“电子”小型火箭首飞未能进入预定轨道

王瑞 张绿云 （北京航天长征科技信息研究所）

“电子”小型火箭首飞未能进入预定轨道

Rocket Lab Reaches Space, but not Orbit, on First Electron Launch

王瑞 张绿云 （北京航天长征科技信息研究所）

2017年5月25日，美国火箭实验室公司（Rocket Lab）自主研制的“电子”（Electron）专用小卫星运载火箭进行了首次发射试验，火箭未能进入预定轨道，但本次试飞成功验证了多项火箭性能指标，标志着该火箭向正式投入商业运营迈出了重要的一步。

1 本次发射情况

在连续3天因恶劣天气原因而一再推迟后，2017年5月25日，美国火箭实验室公司自主研制的小型运载火箭——“电子”从位于新西兰北部的玛西亚航天发射中心进行了首次试验飞行。本次试飞的火箭仅携带了一个验证型有效载荷（模拟卫星），并在火箭上面级上安装了各种仪器设备，以对火箭性能进行评定。首次试飞计划的太阳同步轨道（SSO）高度为300～500km，倾角为83°。

在首次试飞中，火箭按原计划完成了一子级点火、级间分离、二子级点火和整流罩分离程序，但未能按计划实现入轨目标。公司的首席执行官彼得·贝克在公告中表示，虽然火箭未能成功进入预定轨道，但首次试飞就成功进入太空，这无疑是值得骄傲的，为公司快速步入商业运营阶段打下了坚实的基础。在接下来的几周时间里，公司将对试飞中采集到的2.5万路数据进行详细分析，以找出火箭未能到达预定轨道的原因，从而进行火箭的优化改进。

“电子”火箭首次试飞的飞行时序

按照此前公司公布的计划，“电子”火箭将在2017年底投入商业运营，而在此之前，将进行3次试验飞行，且试飞难度将会逐次提高，主要是增加火箭飞行高度和有效载荷质量，目的是为了能够充分衡量火箭的性能。贝克在首次试飞前表示，首次试飞会采取手动和自主飞行中止系统相结合的方式，但未来的试飞很可能只配备自毁设备，以简化基础设施要求。

2 “电子”小型运载火箭

“电子”火箭是两级液体运载火箭，意在为小卫星市场带来高频率的专用发射机会，消除目前搭载发射方式所受到的发射时间和发射轨道等种种限制。“电子”火箭全长17m，直径1.2m，质量10.5t，单次发射价格为490万美元。火箭在500km高的SSO轨道运载能力为150kg，而其最大运载能力可达到225kg。

箭体

“电子”火箭的外壳和内部很多结构件大部分是由碳纤维复合材料制造而成，而火箭本身为了减轻质量的需要，没有专门再另行喷涂白色涂层，因此火箭通体为黑色，并可大幅降低火箭结构质量，从而提升有效载荷运载能力。

动力系统

“电子”火箭的动力系统采用了发动机通用化的设计理念：整枚火箭所采用的10台液氧/煤油发动机基于相近的设计来制造。火箭一子级采用完全相同的9台“卢瑟福”（Rutherford）液氧/煤油发动机，起飞推力为162kN，峰值推力为192kN，比冲303s。火箭二子级采用1台真空型“卢瑟福”发动机，推力为22kN，其真空比冲为333s。该火箭动力系统的特点是采用全新的电动推进循环发动机（单台发动机配置2台电动机，单台功率为37kW，正常转速为40000r/min），依靠无刷直流电机和高性能锂聚合物电池来驱动推进剂泵，这也是该火箭命名为“电子”火箭的原因。“卢瑟福”发动机采用电动泵实现推进剂增压输送，省去了大量复杂的推进剂管路与阀门、燃气发生器等装置，降低了复杂度，提高了可靠性，降低了制造成本。

此外，“卢瑟福”发动机的主要部件均采用3D打印制造而成。目前，火箭实验室已经配置了6台金属3D打印机，每台发动机最快可在24h内完成打印，包括再生冷却燃烧室、喷注器、泵和主推进剂阀门等，便于发动机低成本、快速和批量制造。

电子系统

火箭上的电子系统采用火箭实验室公司自行研制的微型航电和箭载计算机系统，采用先进的现场可编程门阵列（FPGA）及实时系统技术，在达到立项的响应速度和高可靠性的同时，使航电系统质量仅为8.6kg。

火箭各级电子系统均采用模块化硬件结构，只需对其进行编程就可完成不同功能定制，可大幅减少硬件改动，缩减生产制造周期，确保火箭高频率、快速发射需求。

整流罩

“电子”火箭的整流罩由2个半片组成，同样采用碳纤维复合材料制造而成，其总质量只有30kg。

发射场

“电子”火箭一般在一座完全由私人公司建造完成的发射场——玛西亚航天发射中心发射，该发射中心位于新西兰北岛东海岸，面向太平洋。该发射中心的1号综合发射设施已获准可72h发射1次。为避开复杂的有效载荷处理工作，缩短在发射场的发射准备时间，公司拟采用集装箱化理念，即由用户把卫星封装到由该公司提供的有效载荷整流罩内。整流罩装载卫星后可存放起来，能在即将发射前很容易地装配到火箭上。

除在新西兰玛西亚半岛建设发射场外，该公司还打算在美国佛罗里达州卡纳维拉尔角和阿拉斯加州科迪亚克岛的太平洋航空航天港内建设发射场，而这也是新西兰玛西尔半岛发射场被编号为1号发射场的原因。

3 火箭实验室公司的发展历程

火箭实验室公司成立于2007年，大多数业务在新西兰，在美国奥克兰设有一个设计与工程办事机构，但总部设在加利福尼亚州亨廷顿比奇，所以“电子”火箭发射任务还需获得美国联邦航空管理局（FAA）的发射许可。

该公司以“去除商业航天业的沉重负担”（即高昂的发射费用）为企业使命，秉承“小型载荷应该有专用的小型火箭，小型火箭具有常规火箭所无法比拟的灵活性”理念，重点围绕小型火箭开展技术研发工作。该公司于2010年获得美国“作战响应空间”（ORS）卫星发射合同，开始研究低成本微纳卫星运载器推进技术；2013年12月研制出“卢瑟福”发动机，并进行了300多次点火试验；2016年完成“电子”火箭各级的飞行资质认证，并在新西兰建造了玛西亚航天发射中心的1号综合发射设施；2017年3月，公司完成了一轮D系列融资，筹得的7500万美元将用于扩大其生产，包括添置更多的3D打印设备，为预期中的高频率发射做准备。这笔资金还将用于为美国加利福尼亚州享廷顿比奇一座新火箭工厂配备设备和对新西兰现有设施进行升级改造。

火箭实验室公司预计在2017年底将“电子”火箭投入商业运营，虽然火箭仍需进行多次飞行试验，但截至目前，公司已经获得多个微小卫星发射合同（发射任务已从2017年第2季度排至2020年）。月球快车公司（Moon Express）与其签订了3次微型月球着陆器发射合同，其中首个着陆器按合同要求需在2017年年底前进行发射，其他用户还包括美国航空航天局（NASA）、美国行星公司（Planet）和斯派尔公司（Spire）。其中，2015年10月，NASA与火箭实验室公司签订的一份价值近700万美元的“NASA冒险级发射服务”（NASA’s Venture Class Launch Services Program）合同，计划2017年发射多颗小型科研卫星。2016年，行星公司与火箭实验室公司签订的发射协议涉及至少3次专用发射，每次发射搭载的卫星数量为20～25颗，但发射时间取决于“电子”火箭的研制情况。斯派尔公司则同意使用多达12次“电子”火箭发射来部署其商业气象与船舶跟踪立方体卫星。另外，2017年5月17日，从事小卫星发射经纪业务的空间飞行公司（Spaceflight）宣布订购一次“电子”火箭发射，将把有效载荷送入不常用的中等倾角轨道，具体发射时间尚未确定。

4 小结

随着微小卫星在各个领域需求的不断攀升，微小卫星数量逐年增加。目前，基本通过大中型火箭的搭载方式满足微小卫星的发射需求，但该方式一般无法满足微小卫星运营商对卫星发射时间和轨道高度等方面的要求。因此，近年来，全球多家初创私营公司开始研制微小卫星专用小型运载火箭，以满足其发射需求。据统计，全球正在开展专用小型运载火箭研制的商业公司接近20家，其中部分型号已经完成了设计与生产，即将进行飞行试验。还有部分公司在探空火箭或运载火箭相关技术基础上，已经完成了某些关键部件的研制。另外还有一些公司只停留在方案设计阶段。专用小型运载火箭研制成本低，发射价格仅为大中型火箭的10%或更低；发射时间灵活；有些火箭还可以按照客户需求提供定制服务，更适合于进行小卫星的搭载发射服务。

火箭实验室公司的“电子”火箭针对微小卫星发射市场而研制，其首次试飞为其正式投入商业运营迈出了重要的一步，也为全球微小卫星专用小型运载火箭的研制提供了一个良好的开端。未来，微小卫星专用小型运载火箭可使微小卫星不再受制于大中型火箭的搭载发射方式，为蓬勃发展的微小卫星发射市场提供全新的发射选择，成为航天发射领域的重要力量之一。