“阿斯特拉”火箭的進(jìn)展與分析

劉琳（北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

1 引言

2021年11月20日，美國阿斯特拉太空公司（Astra Space）研制的阿斯特拉-3.3（Astra-3.3，編號(hào)LV0007）火箭發(fā)射升空，將美國太空部隊(duì)的試驗(yàn)性有效載荷成功送入近地點(diǎn)438km、遠(yuǎn)地點(diǎn)507km、傾角86°的預(yù)定軌道。

此次“阿斯特拉”火箭的成功發(fā)射標(biāo)志著該公司經(jīng)過61個(gè)月的時(shí)間，已經(jīng)具備了入軌能力，刷新了私營航天企業(yè)研發(fā)液體運(yùn)載火箭并成功送入近地球軌道的時(shí)間記錄。

阿斯特拉太空公司成立于2016年10月，總部位于美國加利福尼亞州，是一家以“通過提供太空服務(wù)以改善地球生活”為使命的航天初創(chuàng)公司，公司愿景是通過制造小型火箭，使發(fā)射到近地球軌道變得高頻化、常規(guī)化以及自動(dòng)化。

2 火箭發(fā)展簡況

在此次飛行成功之前，“阿斯特拉”火箭共經(jīng)歷了1次發(fā)射中止和5次發(fā)射失敗，其中2021年8月28日LV0006號(hào)火箭發(fā)射時(shí)，由于火箭和發(fā)射臺(tái)快速斷開過程中一臺(tái)一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)異常關(guān)機(jī)，起飛推重比由1.25降至1，在強(qiáng)大的火箭制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC）系統(tǒng)的調(diào)整下，火箭在發(fā)射場開始橫向移動(dòng)，直至火箭重量進(jìn)一步減少后才開始緩慢爬升，整個(gè)過程持續(xù)數(shù)秒，被網(wǎng)友戲謔為“玩漂移的火箭”。由于這是阿斯特拉太空公司首次與美國國家航空航天局（NASA）合作進(jìn)行直播發(fā)射，這段發(fā)射影像也被全球航天愛好者實(shí)時(shí)圍觀，并在航天發(fā)射史中一舉成名。

3 火箭特點(diǎn)與分析

低成本的小型商用運(yùn)載火箭

“阿斯特拉”火箭目前有3個(gè)版本，分別為1.0、2.0和3.X版本。其中火箭1.0和2.0版不具備運(yùn)載能力，且由于3.2版本火箭的入軌速度增量不足，3.3版本重新改進(jìn)了設(shè)計(jì)方案，火箭長度由11.6m增至13.1m，用于增加推進(jìn)劑量并對(duì)一、二級(jí)級(jí)間比進(jìn)行了調(diào)整，箭體直徑為1.32m。目前，該公司還在開展4.0版火箭的研制以及試飛準(zhǔn)備工作。

現(xiàn)階段的阿斯特拉-3.3火箭，其動(dòng)力方案是一級(jí)采用5臺(tái)電泵式“海豚”（Delphin）液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)設(shè)計(jì)，能夠提供的海平面總推力為140kN，工作時(shí)間約為170s；二級(jí)采用1臺(tái)“以太”（Aether）發(fā)動(dòng)機(jī)，工作時(shí)間約為540s?；鸺倪\(yùn)載能力達(dá)到近地球軌道不小于100kg，屬于小型商用運(yùn)載火箭系列。

“阿斯特拉”火箭歷次任務(wù)統(tǒng)計(jì)

阿斯特拉―3、4火箭運(yùn)載能力 kg

商用小型運(yùn)載火箭的核心競爭力是經(jīng)濟(jì)性，為了實(shí)現(xiàn)低成本，“阿斯特拉”火箭在設(shè)計(jì)方案選擇、性能指標(biāo)確定以及商業(yè)發(fā)射模式上都做出了取舍。

在設(shè)計(jì)方案上，火箭結(jié)構(gòu)舍棄成本較高的復(fù)合材料與3D打印技術(shù)，選擇了經(jīng)濟(jì)性好的輕質(zhì)鋁材料并配以簡單制造工藝。

在性能指標(biāo)上，火箭放棄了自主可控回收技術(shù)。采用自主可控回收技術(shù)雖然可以獲得更好的經(jīng)濟(jì)性，但是對(duì)于運(yùn)載能力性能指標(biāo)會(huì)造成極大的損失。例如：2021年12月2日火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）發(fā)布的“中子”（Neutron）火箭，在采用了一級(jí)回收方案后，近地球軌道的運(yùn)載能力將由15t降至8t，能力損失達(dá)到46.7%。如果以同樣的比例換算到“阿斯特拉”火箭，那么其近地球軌道的運(yùn)載能力將由100kg降至46kg，對(duì)于小型火箭而言，就意味著損失了將近一半的潛在客戶，并且運(yùn)載成本也將翻倍。

在任務(wù)模式上，公司以追求超高密度發(fā)射為發(fā)展目標(biāo)。目前該公司已獲得超過50次的發(fā)射訂單，合同金額達(dá)到1.5億美元，且即將發(fā)射的LV0008火箭的商業(yè)訂單價(jià)格為390萬美元，據(jù)此推算，“阿斯特拉”火箭目前的單次發(fā)射價(jià)格約為300～400萬美元。公司表示未來將通過實(shí)現(xiàn)“日發(fā)”從而大幅降低發(fā)射成本。為此，公司還聘請(qǐng)了蘋果公司前雇員本杰明擔(dān)任公司首席工程師，以發(fā)揮其在iphone、ipad和Mac方面的批量產(chǎn)品研發(fā)經(jīng)驗(yàn)。

快測試、超靈活和高頻模式

在增加發(fā)射頻次方面，“阿斯特拉”火箭不是夸下?？冢窃谶M(jìn)行充分準(zhǔn)備。

首先是開發(fā)階段的快速測試與產(chǎn)品迭代：阿斯特拉太空公司在舊金山外建立世界上第一個(gè)完全集成的火箭開發(fā)、制造和測試設(shè)施，其中包括兩個(gè)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)測試臺(tái)，使得發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造地點(diǎn)僅距離數(shù)百英尺，用于支持開展快速和重復(fù)的實(shí)驗(yàn)。

其次是發(fā)射階段的快速機(jī)動(dòng)與靈活部署：阿斯特拉太空公司還開發(fā)了極為簡化的“便攜式”發(fā)射系統(tǒng)，無需建設(shè)永久性的發(fā)射場，接到發(fā)射任務(wù)后，火箭以及整個(gè)發(fā)射系統(tǒng)會(huì)被裝進(jìn)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱，從公司總部運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射地點(diǎn)，只需要6人團(tuán)隊(duì)在7天內(nèi)就可以完成發(fā)射臺(tái)的搭建與火箭射前準(zhǔn)備工作，并將衛(wèi)星載荷送入太空。這種“集裝箱式”的發(fā)射方式使火箭發(fā)射幾乎可以使用“任意”發(fā)射場地：“阿斯特拉”火箭目前在位于美國阿拉斯加的科迪亞克島實(shí)施發(fā)射，LV0008火箭在卡納維拉爾角的商業(yè)發(fā)射場進(jìn)行，2022年還計(jì)劃在馬紹爾群島發(fā)射。

最后是制定好時(shí)間表：阿斯特拉太空公司聲稱計(jì)劃在2021年年底實(shí)現(xiàn)每月發(fā)射一次的頻率，并在未來的2～3年內(nèi)大幅增加發(fā)射計(jì)劃，目標(biāo)是到2025年實(shí)現(xiàn)每天發(fā)射一次。

4 未來發(fā)展與分析

“阿斯特拉”火箭成功入軌的同時(shí)，阿斯特拉太空公司收購了星用電推進(jìn)研制廠家阿波羅聚變公司（Apollo Fusion），并向美聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）提交了在近地球軌道上構(gòu)建13620顆衛(wèi)星的星座的申請(qǐng)，公司稱未來將努力為客戶提供滿足需求的端到端的一體化服務(wù)，看來不久的將來，不僅會(huì)有“阿斯特拉”火箭，還將有“阿斯特拉”衛(wèi)星、“阿斯特拉”星座……而這一切得益于資本市場的重金加持。就在“阿斯特拉”火箭在私營航天領(lǐng)域創(chuàng)造了“最快”入軌火箭記錄的同時(shí)，阿斯特拉太空公司在資本市場也刷新了“最快”納斯達(dá)克上市的紀(jì)錄。

2021年7月，投資人麥考夫（McCaw）與阿斯特拉太空公司達(dá)成價(jià)值21億美元的交易。隨后，公司創(chuàng)始人克里斯·坎普（Chris Kemp）宣稱：“這筆交易為我們提供了從地球上任何地方每天進(jìn)入近地球軌道的資金。”通過特殊目的收購公司（SPAC）合并上市，阿斯特拉太空公司雖然不是第一家，但是絕對(duì)是獲益最大的一家?！癝PAC合并”近兩年在資本市場異軍突起，2020年的募資金額占比超過了傳統(tǒng)的IPO模式，2021年在航天領(lǐng)域掀起“燎原之勢”。維珍軌道公司（Virgin Orbit）、火箭實(shí)驗(yàn)室都先后完成了“SPAC合并”，并獲得數(shù)億美元的現(xiàn)金支持，但他們的“SPAC合并”均是發(fā)生在獲得首飛成功之后。相比而言，阿斯特拉太空公司作為尚未首飛成功就上市的公司，就能獲得來自投資人和股民們的巨額資金投入，助力其首飛任務(wù)，絕對(duì)是“SPAC合并”的最大受益者，有了充裕的資金支撐，相信“阿斯特拉”火箭以及阿斯特拉太空公司的未來發(fā)展將如沐春風(fēng)。

5 小結(jié)

隨著“阿斯特拉”火箭的入軌成功，美國商業(yè)航天領(lǐng)域又添新成員。隨著資本市場推波助瀾，越來越多的風(fēng)險(xiǎn)投資家和創(chuàng)業(yè)者逐夢航天。隨著形形色色的小型衛(wèi)星技術(shù)不斷提升，未來的太空市場令人充滿遐想與期待。與阿斯特拉太空公司一樣的航天發(fā)射公司，更像只無形的手，讓太空與地球的連接變得越來越密切，越來越尋常，越來越便捷地走進(jìn)我們的生活。