越少）、不易結(jié)焦等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)單位質(zhì)量燃料的成本只有煤油的1/3和液氫的1/30。這種特性使得液氧甲烷成為推動火箭、空天飛行器低成本、可重復(fù)使用的最理想組合。現(xiàn)在使用液氧甲烷火箭發(fā)動機(jī)的有SpaceX公司的猛禽下一代液氧甲烷發(fā)動機(jī)、美國藍(lán)色起源公司的BE-4液氧甲烷發(fā)動機(jī)、中國藍(lán)箭的天鵲液氧甲烷發(fā)動機(jī)。

藍(lán)箭的下一款核心產(chǎn)品是中型液體運(yùn)載火箭“朱雀二號”。在動力系統(tǒng)上，“朱雀二號”將選擇“80+10”的最優(yōu)技術(shù)路線。其中，80噸發(fā)動機(jī)通用于火箭一級和二級，10噸級發(fā)動機(jī)通用于火箭二級和三級，低地球軌道運(yùn)載能力可達(dá)4噸，太陽同步軌道運(yùn)載能力2噸。“朱雀二號”計(jì)劃在2020年實(shí)現(xiàn)火箭首飛，這將成為中國航天事業(yè)發(fā)展的有益補(bǔ)充。

中型火箭“朱雀二號”基本型為兩級液體運(yùn)載火箭，可以將兩輛大型SUV轎車同時(shí)送入太空?！爸烊付枴笔褂盟{(lán)箭航天自主研發(fā)的80噸液氧甲烷發(fā)動機(jī)天鵲（TQ-12）短噴管推力室，于2018年10月進(jìn)行了20秒的短程點(diǎn)火試車并取得成功。

中國民營商業(yè)航天企業(yè)的定位是航天發(fā)射“國家隊(duì)”的有益補(bǔ)充，而非競爭者。隨著衛(wèi)星應(yīng)用市場的高速發(fā)展，中國航天的現(xiàn)狀是火箭運(yùn)力不足，“國家隊(duì)”忙于完成國家重大航天項(xiàng)目，大量商業(yè)衛(wèi)星只能排隊(duì)等待。中國民營商業(yè)航天企業(yè)在軍民融合的推力下大有可為。

2019年3月2日，載著載人龍飛船的助推火箭“獵鷹九號”，從美國佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射。飛船里有個(gè)假人模型，用來記錄真實(shí)宇航員承受的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。3月3日，美國宇航局在任務(wù)現(xiàn)場直播視頻宣布，SpaceX公司載人龍飛船成功與國際空間站進(jìn)行對接。

裝備到“朱雀二號”上的天鵲（TQ-12）發(fā)動機(jī)，已隆隆啟動。太空正成為中國企業(yè)開拓的新邊疆，中國初創(chuàng)公司正在大膽地與SpaceX等公司競爭，若想在航天市場競爭中拔得頭籌，將需要我們共同努力。

作者單位 北京藍(lán)箭空間科技有限公司

中國航天科技集團(tuán)空間技術(shù)研究院太空巡天科技（北京）有限公司

TIPS1

固體運(yùn)載火箭是利用固體火箭發(fā)動機(jī)作動力裝置的運(yùn)載火箭——固體推進(jìn)劑運(yùn)載火箭的簡稱?！爸烊敢惶枴笔褂玫墓腆w燃料推進(jìn)劑是丁羥四組元，它是由氧化劑硝酸銨、高氯酸銨、鋁粉和黏合劑端羥基聚丁二烯組成。硝酸銨富含氮元素，在農(nóng)業(yè)上是很常用的一種氮肥，能促進(jìn)光合作用和作物增殖，但這種化肥長期堆放會導(dǎo)致結(jié)塊，容易發(fā)生爆炸，因此現(xiàn)已被含氮量更高、風(fēng)險(xiǎn)更低的尿素替代。

TIPS2

太陽同步軌道是一種近似的極地軌道，即軌道經(jīng)過南北兩極上空。這類衛(wèi)星軌道的最大特點(diǎn)是，會在相同的時(shí)間點(diǎn)經(jīng)過相同的位置上空。光學(xué)遙感衛(wèi)星和氣象衛(wèi)星青睞太陽同步軌道也是其中的緣由。選擇這一軌道的衛(wèi)星可以設(shè)置成在白天同一時(shí)間經(jīng)過一片區(qū)域，從而獲得這片區(qū)域清晰的光學(xué)圖像。