小火箭送小衛(wèi)星

沈葉華

本刊2021年第7期介紹了新興的人造衛(wèi)星——“立方星”（詳情請(qǐng)見(jiàn)《個(gè)人擁有衛(wèi)星不是夢(mèng)》）。它們個(gè)頭小、輕便，最小的能放在手掌上，重1千克左右;大一點(diǎn)的能提在手里，3千克上下;最大的也就一個(gè)小冰箱大小，大約100千克。立方星制造容易、造價(jià)低廉，普通大學(xué)、公司都造得起，不少還是出自“學(xué)生黨”之手，因此普及得快。到目前為止，世界各國(guó)已將上千個(gè)立方星送人了太空，這些小衛(wèi)星在太空中各顯神通——地球成像、船舶定位、天氣預(yù)測(cè)、航天新技術(shù)測(cè)試、物聯(lián)網(wǎng)、太空探索……

小小的立方星做出來(lái)后，怎樣放飛太空？

在小火箭誕生前，立方星是坐“順風(fēng)車”上太空的。當(dāng)火箭發(fā)射傳統(tǒng)的大衛(wèi)星上太空時(shí)，把立方星放到角落里，順道帶去，這樣運(yùn)費(fèi)花不了多少。小小立方星是用不起“專機(jī)”的（火箭專程運(yùn)送），那樣的話，運(yùn)費(fèi)比自身造價(jià)還高?？墒牵⒎叫强偪俊安滠嚒币膊皇寝k法：一是立方星制造快，火箭“發(fā)車”少，立方星老是等不來(lái)“便車”上路;二是傳統(tǒng)大衛(wèi)星作為火箭的“主賓”，人家說(shuō)走就走，說(shuō)停就停，“陪客”立方星未到站也得下車，剩下的路自己“走”，多有不便，立方星做夢(mèng)也想有“私家車”——屬于自己的小型火箭啊！

只要有需求，就是商機(jī)，就有供應(yīng)。為立方星量身定做的小型火箭在21世紀(jì)初應(yīng)運(yùn)而生。小火箭身板小，易制造，發(fā)射便捷，成本低廉。完全不必靠舉國(guó)之力，私人就可當(dāng)老板。

下面，我們來(lái)看看四家美國(guó)的私人公司是如何制造和發(fā)射小型火箭的。在商言商，做老板的都知道收費(fèi)越便宜越能招來(lái)客戶，成本核算使得他們各出奇招，每家公司都有自己的撒手锏。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司（Rocket lab）

火箭實(shí)驗(yàn)室公司成立于2006年，總公司位于美國(guó)，分公司位于新西蘭?！盎鸺龑?shí)驗(yàn)室”研發(fā)的二級(jí)火箭“電子號(hào)”是一枚小型火箭，高18米，直徑1.2米，重13噸?！半娮犹?hào)”與大火箭“獵鷹9號(hào)”相比，身高是前者的25%，重量是前者的2.6%。將立方星發(fā)射到近地軌道，“獵鷹9號(hào)”需花費(fèi)6200萬(wàn)美元，“電子號(hào)”只需500萬(wàn)美元。如果數(shù)十個(gè)立方星同乘“電子號(hào)”上太空，把路費(fèi)分?jǐn)傁聛?lái)，每個(gè)立方星10萬(wàn)美元就能搞定。迄今為止，“電子號(hào)”搭載立方星最多的一次是30個(gè)。

“電子號(hào)”小型火箭采用碳纖維復(fù)合材料制造。碳纖維復(fù)合材料是一種新型材料，具有堅(jiān)韌、輕便的特點(diǎn)。相對(duì)使用傳統(tǒng)鋁材，“電子號(hào)”減輕了40%。體重輕了，把它推離地球所需要的力就小，這樣可以省下許多燃料費(fèi)。

“電子號(hào)”的發(fā)動(dòng)機(jī)基本由3D打印而成。這比傳統(tǒng)的制造方式節(jié)省了許多勞動(dòng)成本。打印一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)只需24小時(shí)（“電子號(hào)”共有10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)）。制造一枚“電子號(hào)”小型火箭只需18天，而且通過(guò)改進(jìn)技術(shù)和工藝，以后將縮短到7天。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司擁有私家發(fā)射場(chǎng)，位于新西蘭的一座小島上。小島四周荒無(wú)人煙，發(fā)射火箭對(duì)周邊環(huán)境影響很小。2018年1月21日，“電子號(hào)”首次成功發(fā)射，就打開(kāi)了小型火箭的商業(yè)市場(chǎng)，贏得一張張來(lái)自不同國(guó)家的發(fā)射訂單?！半娮犹?hào)”小型火箭至今已發(fā)射19次，共將104個(gè)立方星送達(dá)太空。

相對(duì)論空間公司（Relativity Space）

相對(duì)論空間公司成立于2015年，由兩位二十來(lái)歲的年輕人創(chuàng)立。

傳統(tǒng)火箭的成本之所以高昂，建造之所以耗時(shí)，主要有兩個(gè)原因：一是原材料需要昂貴的金屬材料，而且切削完零部件的邊角料多有浪費(fèi);二是多如牛毛的零件，多如牛毛的加工工序，多如牛毛的生產(chǎn)工廠，多如牛毛的倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸……耗資巨大。

相對(duì)論空間公司在小火箭制造上，擯棄傳統(tǒng)火箭的制造方式，直接翻篇，全程3D打??！

制造中的“Terran 1”是一個(gè)二級(jí)火箭，高約30米，直徑約2米，屬于中小型火箭。從它頂部的整流罩到底部的發(fā)動(dòng)機(jī)，幾乎全都是3D打印的，其中95%是用特質(zhì)鋁3D打印而成。（余下的5%是芯片、電線、橡膠等）?！癟erran 1”只有730個(gè)零部件，是現(xiàn)在一般火箭零件數(shù)的1.2%。它從打印到發(fā)射只需60天，花費(fèi)約1200萬(wàn)美元。相比之下，傳統(tǒng)火箭的制造需2～3年，需花費(fèi)1億多美元。

目前，它已打印完成發(fā)動(dòng)機(jī)，并通過(guò)了測(cè)試，其他部件正加緊“打印”。雖然預(yù)計(jì)2021年底才進(jìn)行首次試射，但要求搭乘它上太空的立方星已排起長(zhǎng)龍，它們來(lái)自美國(guó)宇航局、美國(guó)公司、加拿大公司、泰國(guó)公司等。由此可見(jiàn)，大家對(duì)3D打印的小火箭是信心滿滿的。

維修軌道公司（Virgin Orbit）

維珍軌道公司成立于2017年，它使出的奇招是從飛機(jī)上發(fā)射小火箭。前面介紹的兩種小火箭，都是從地面發(fā)射進(jìn)入太空的。地面發(fā)射先得有一個(gè)發(fā)射場(chǎng)，而且發(fā)射時(shí)總受天氣影響——雷暴、閃電、降雨、冰雹、強(qiáng)風(fēng)，甚至烏云密布、陰霾重重時(shí)，均不能發(fā)射。說(shuō)到底，地面發(fā)射得看老天爺?shù)哪樕?/p>

維珍軌道公司采用的“空中發(fā)射”方式，即在飛機(jī)飛行途中將小火箭發(fā)射出去，這樣小火箭來(lái)去就自由多了。

“宇宙女孩”原是一架普通的波音747客機(jī)，載客飛大西洋航線14年，于2015年退休。隨后它被“返聘”，進(jìn)行改造：原客機(jī)內(nèi)的座椅、艙頂行李箱等被拆除，原商務(wù)艙改造成指揮中心。改造的重點(diǎn)是：在一側(cè)機(jī)翼的下方安裝了一只“大夾子”，用來(lái)“夾住”一枚小火箭。小火箭名叫“發(fā)射者一號(hào)”，高約21米，重約25噸，為二級(jí)火箭，制造它只需15天，制造兼發(fā)射的費(fèi)用為1200萬(wàn)美元。當(dāng)“宇宙女孩”飛行到10000米高空時(shí)，“夾子”松開(kāi)，小火箭自由落體數(shù)秒，然后小火箭上的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，小火箭沖向萬(wàn)米高空，到達(dá)預(yù)定軌道后，釋放出立方星。

由于不需要在固定的發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，哪兒天氣好，飛機(jī)就選在哪兒起飛;飛機(jī)可飛到最有利于火箭升空的地點(diǎn)（海面上或陸地上），再發(fā)射火箭。目前，全世界擁有發(fā)射場(chǎng)的國(guó)家只有11個(gè)，其余180多個(gè)國(guó)家都沒(méi)有。今后，這180多個(gè)國(guó)家發(fā)射立方星，都可能用到“空中發(fā)射”的方式。

2021年1月，“宇宙女孩”首次成功發(fā)射，將10個(gè)立方星送入太空。緊接著就收到了多張發(fā)射訂單，這些訂單有英國(guó)公司、荷蘭公司、波蘭公司等。

圖1“宇宙女孩”原是一架普通的波音747客機(jī)

圖2原客機(jī)內(nèi)的座椅、艙頂行李箱等全被拆除（以減輕自身重量，減

少使用燃料）

圖3原商務(wù)艙改造成指揮中心

圖4、5一側(cè)機(jī)翼的下方安裝了一只“大夾子”，用來(lái)“夾住”一枚火箭

圖6“發(fā)射者一號(hào)”高約21米，重約25噸，為二級(jí)火箭，15天可完成制造

Aevum公司（Aevum，Inc.）

Aevum公司使出的新招是用無(wú)人駕駛飛機(jī)Ravn X發(fā)射小火箭，它目前主要為美國(guó)國(guó)防部門服務(wù)。

Ravn X長(zhǎng)約24米，高約5米，翼展約18米，重約25噸。它從起飛到發(fā)射火箭，再到降落機(jī)場(chǎng)，全程只需3小時(shí)。既然是無(wú)人駕駛，它即使在戰(zhàn)爭(zhēng)中被擊落，也不造成人員損失。另外，它發(fā)射的籌備時(shí)間短，能滿足軍事上緊迫的發(fā)射任務(wù)。Ravn X每次的發(fā)射費(fèi)用為500萬(wàn)～700萬(wàn)美元。它已拿到了美國(guó)空軍、美國(guó)太空軍、美國(guó)國(guó)防部等多個(gè)政府部門的發(fā)射訂單。

上面介紹的4家公司只是眾多正在研發(fā)、制造小型火箭中的幾家，還有許多未能介紹，例如：Gilmour Space（澳大利亞公司）、Orbex（英國(guó)公司）、PLD Space（西班牙公司）等。中國(guó)也有好幾家：“藍(lán)箭航天”“星河動(dòng)力”“深藍(lán)航天”等，可以說(shuō)每家公司都在擼起袖子加油干，爭(zhēng)奪立方星發(fā)射的市場(chǎng)份額。

現(xiàn)在，絕大部分的立方星是發(fā)射到地球上空，繞地球飛行的。但是，前面說(shuō)的幾家小型火箭公司的目光卻不是只停留在地球上空的這“一畝三分地”上，它們目光高遠(yuǎn)：“火箭實(shí)驗(yàn)室”計(jì)劃在2021年秋發(fā)射立方星到月球，在2023年發(fā)射到金星;“維珍軌道”計(jì)劃在2022年發(fā)射立方星到火星;“相對(duì)論空間”走在最前面，正為人類移居其他星球做著準(zhǔn)備呢！

（編輯 文墨）