人族-1 首飛失利，但仍創(chuàng)下多個(gè)紀(jì)錄

文/戴佳橋 楊開

▲ 人族-1 火箭發(fā)射

北京時(shí)間2023 年3 月23 日11 時(shí)25 分，美國(guó)創(chuàng)企相對(duì)論航天公司（Relativity Space）研制的3D打印小型運(yùn)載火箭人族-1，從美國(guó)卡納維拉爾角太空軍基地的LC-16 發(fā)射工位起飛，執(zhí)行首飛任務(wù)，因二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)故障遭遇失利。該火箭首飛雖然失利，但仍然創(chuàng)造了多個(gè)紀(jì)錄。

失敗中的成功

本次任務(wù)未攜帶有效載荷，且整流罩不分離，發(fā)射過(guò)程中與二子級(jí)保持連接狀態(tài)。根據(jù)發(fā)射直播畫面，在起飛前5 秒，一子級(jí)9 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)，待各系統(tǒng)正常運(yùn)行后，箭載飛行計(jì)算機(jī)發(fā)送起飛指令，火箭升空。

起飛1 分20 秒后，“人族-1”經(jīng)過(guò)最大動(dòng)壓MAX-Q（Q，與大氣密度及速度平方成正比的參數(shù)）點(diǎn)，最大動(dòng)壓點(diǎn)即箭體結(jié)構(gòu)承受載荷最大的時(shí)刻。這證明了其3D 打印箭體結(jié)構(gòu)能夠在飛行環(huán)境下保持完整性，驗(yàn)證了3D 打印技術(shù)方案的可行性。

起飛2 分40 秒后，一子級(jí)9 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)正常關(guān)機(jī)，一二子級(jí)在2 分45秒時(shí)分離，然而原本計(jì)劃在2 分51秒啟動(dòng)的二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)未能按預(yù)定時(shí)序正常點(diǎn)火啟動(dòng)，官方隨即終止了箭上畫面。

發(fā)射直播實(shí)況結(jié)束后不久，相對(duì)論航天公司官方稱發(fā)射遭遇失利，但通過(guò)最大動(dòng)壓點(diǎn)對(duì)公司就是很大成功。

遭遇發(fā)射失利后，公司官方社交媒體發(fā)布信息，“首飛任務(wù)證明相對(duì)論航天公司的3D 打印火箭技術(shù)將助力實(shí)現(xiàn)下一型人族-R 火箭。首飛箭成功通過(guò)了最大動(dòng)壓點(diǎn)，即結(jié)構(gòu)承受載荷最大的情況。這是公司創(chuàng)新增材制造方法最需要證明的問(wèn)題。今天是一次巨大的成功，創(chuàng)下了多個(gè)歷史第一。而且飛行任務(wù)按時(shí)序進(jìn)行到一子 級(jí)關(guān)機(jī)和一二子級(jí)分離。公司將評(píng)估數(shù)據(jù)，并在未來(lái)幾天提供結(jié)果”。公司創(chuàng)始人蒂姆·艾利斯則在社交媒體上羅列了“人族-1”首飛創(chuàng)下的一系列帶有前置條件的“第一”和“紀(jì)錄”。

▲ 人族-1 火箭起飛時(shí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)獨(dú)有的藍(lán)色尾焰特征顯著

從上述信息能夠看到，相對(duì)論航天公司對(duì)于首飛失利有預(yù)期，而且更關(guān)注對(duì)于3D 打印技術(shù)的驗(yàn)證，以支撐后續(xù)人族-R 火箭的研制。因此，雖然首飛失利可能會(huì)對(duì)公司已經(jīng)獲得的訂單產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)向后推遲，但是對(duì)于瞄準(zhǔn)長(zhǎng)期計(jì)劃的人族-R 火箭影響并不大。

另外，與美國(guó)其他上市的小火箭創(chuàng)企對(duì)比，“相對(duì)論航天”并沒(méi)有選擇上市融資的路徑，因此發(fā)射失利也并不會(huì)對(duì)公司財(cái)務(wù)造成顯著的影響。目前，大多選擇上市融資的小火箭公司，在資本市場(chǎng)上的表現(xiàn)也很難讓人滿意，例如阿斯特拉（Astra）航天公司在2021-2022 年多次遭遇失利后，股價(jià)長(zhǎng)期處于1 美元以下，馬上要面臨退市風(fēng)險(xiǎn)；維珍軌道公司在年初遭遇失利以及近期因資金不足而停業(yè)之后，股價(jià)也跌破1美元，即將破產(chǎn)變賣。相對(duì)論航天公司依靠前期比較高額的融資（13 億美元），仍有很大空間開展人族-R 火箭的研制，首飛失利影響很小。

▲ 相對(duì)論航天公司官方直播間內(nèi)兩位主持人的笑容絲毫看不出這是一次發(fā)射失利

坎坷的首飛之路

“人族-1”最初計(jì)劃在2020 年進(jìn)行首飛，因?yàn)檠兄七M(jìn)度、新冠疫情、規(guī)劃變更等多方面因素導(dǎo)致進(jìn)度不斷推遲，首飛箭直到2022 年才完成總裝下線。之后的首飛準(zhǔn)備工作，則是按照常規(guī)流程，從一二子級(jí)的試驗(yàn)驗(yàn)證，到發(fā)射場(chǎng)總裝測(cè)試，再到發(fā)射演練，最后進(jìn)行發(fā)射。

2022 年3 月，首飛箭二子級(jí)在相對(duì)論航天公司位于長(zhǎng)灘的總部完成總裝，運(yùn)往斯坦尼斯航天中心之后，開展了多輪短時(shí)長(zhǎng)的試車驗(yàn)證，在2022年5 月完成了長(zhǎng)程試車，試車時(shí)長(zhǎng)為4 分35 秒。之后，二子級(jí)被運(yùn)往卡角的LC-16 發(fā)射工位準(zhǔn)備進(jìn)行射前總裝。由于斯坦尼斯航天中心沒(méi)有模擬真空環(huán)境的試車臺(tái)，二子級(jí)試車過(guò)程未能模擬實(shí)際飛行任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)，這可能也是二子級(jí)未能成功啟動(dòng)的重要原因之一。

▲ “人族-1”的發(fā)射流程

2022 年6 月，首飛箭一子級(jí)在相對(duì)論航天公司位于長(zhǎng)灘的總裝廠完成總裝后，運(yùn)抵卡角的發(fā)射工位，先開展6 次短時(shí)長(zhǎng)整級(jí)試車（總計(jì)185秒），最后在10 月初完成1 次時(shí)長(zhǎng)188 秒的長(zhǎng)程試車。

2022 年11 月，相對(duì)論航天公司在完成一二子級(jí)的測(cè)試及驗(yàn)證后，在卡角完成人族-1 火箭的總裝，并進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)3個(gè)月的測(cè)試和發(fā)射準(zhǔn)備工作，隨后在2023 年2 月完成了包括推進(jìn)劑加注流程在內(nèi)的發(fā)射演練。相對(duì)論航天公司考慮到此前已經(jīng)分別對(duì)火箭一、二子級(jí)進(jìn)行過(guò)多輪試車，經(jīng)過(guò)了充分考核，雖然其發(fā)射許可中包含一次全箭靜態(tài)點(diǎn)火試車的內(nèi)容，但并未針對(duì)全箭狀態(tài)的火箭開展一子級(jí)試車。

2023 年3 月8 日，相對(duì)論航天公司進(jìn)行首次發(fā)射嘗試，發(fā)射流程進(jìn)行到起飛倒計(jì)時(shí)T-70 秒，因地面設(shè)備上的閥門故障導(dǎo)致上面級(jí)液氧溫度超出上限，觸發(fā)了火箭自動(dòng)中止系統(tǒng)，發(fā)射被迫中止。隨后，相對(duì)論航天公司宣布首飛推遲至3 月11 日，之所以推遲3 天是因?yàn)槿俗?1 火箭采用液化天然氣（LNG）而非純凈的液態(tài)甲烷，在準(zhǔn)備推進(jìn)劑過(guò)程中，需要較長(zhǎng)時(shí)間“富集”不同的組分（甲烷、乙烷、丙烷等），以滿足火箭發(fā)射的需求。

3 月11 日，人族-1 火箭進(jìn)行第二次發(fā)射嘗試。發(fā)射流程進(jìn)行到起飛倒計(jì)時(shí)T-0.5 秒，一子級(jí)9 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)點(diǎn)火，但由于火箭自檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)級(jí)間分離程序出現(xiàn)異常，中止發(fā)射，并關(guān)閉了一子級(jí)9 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。相對(duì)論公司在一個(gè)多小時(shí)后再次嘗試發(fā)射，但在T-45 秒時(shí)再次因上面級(jí)推進(jìn)劑貯箱壓力下降導(dǎo)致中止發(fā)射。這是近期國(guó)外第二次出現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火啟動(dòng)后，發(fā)射被迫中止的情況：日本H-3火箭在2023 年2 月17 日進(jìn)行首飛嘗試時(shí)，一子級(jí)2 臺(tái)LE-9 主發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)點(diǎn)火啟動(dòng)，但是由于電氣系統(tǒng)故障，發(fā)射被迫中止，主發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，發(fā)射推遲。

經(jīng)過(guò)上述推遲后，相對(duì)論航天公司在3 月23 日終于實(shí)現(xiàn)“人族-1”的首飛任務(wù)，不過(guò)因?yàn)槎蛹?jí)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)故障而失利。

小身量顛覆傳統(tǒng)制造模式

人族-1 小型火箭構(gòu)型非常類似于太空探索技術(shù)公司的獵鷹9 火箭和火箭實(shí)驗(yàn)室的電子號(hào)火箭，都是兩級(jí)串聯(lián)構(gòu)型，一級(jí)采用9 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，二級(jí)采用一臺(tái)真空型發(fā)動(dòng)機(jī)，兩個(gè)子級(jí)盡可能統(tǒng)一設(shè)計(jì)，達(dá)到簡(jiǎn)化制造、產(chǎn)品共用、降低成本的目的。但這三型火箭規(guī)模相差較大。

人族-1 火箭直徑2.3 米，高約35 米，近地軌道（LEO）運(yùn)載能力1.25噸，太陽(yáng)同步軌道（SSO）運(yùn)載能力0.9 噸，發(fā)射價(jià)格為1200 萬(wàn)美元，最低發(fā)射單價(jià)約為1 萬(wàn)美元/千克，相比獵鷹9 火箭5500 美元/千克的拼車發(fā)射價(jià)格幾乎要高出一倍。不過(guò)，單位發(fā)射價(jià)格高幾乎是所有小型火箭共有的弱點(diǎn)。

一子級(jí)采用9 臺(tái)“永世-1”液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭一子級(jí)采用9 臺(tái)永世-1 發(fā)動(dòng)機(jī)，布局類似于獵鷹9火箭，1 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在中心，其他8 臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)在外圍均勻分布。永世-1 發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)，電動(dòng)推力矢量控制系統(tǒng)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)海平面推力約為102 千牛，火箭起飛時(shí)總推力為920 千牛。人族-1 火箭利用永世-1發(fā)動(dòng)機(jī)熱交換器，用甲烷和氧氣對(duì)貯箱進(jìn)行自生增壓，不需要單獨(dú)增壓系統(tǒng)，替代了傳統(tǒng)的氦氣增壓方式。

▲ “電子號(hào)”“人族-1”和獵鷹9 火箭的對(duì)比

二子級(jí)采用1 臺(tái)“永世真空”發(fā)動(dòng)機(jī)。永世真空發(fā)動(dòng)機(jī)同樣采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)一級(jí)電動(dòng)推力矢量控制系統(tǒng)，真空推力約為126 千牛，噴管面積比165:1，具備多次啟動(dòng)能力，能夠輔助上面級(jí)實(shí)現(xiàn)鈍化離軌。與永世-1 發(fā)動(dòng)機(jī)類似，永世真空發(fā)動(dòng)機(jī)也使用熱交換器，用甲烷和氧氣對(duì)貯箱進(jìn)行自生增壓。火箭二子級(jí)的俯仰和偏航控制基于主發(fā)動(dòng)機(jī)的電動(dòng)推力矢量控制，滾轉(zhuǎn)控制基于反作用控制系統(tǒng)（RCS）實(shí)現(xiàn)。

整流罩直徑2.3 米，高6.8 米，采用金屬材料，兩瓣式設(shè)計(jì)，使用氣動(dòng)推力器進(jìn)行分離，其聲學(xué)緩沖層提供了隔音功能。整流罩內(nèi)部空間可適應(yīng)單一載荷發(fā)射、共享發(fā)射和專屬星座衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，滿足當(dāng)前衛(wèi)星星座部署的需求。

人族-1 火箭使用總線結(jié)構(gòu)的模塊化電氣系統(tǒng)，可以根據(jù)構(gòu)型需求快速插拔各類組件，包括飛行計(jì)算機(jī)、GPS、慣性導(dǎo)航單元（IMU）、遙測(cè)處理器、定制數(shù)據(jù)采集、控制處理器、高速傳感器套件、電池和攝像機(jī)等組件。此外，火箭兩個(gè)子級(jí)的電氣系統(tǒng)的組件和結(jié)構(gòu)具有通用性，大幅縮減了研發(fā)周期。同時(shí)，“人族-1”采用美國(guó)軍方和美國(guó)宇航局正在廣泛推廣的自主飛行安全系統(tǒng)（AFSS），實(shí)現(xiàn)靶場(chǎng)安控的自動(dòng)化，大幅降低人力需求，以適應(yīng)未來(lái)高密度發(fā)射需求。

為了快速學(xué)習(xí)和改進(jìn)以追趕行業(yè)內(nèi)領(lǐng)頭企業(yè)，相對(duì)論航天公司自成立起，堅(jiān)持采用增材制造技術(shù)的生產(chǎn)模式，研制了“星門”（Stargate）大型3D 打印機(jī)和“直接金屬激光燒結(jié)”（DMLS）打印機(jī)，分別用于大型箭體結(jié)構(gòu)和小型零部件的制造，能夠24小時(shí)持續(xù)生產(chǎn)?；鸺七M(jìn)劑貯箱等主要結(jié)構(gòu)，以及發(fā)動(dòng)機(jī)推力室、噴注器、渦輪泵等均采用3D 打印技術(shù)和專用鋁合金材料制造，全箭3D 打印組件占比達(dá)到85%（質(zhì)量占比）。單枚火箭從啟動(dòng)生產(chǎn)到總裝交付僅需60天，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)制造周期為15 天。在火箭制造模式上完全區(qū)別于現(xiàn)有方式，能夠快速敏捷地完成樣機(jī)和產(chǎn)品制造，支撐快速研發(fā)迭代的流程和理念。

▲ 人族-1 火箭構(gòu)型和方案

相對(duì)論航天公司采用第三代“星門”打印機(jī)制造人族-1 火箭。該打印機(jī)使用大幅面金屬3D 打印工藝和專用鋁合金生產(chǎn)人族-1 火箭的結(jié)構(gòu)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。第三代“星門”可以制造的最大尺寸為直徑3.4 米、高7.6米的組件，而小尺寸、高精度零部件則由DMLS 打印機(jī)生產(chǎn)，包括永世-1發(fā)動(dòng)機(jī)的100 個(gè)組件。每臺(tái)“星門”打印機(jī)具備原位實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測(cè)和后處理功能，且這些功能與打印機(jī)噴頭匹配，可應(yīng)用于每個(gè)沉積層。打印機(jī)原位識(shí)別缺陷功能可以避免造成打印成本浪費(fèi)，并減少打印產(chǎn)品的修復(fù)次數(shù)；視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和熱傳感器支持閉環(huán)控制和過(guò)程檢驗(yàn)，從而減少產(chǎn)品缺陷的形成；使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)控制高度非線性和高度耦合的打印過(guò)程。通過(guò)以上技術(shù)，相對(duì)論航天公司可以立即識(shí)別、標(biāo)注并修改打印異常，為產(chǎn)品提供保障。同時(shí)，3D 打印方式大幅減少零部件數(shù)量，也因此簡(jiǎn)化了供應(yīng)鏈，例如永世-1 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)共有100 個(gè)組件，而其他業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組件數(shù)量為2700個(gè)。

▲ 永世-1 發(fā)動(dòng)機(jī)在斯坦尼斯航天中心試車

已經(jīng)在路上的人族-R一級(jí)復(fù)用火箭

相對(duì)論航天公司將火星移民或多星球移民作為最終目標(biāo)，計(jì)劃通過(guò)在火星上使用3D 打印技術(shù)生產(chǎn)火箭，滿足星際運(yùn)輸需求。同時(shí)，3D 打印技術(shù)相比傳統(tǒng)制造業(yè)對(duì)資源的依賴性更低，使用3D 打印技術(shù)在火星上建造基礎(chǔ)設(shè)施，可滿足生存需求。

▲ “人族-1”二子級(jí)及永世真空發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)

▲ 第三代“星門”打印機(jī)

為此，相對(duì)論航天公司計(jì)劃快速?gòu)摹叭俗?1”過(guò)渡到“人族-R”一子級(jí)可重復(fù)使用的大型運(yùn)載火箭?！叭俗?R”采用兩級(jí)構(gòu)型，外形類似縮小版的“星艦”，直徑5.5 米，全長(zhǎng)約82.3 米，箭體結(jié)構(gòu)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)仍全部由3D 打印技術(shù)制造，支持快速研發(fā)，可以在60 天內(nèi)完成全箭交付，且有能力為客戶提供快速發(fā)射服務(wù)，使用液化天然氣和液氧作為推進(jìn)劑，一子級(jí)采用13臺(tái)永世-R火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)海平面推力約為1147 千牛，二子級(jí)采用1 臺(tái)永世真空發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力約為1241 千牛。在可重復(fù)使用狀態(tài)下，火箭的近地軌道（LEO）運(yùn)載能力為23.5 噸；采用一次性發(fā)射構(gòu)型時(shí)，火箭的近地軌道運(yùn)載能力最大可達(dá)33.5 噸。一子級(jí)將采用垂直起降技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用，且不考慮復(fù)用二子級(jí)及整流罩。

“永世-R”以“永世-1”為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升了規(guī)模，設(shè)計(jì)推力約為1334 千牛，同樣采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)。從2021年6月公布“人族-R”研制計(jì)劃開始，在不到2 年時(shí)間內(nèi)，相對(duì)論航天公司已經(jīng)在2023 年3 月對(duì)永世-R 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力室組件完成2 次時(shí)長(zhǎng)25 秒的全功率水平試車，推力達(dá)到1147千牛。公司創(chuàng)始人蒂姆·埃利斯在3 月10 日表示，最后一次試車的推力室組件編號(hào)為007，設(shè)計(jì)方案已經(jīng)經(jīng)過(guò)多次迭代，“永世-R”成為美國(guó)研制速度最快的發(fā)動(dòng)機(jī)之一。

相對(duì)論航天公司在2023 年4 月12 日宣布放棄繼續(xù)研制首飛失利人族-1火箭，繼而將重心轉(zhuǎn)移至人族-R火箭的研發(fā)工作，且該公司認(rèn)為人族-1 火箭的首飛已完成相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，如3D 打印箭體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、火箭已通過(guò)最大動(dòng)壓（Max-Q），利用人族-1 火箭的研制經(jīng)驗(yàn)，同步研制人族-R 火箭。

針對(duì)人族-R 火箭，相對(duì)論航天公司已推出第四代“星門”金屬3D打印機(jī)，其主要特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)包括：1）打印速度較第三代提高7 倍，是現(xiàn)有行業(yè)水平的12 倍；2）改為水平打印方式，不存在立式3D 打印的高限問(wèn)題，打印尺寸可達(dá)36.5米長(zhǎng)、7.3 米寬，打印體積是第3 代的55 倍；3）一體化的設(shè)備設(shè)置與印版制備方法可節(jié)約打印準(zhǔn)備時(shí)間和成本；4）以“星門”的機(jī)械自動(dòng)化平臺(tái)為中心進(jìn)行作業(yè)配置，可有效降低熵并提高制造一致性與可靠性；5）通過(guò)融合計(jì)算機(jī)視覺(jué)、先進(jìn)傳感技術(shù)和實(shí)時(shí)自動(dòng)測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步優(yōu)化打印過(guò)程監(jiān)控；6）采用相對(duì)論航天公司冶金實(shí)驗(yàn)室的下一代3D打印專用合金材料，具有質(zhì)輕、性能高、打印速度快等特點(diǎn)。

▲ 一子級(jí)垂直起降復(fù)用的人族-R 火箭示意圖

▲ 永世-R 發(fā)動(dòng)機(jī)推力室組件的全功率試車

▲ 采用水平打印方式的第四代“星門”打印機(jī)

雖然相對(duì)論公司的人族-1 火箭的首發(fā)3D 打印火箭失敗，但該公司已經(jīng)把工作重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了下一代可復(fù)用的兩級(jí)液氧甲烷火箭，隨著火箭運(yùn)力的大幅提升，公司將能更好地應(yīng)付不同軌道上不同重量、不同大小的載荷的需求，市場(chǎng)空間和商業(yè)價(jià)值也都會(huì)能到放大，值得期待。