西班牙气球发射小型运载火箭方案浅析

杨开 薛京宁 （ 北京航天长征科技信息研究所， 北京宇航系统工程研究所）

西班牙气球发射小型运载火箭方案浅析

杨开1薛京宁2（1 北京航天长征科技信息研究所，2 北京宇航系统工程研究所）

Preliminary Analysis of Spanish Bloostar Rocket Launched by Balloon

当地时间2017年3月1日，西班牙零至无穷公司（Z2I）成功完成了“气球星”（Bloostar）小型运载火箭原型机的高空试验。

零至无穷公司创建于2009年，创始初期重点研究利用同温层气球将大型载荷送入太空边缘，目前，该公司已经在提供相关服务。在气球技术成熟之后，该公司将重心转向以高空气球作为发射平台的小型运载火箭。

1 方案介绍

零至无穷公司的发射方案采用同温层气球作为基础级，把“气球星”火箭送入高空，之后火箭点火工作将载荷送入轨道。该方案实现了气球技术和火箭技术的相互融合，公司称这种方式为“气球-火箭”（Rockoon）解决方案。

构型

“气球星”火箭采用三级并联构型。一、二子级都采用环形贮箱，一子级包围着二子级，三子级在中心位置。发动机和其他子系统都固定在环形贮箱上。由于采用环形结构和并联布置的形式，使得“气球星”的构型非常紧凑，便于装配，火箭的总质量仅为4.9t。

有效载荷和三子级连接在一起。由于是从太空边缘发射，几乎没有空气阻力，所以在外形设计上不受空气动力学因素的限制。而且“气球星”不会经历条件严苛的大气层飞行阶段，热和载荷环境相对好很多，因此整流罩设计为可折叠的形状，采用碳纤维骨架和多层复合材料布面，布面最内层是气体阻隔薄膜。

目前，“气球星”的级间分离采用火工品分离开关，不过这种装置成本比较高，而且会产生振动，未来可能考虑更换为机械分离方式。

“气球星”的质量分布情况（不包括有效载荷）

零至无穷公司将“气球星”定位为微纳卫星专用小型运载火箭，600km的太阳同步轨道（SSO）运载能力为75kg。

推进系统

“气球星”火箭一子级采用6台推力15kN的液氧甲烷发动机，二子级采用6台推力2kN的液氧甲烷发动机，三子级发动机和二子级相同，但是仅有1台。和一般串联构型的火箭不同，“气球星”火箭在20～25km高空发射时，3个子级的全部13台发动机同时点火工作，提供104kN的推力。发动机的设计以简单可靠为原则。上述两种发动机都有很高的结构裕量，并采用了冗余点火系统。由于“气球星”火箭是在高空低压以及真空环境中工作的，所以发动机喷管能够对单一环境（即真空）实现性能的最大程度优化。而且发动机的尺寸规模非常小，因此可以利用3D打印技术快速实现“样机-试验-改进”的优化循环。

“气球星”火箭一、二子级的贮箱采用碳纤维复合材料缠绕而成，并设有内衬，防止复合材料出现微小裂纹。贮箱内部设有防晃板，防止推进剂的低频晃动。零至无穷公司为了提高“气球星”火箭的运载能力，对三子级的贮箱进一步优化，采用了多层弹性贮箱，NASA和零至无穷公司都对这种技术进行过飞行试验。所有贮箱都采用氦气增压，以保持整个火箭的结构强度。此外，所有贮箱都覆有多层隔热材料，以控制推进剂的蒸发损耗。根据零至无穷公司的估算，在火箭随气球上升的2h中，液氧的蒸发损耗大约为15kg，液态甲烷的损耗大约为5kg。

“气球星”各子级发动机的特征

“气球星”的推进系统采用了推进剂交叉输送技术，在前一个子级分离时可保持下一子级贮箱中的推进剂是满的。

制导控制

“气球星”的制导、导航和控制系统（GNC）采用一组冗余传感器（3轴陀螺、加速度计、气压计、GPS以及太阳敏感器等）和冗余飞行计算机。控制方式则采用推力矢量控制以及发动机推力调节。每台发动机装有一组“推力矢量控制”（TVC）系统的作动器。由于一、二子级采用多台发动机，“推力矢量控制”系统在结构质量中所占的比重非常大。为了降低比重，“气球星”采用了质量比较小的电磁作动器。因为一、二子级采用多台发动机，所以能够利用“推力矢量控制”系统形成滚转力矩。但是三子级只有1台发动机，为了控制滚转，采用了一套简单的氦气反作用控制系统。

零至无穷公司计划未来利用多台发动机的“差分推力调节”替代推力矢量控制，充分发挥“气球星”环形结构的优势。由于“气球星”采用挤压式的推进剂供应系统，因此可以很容易利用调节阀对推进剂流量进行调节和控制，从而实现对推力的调节。再加上一、二子级的发动机在环形结构对称分布，就可以通过“差分推力调节”（不同位置的发动机之间的推力差异）产生控制力矩。采用这种控制方式既可以降低“气球星”的结构质量，又能降低结构的复杂度，能够大幅降低成本。

气球

“气球星”火箭需要利用气球到达20～25km的高度。这一过程需要考虑如何隔离气球旋转对于火箭的影响。此外，还要利用气球作为火箭发射过程中的遥测、遥控中继，以便扩展地面和太空通信连接的范围，避免在火箭飞行轨迹下设置更多的地面遥测站点，从而达到降低发射成本的目的。总体而言，气球部分包括3个主要部件：高空气球、飞行牵引框架和吊舱。

零至无穷公司使用的高空气球是一个容积90000m3的氦气球，用来将火箭、吊舱以及其他设备运送至同温层的高度。上述容积在商用气球领域内非常普遍，很容易获取。

飞行牵引框架位于气球和吊舱中间，容纳了气球操作的所有必要设备，包括：用于回收的全球定位信标、2个C波段的发射应答机（用于气球操作，满足空中交通管制要求）、2个雷达反射器、飞行终止系统、遥测系统和压载系统。

吊舱能够使“气球星”指向期望的发射方位角，为火箭点火前做好准备。同时吊舱还装载了所有用于火箭遥测/遥控的中继设备。

海上发射

零至无穷公司计划从位于国际海域内船只上进行火箭的发射活动，这样能够规避一定的政策限制，同时还可以通过船只运动补偿风速，从而降低受天气影响导致发射推迟的风险。最后，海上发射可以增加任务灵活性，降低靶场安全要求。

发射船本身只是用于释放携带所有装备的气球，火箭不会在船只上点火，所以发射船不需要进行大幅适应性改进。只要船体足够宽，就可以租来用于发射。零至无穷公司称发射船可用于发射的面积大约为50m×17m左右。

零至无穷公司认为目前最理想的发射地点是西班牙加那利群岛的西南海域。由于地理特征，这里的风速几乎为零。

飞行方案

“气球星”飞行的第一阶段是利用气球将其送至20～25km的高空，用时大约1.5～2h。“气球星”从气球上释放后，开始第二阶段。释放后不久，所有的13台发动机点火，一子级大约工作110s后分离。一子级分离时，“气球星”达到80km的高度，速度达到2.3km/s。之后，再经过230s后二子级分离，此时高度约为400km，速度为4.4km/s。之后，三子级再继续工作340s，达到600km的高度后关机滑行，不过此时还未达到最终的入轨速度。滑行一段时间后，三子级进行第一次重启完成最后的入轨机动，将有效载荷送入预定轨道并分离。最后，三子级进行第二次重启进行离轨操作。

2 发展路线图

“气球星”的研制基于“设计-研制-试验”的方法。研制计划中，Z2I采用3D打印等新技术保证快速迭代和改进循环。所有的新系统和部件都会经过严格的试验，根据实际情况逐步提高性能。具体而言，零至无穷公司将“气球星”研制计划分为3个阶段：

第一阶段：子系统试验。这一段包括关键子系统的试验以及操作流程的验证，同时还要对设计方案进行最终定型。

第二阶段：小型“气球星”（Nanobloostar）。按照零至无穷公司的计划，在小型“气球星”阶段，要利用单级的亚轨道小型火箭携带75kg的载荷达到180km高度（不入轨，亚轨道飞行）。该亚轨道小型火箭就是“气球星”的三子级。

第三阶段：“气球星”。实现将75kg载荷送入600km的SSO轨道的目标。

此前，零至无穷公司已经掌握了高空气球技术，完成了三子级多层弹性贮箱飞行试验，开展了发动机地面点火试验。此次飞行试验中，气球将“气球星”原型机体送入25km的高空，火箭原型机与火箭分离后，中心的1台发动机成功点火，验证了遥测、点火以及火箭稳定控制等，并成功利用降落伞回收了火箭原型。此次试验的原型机采用7台发动机（可能是“气球星”的二、三子级的组合体），只有中心的1台发动机点火工作。零至无穷公司后续计划将在地面和高度20～100km的空间执行一系列试验。

零至无穷公司最终计划在2019年进行“气球星”火箭的首次商业发射任务。

3 方案优势分析

虽然利用高空气球发射火箭不能增加火箭的初速度，但是在高空发射火箭还是为整个发射系统带来了多项优势。

首先，在空气稀薄甚至没有大气环境的高空发射火箭，和地面发射相比，最大的优势是可以降低入轨所需的速度增量。零至无穷公司利用欧洲航天局（ESA）的软件工具（ASTOS）估算出，“气球星”火箭相比地面发射的火箭可以将入轨所需的速度增量降低8%。虽然这一降幅不大，但是考虑到有效载荷和火箭起飞质量之间的指数关系，速度增量上的一点变化就会对运载能力产生极大的影响。而之所以高空发射能够降低速度增量，主要是由于空气阻力和重力损失降低，以及发动机喷管能够在最优条件下工作。不同高度发射时的阻力对比如上面左图所示，其中，蓝色线条表示从20km高空发射时的阻力曲线，红色曲线表示从地面发射火箭时的阻力曲线。

此外，高空发射时火箭的热环境也会大幅改善，降低了防热要求，从而能够简化防热系统，实现火箭结构质量的优化。从不同高度发射时火箭的热通量情况可以看出，高空发射能够将热通量降低10倍。

此外，在完成火箭发射之后，高空气球还可以充当通信中继点，从而降低了对地面遥测通信站的依赖，可以降低发射服务中的地面操作成本。

4 小结

目前，零至无穷公司还没有公布“气球星”的发射价格，不过由于其结构较为简单，在发射操作方面也有很强的灵活性，因此有可能大幅降低发射成本。根据零至无穷公司官方的说法，在世界范围内已经有很多小卫星公司有意向使用其火箭进行发射任务，并称这些发射服务意向的估值达到2.5亿欧元。

零至无穷公司的方案之所以得到认可，一方面是由于其大胆创新的设计方案，让客户看到了低成本、低风险和高灵活性的发射机会。另一方面还是因为该公司的研制计划在不断取得进展，保持着未来继续发展的可能性。虽然零至无穷公司目前发展还比较顺利，但是能否在微小卫星的发射市场中分得一杯羹，还要看是否能依靠其技术优势立足。首先，成熟、可靠的传统中小型运载火箭的多星发射和搭载发射依然垄断着当前的微小卫星发射，各类新研制的小型运载火箭在进入这个市场的时候本身就面临着比较强大的竞争对手。其次，火箭实验室的“电子”（Electron）火箭、维珍银河公司（Virgin Galactic）的运载器－1（LauncherOne）小型空射火箭和向量空间系统公司（Vector Space Systems）的“向量”（Vector）小型火箭在1～2年之内就会投入使用，零至无穷公司相比这些新兴商业发射服务公司可能已经有些落后。