中科宇航向世界最大固體火箭發(fā)起沖擊

+李剛

北京中科宇航探索技術(shù)有限公司近日公布了兩型固體運(yùn)載火箭計(jì)劃，首型火箭中科一號甲（ZK-1A）計(jì)劃2021年9月首飛，2022年具備商業(yè)發(fā)射能力；第二型火箭中科二號（ZK-2）計(jì)劃2022年12月首飛，2023年具備商業(yè)發(fā)射能力。中科一號甲和中科二號火箭的起飛質(zhì)量分別為135噸、343噸，邁入全球最大固體運(yùn)載火箭行列。

固體火箭日益“壯大”，瞄準(zhǔn)更大用戶市場

固體運(yùn)載火箭一直是各航天強(qiáng)國運(yùn)載體系中不可或缺的組成部分，它簡單、可靠，發(fā)射前無需加注推進(jìn)劑且可長期整箭存儲，操作簡捷、響應(yīng)快速、發(fā)射高效。在應(yīng)用領(lǐng)域軍民兩用，既可用于軍用和應(yīng)急快速發(fā)射，也可以日常發(fā)射民用和商用衛(wèi)星。固體火箭使用靈活便捷，對發(fā)射場依賴程度低，極大地豐富了火箭的使用和發(fā)射模式，可以從陸地、海洋甚至空中發(fā)射，能夠有效緩解發(fā)射場資源緊張局面。

面對即將到來的全球低軌中小衛(wèi)星發(fā)射高峰期，固體運(yùn)載火箭是中小型衛(wèi)星、追求效率的星座組網(wǎng)發(fā)射的最優(yōu)選擇之一。

但因受到制造、運(yùn)輸條件的限制，大部分固體火箭的運(yùn)載能力不高。常見固體運(yùn)載火箭的太陽同步軌道（SSO）運(yùn)載能力不超過1噸。這樣就造成了平均到每千克上的發(fā)射成本并不低，而且很難發(fā)射大型衛(wèi)星，也不能大數(shù)量一箭多星組網(wǎng)發(fā)射。

隨著固體運(yùn)載火箭技術(shù)的進(jìn)步和能力的提升，固體運(yùn)載火箭也在日益“壯大”，運(yùn)載能力的不斷突破，大大擴(kuò)展了固體運(yùn)載火箭的服務(wù)范圍。

首飛于2012年2月的歐空局織女星（Vega）火箭就是一個典型代表，700千米SSO軌道的運(yùn)載能力達(dá)到了1.5噸，歐空局還在研制推力更大的織女星-C火箭，運(yùn)力將提升到2.2噸（700千米SSO軌道）。

無獨(dú)有偶，中國也在積極研制更大的固體運(yùn)載火箭，中國航天科工集團(tuán)在快舟一號甲火箭穩(wěn)定提供商業(yè)發(fā)射服務(wù)之后，于今年7月10日首次發(fā)射了運(yùn)力更大的快舟十一號火箭，其發(fā)射質(zhì)量達(dá)78噸，箭體直徑2.2米，700千米SSO軌道運(yùn)載能力達(dá)到1噸。中國航天科技集團(tuán)的長征十一號火箭是一種重58噸，700千米SSO軌道運(yùn)載能力420千克的小型運(yùn)載火箭，其在研的改進(jìn)型號長征十一號甲，起飛重量則增加到115噸，箭體直徑增加到2.65米，700千米SSO能力將達(dá)到1.5噸。

而中科宇航本次公布的兩款固體運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到2～4噸，起飛重量在全球現(xiàn)役、在研固體運(yùn)載火箭中位居前列，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了大型化，將有效滿足全球尤其中國商業(yè)航天發(fā)射的旺盛需求。

百噸級起步，全球首款CBC構(gòu)型固體火箭

圖1 中科宇航固體運(yùn)載火箭型譜

中科系列固體運(yùn)載火箭起步較高，起飛質(zhì)量都超過百噸，包括中科一號（ZK-1）和中科二號（ZK-2）固體運(yùn)載火箭，其中中科一號火箭經(jīng)過簡化構(gòu)型衍生出中科一號甲（ZK-1A）和中科一號乙（ZK-1B）兩型火箭。（參見圖1）

中科一號的芯一級到芯四級分別使用200噸級、100噸級、50噸級和10噸級固體火箭發(fā)動機(jī)，捆綁4個固體助推器，近地軌道運(yùn)載能力可達(dá)3噸。中科一號甲火箭為無助推型號，近地軌道運(yùn)載能力約為2噸，其中700千米SSO軌道運(yùn)力為1.33噸（參見圖2），不僅遠(yuǎn)超過國內(nèi)型號，也超過了美國米諾陶4火箭的1.1噸。中科一號乙為并聯(lián)兩臺固體助推器的捆綁火箭，近地軌道運(yùn)載能力約為2.5噸?？偠灾?，通過模塊化和組合化設(shè)計(jì)，中科一號火箭及其衍生型中科一號甲、乙型號覆蓋了近地軌道2～3噸的運(yùn)力范圍，可以滿足很大一部分近地軌道任務(wù)的發(fā)射需求。

圖2 ZK-1A固體運(yùn)載火箭示意圖及相關(guān)參數(shù)

中科二號火箭可以說是固體火箭家族中名副其實(shí)的“胖子”。其芯一級、芯二級、助推器均繼承中科一號成熟的一子級模塊，并沿用中科一號的四級發(fā)動機(jī)。在2.65米直徑固體火箭芯級外側(cè)捆綁并聯(lián)兩枚同樣的固體助推器，將成為世界上最大的固體運(yùn)載火箭之一，火箭總長度39.7米，起飛質(zhì)量343噸，700千米SSO軌道的運(yùn)載能力提高到了3.55噸（參見圖3），不僅遠(yuǎn)高于尚在研制中的織女星-C大型固體運(yùn)載火箭，甚至高于現(xiàn)役的長征二號丙、長征四號乙和長征四號丙中型液體運(yùn)載火箭。中科二號火箭還使用了4米和4.2米直徑的大尺寸整流罩，足以滿足大中型衛(wèi)星或大數(shù)量小衛(wèi)星組網(wǎng)發(fā)射需求。

值得一提的是，中科二號火箭使用了在固體運(yùn)載火箭中極為少見的通用助推芯級（CBC，Common Booster Core）方案。CBC是指采用同樣的火箭級段組合起來，成為火箭一級，能夠有效簡化設(shè)計(jì)、制造和流程控制，美國的德爾塔IV重型火箭、俄羅斯的安加拉和美國的獵鷹重型火箭就采用了這樣的思路（參見圖4），不需要研制新的更大推力發(fā)動機(jī)就能大幅提升火箭的運(yùn)載能力，最大程度縮短研發(fā)周期和成本，可謂多快好省。在固體火箭上，CBC方案的采用還是第一次。（參見圖5）

圖3 ZK-2固體運(yùn)載火箭示意圖及相關(guān)參數(shù)

圖4 德爾塔4、安加拉、獵鷹重型的CBC構(gòu)型圖（均為液體火箭）

多舉措降成本，先進(jìn)性可圈可點(diǎn)

傳統(tǒng)固體運(yùn)載火箭存在單位發(fā)射成本過高的問題，但和液體運(yùn)載火箭一樣，火箭越大單位發(fā)射成本越低。中科一號、二號有固體火箭中最低廉的發(fā)射成本，CBC構(gòu)型的使用也進(jìn)一步降低了發(fā)射成本。

為了簡化發(fā)射準(zhǔn)備操作流程，中科一號甲火箭使用了地面測發(fā)控和箭上航電一體化設(shè)計(jì)，可以用筆記本遠(yuǎn)程控制發(fā)射。發(fā)射系統(tǒng)采用了三平一垂設(shè)計(jì)，進(jìn)一步縮短了發(fā)射準(zhǔn)備時間，減少了發(fā)射場租金成本。

中科宇航公司公布，經(jīng)過綜合測算，中科一號甲固體火箭的發(fā)射價格目標(biāo)為7萬元/kg，將成為目前世界起飛質(zhì)量最大、綜合成本最低、性價比國際領(lǐng)先的固體運(yùn)載火箭。

中科系列固體運(yùn)載火箭在追求低成本的同時，也實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)先進(jìn)性，例如擁有較高的運(yùn)載系數(shù)。運(yùn)載系數(shù)指的是入軌載荷占火箭起飛質(zhì)量的比例，它是運(yùn)載火箭性能的一個重要指標(biāo)，是運(yùn)載火箭綜合設(shè)計(jì)水平的重要體現(xiàn)。SpaceX的獵鷹九號火箭備受追捧，一個重要原因就是運(yùn)載系數(shù)在現(xiàn)有火箭中獨(dú)占鰲頭。中科一號甲火箭近地軌道運(yùn)載系數(shù)超1%，700千米SSO軌道的運(yùn)載系數(shù)也接近1%，是當(dāng)今固體運(yùn)載火箭中的翹楚，比日本艾普斯龍（Epsilon）固體運(yùn)載火箭的0.5%高得多，甚至超過了一些老款的液體火箭。

火箭首飛在即，前景值得期待

中科一號甲和中科二號火箭的研制進(jìn)展順利。中科一號甲預(yù)計(jì)2021年9月首飛，2022年投入商業(yè)發(fā)射市場。中科二號預(yù)計(jì)2022年12月進(jìn)行首飛，次年具備商業(yè)發(fā)射能力，未來可通過更換液體末級組成固液混合火箭進(jìn)一步提高運(yùn)載能力，拓展發(fā)射靈活性和適應(yīng)性。屆時，中科二號有望成為國內(nèi)，也是全世界最大的、發(fā)射成本最低的固體運(yùn)載火箭，中科宇航將在商業(yè)發(fā)射市場上成為一個有力競爭者。

圖5 ZK-2固體運(yùn)載火箭CBC構(gòu)型捆綁設(shè)計(jì)