轨道科学·ATK公司的危和机

文/ 迟惑

我们中国人在讨论危机这个词汇的时候，总是用机遇和风险并存来解读，在英文当中，作为危机的crisis，并不含有机遇这个层次的意义。

但是最近一段时间，随着美国国防部新一轮渐进型一次性运载火箭招标的开始，中文的危机也被美国人引入了自己的解读当中。

面临这种机遇和风险并存局面的是谁呢？这是我们所熟悉的轨道科学·ATK公司。

志在必得的竞标

在美国的火箭制造商当中，轨道科学·ATK公司往往是一个被人们忽视的角色。风光在航天媒体新闻头条上的，不是联合发射联盟公司，就是太空探索技术公司，蓝色起源公司偶尔也被人提起。

然而轨道科学·ATK公司却是一家成功运行了好几十年的中型企业。它拥有三种相当不错的火箭，其中有能够发射载货飞船前往国际空间站的心宿二火箭，还有世界上唯一投入业务运行的空射运载火箭“飞马座”，以及一种不算很起眼的中型火箭“人牛座”。这家公司之所以容易被人们忽视，可能是出于两个原因。首先是公司负责人不善于作秀。轨道科学·ATK公司创始人戴维·汤普森是一个标准的学霸，善于做研发，善于做运营，但是不善于向公众忽悠。另外一个问题是，轨道科学·ATK公司没有重型火箭。心宿二火箭虽然能够发射飞船，但是近地轨道运载能力只有6.5吨，不够炫，也不够刺激。

▲ “欧米茄”将采用5米直径的大型整流罩

原本来说，这样的局面也没有什么大不了的，轨道科学·ATK公司有自己的目标市场，那就是中小型航天器的低成本发射。轨道科学·ATK公司从来不和联合发射联盟公司去争夺重型卫星和高价的军方发射服务合同，反正也抢不过嘛。

但是太空探索技术公司及其猎鹰9号火箭的存在，让这田园牧歌般的生活出了很大的问题。主要原因是猎鹰9号运载火箭的发射服务实在是太便宜了。这样在整个西方航天产业内也形成了一种“能让马斯克发射，就不让别人发射”的舆论环境。对于小本经营的轨道科学·ATK公司来说，这可如何是好？

轨道科学·ATK公司虽然曾经入选美国宇航局的商业轨道运输服务合同，但这份合同的采购总量是非常有限的。而且更大的问题是，美国政府打算到2024年就放弃国际空间站不干了。到那个时候，国际空间站或者转向商业化运营，或者由其他几个参与方出资运营。如果2024年后国际空间站还需要货物运输合同，那么肯定是采用最低价中标的模式，换句话说，所有的合同都会被马斯克抢走。轨道科学·ATK公司在发射市场上可怎么活呢。

这件事情毋庸置疑地是一个crisis。

美国空军新的引进型一次性运载火箭合同的竞标却为轨道科学·ATK公司提供了新的机会。美国空军的合同以数量大、价值高、运行稳定著称，谁要是被选进了名单，至少在今后十几年的时间当中，可以享受到一份保底的稳定收入。对轨道科学·ATK公司来说，如果能进入名单，至少可以把公司的运载火箭任务保存下来。

当然要想进入名单，现有的三种火箭肯定是不够的，而且心宿二火箭自身面临着严重的问题。“心宿二”的老版本采用俄罗斯的NK-30发动机，2014年发射失败后改用俄罗斯的RD-181。对俄罗斯发动机的依赖，让这个型号很难进入美国军方采购合同。君不见，连洛·马公司这个强悍的老牌军火商，都要搞新的国产发动机和新的火箭了，弱小的轨道科学·ATK公司怎么可能逆转大趋势呢。

▲“欧米茄”中型配置发射前的想象图

所谓求人不如求己，既然老型号不中用，那么就索性自己从头搞一个大型火箭吧。说不定公司就这样浴火重生了。

这当然就是我们所说的opportunityle 。

下面就让我们来看一看轨道科学·ATK公司打算用一个什么样的型号来转危为机。

“欧米茄”长啥样

从1998年和2017年美国空军所发射的卫星参数对比来看，有一个显著的趋势，就是卫星越来越大、越来越重。其中低轨道卫星的重量减小了，但太阳同步轨道、中轨道、地球同步转移轨道、地球静止轨道卫星的重量都增加了不少，甚至有翻倍的，而且使用5米以上直径大型整流罩的机会越来越多。这显然是卫星功能越来越多、性能越来越好，一方面需要更大面积的太阳能电池、更多的电力才能工作，另一方面也需要更大孔径的天线来完成数据传输或者电子信号监听任务。

▲ “欧米茄”重型配置在发射台上的想象图，助推器还没有安装

▲ 心宿二火箭采用了俄罗斯发动机，而且运载能力不足

因此，轨道科学·ATK公司需要研制什么火箭也很清楚了——一种能使用5米以上直径整流罩的大运力火箭。这个目标对轨道科学·ATK公司来说，还是有点挑战性的。

然而，他马斯克做得，我戴维·汤普森为什么做不得？在合并之前，轨道科学公司和ATK公司都已经是航天界的老手。轨道科学公司拥有“飞马座”、“人牛座”、“心宿二”几种火箭，ATK公司拥有多种大直径固体火箭发动机的研制经验，包括用于德尔塔2火箭的GEM-63助推器。航天飞机的两个固体燃料助推器（SRB）也是ATK公司出品。

▲几种火箭的尺寸对比

说起SRB，大家都非常熟悉。这两根铅笔一样的东西是史上最强大的固体火箭发动机，海平面推力达到14682.36千牛。航天飞机起飞推力的71.4%是由这两枚火箭提供的。SRB的直径达到3.71米，用来作为一种大型火箭的芯级是相当合适的。

单台SRB采用5段固体燃料，工作时间127秒。如果作为发射卫星的运载火箭的某一级，根本不需要这么强大的功能。因此轨道科学·ATK公司在SRB基础上搞了三种缩水版的发动机，分别称为“蓖麻300”、“蓖麻600”和“蓖麻1200”。其中“蓖麻300”采用一段SRB的固体燃料，“蓖麻600”采用两段，“蓖麻1200”采用四段。

▲ 轨道科学·ATK公司曾经讨论过的4种“欧米茄”芯级构型，最左边是航天飞机固体助推器

轨道科学·ATK公司手里还有一种可以作为助推器的发动机，也就是GEM-63。这也是一种经过飞行检验的型号，是宇宙神5火箭的助推器。联合发射联盟公司研制中的火神火箭，也要采用GEM-63的改进型。

通过这些发动机的组合，轨道科学·ATK公司提出了一种叫做“下一代运载火箭”（NGL）的型号，竞争新一轮EELV合同。NGL分为中型和重型两种配置，分别叫做500系列和500XL系列。NGL只是一个概念性的称呼，新火箭还是要有自己的绰号的。经过反复斟酌，轨道科学ATK公司给NGL起了一个正式名字“欧米茄”。中型火箭的第一级采用单台“蓖麻600”和两枚GEM-63助推器，二级采用单台“蓖麻300”发动机，整流罩直径5米、长15米，地球同步转移轨道运载能力达到4900千克～10100千克；重型火箭的第一级采用单台“蓖麻1200”发动机和两枚GEM-63助推器，二级还是单台“蓖麻300”，整流罩直径5米、长可达20米，可以把卫星直接送入静止轨道，运载能力达到5250千克～7800千克。

火箭的电子系统直接沿用自成熟的人牛怪火箭，并进行适应性改造。

谁家低温火箭好？

谈到这里，大家可能会问，第三级火箭是什么？事实上，第三级火箭的问题上确实发生了一些变故。在设计之初，“欧米茄”打算采用蓝色起源公司的BE-3U发动机。这成为蓝色起源公司研发业绩的又一个证据，连“火神”都要用这家公司的BE-4嘛。但是后来，采用BE-3U的讨论越来越少，最后，轨道科学·ATK公司宣布，要换用阿罗杰特-洛克达因公司的RL-10液氢液氧发动机或者欧洲空客公司在研的“达·芬奇”发动机。

为什么煮熟的鸭子会飞？因为BE-3U的推力高达53.4千牛，“欧米茄”的第三级根本不需要这么大推力。虽然可以把BE-3U的推力相应调低，但是不可能按比例调低发动机的体积和重量，更不会调低成本。这样就会形成一种性能参数很难看的发动机。所以，“欧米茄”放弃BE-3U也是情理之中的。

最后，“欧米茄”上面级选定了RL-10发动机，美机美造嘛。无论从政治上、技术上还是经济上，这都是个合乎逻辑的选择。

复材+一次性 VS 钢材+复用

如果说过去几年运载火箭技术领域有什么大的突破，“猎鹰9号”的一级回收和重复使用肯定会名列其中。这项成就已经逼迫着相当多火箭制造商提出自己的回收复用方案。但轨道科学·ATK公司却反其道而行之，把已经成熟的回收复用火箭改成了一次性的。

众所周知，航天飞机固体火箭助推器（SRB）在燃尽之后，用降落伞降落到海面上，然后回收、整修，重新使用。相关飞行记录已经有100多次，基本上没有发生过问题。SRB的壳体是钢制的。但是轨道科学·ATK公司决定，在“欧米茄”火箭上不再使用钢制壳体，而是改用碳纤维复合材料壳体。这种技术来自于当年的陆基机动弹道导弹，它不能回收复用，打完一次就得扔掉了。

轨道科学·ATK公司这是要开历史倒车吗？

▲ 重型猎鹰的发射成功让轨道科学·ATK公司倍感压力

根据公司的解释，一次性的复合材料火箭壳体制造工时比较短，比翻新钢壳体还少46%。几个工人操纵一台大型机器，就可以完成一台壳体的制造工作。想想火箭技师的工资水平，减少46%工时对于降低成本的效果还是很显著的。

有分析家提出了这样的类比。每个人在吃完蛋糕之后，都会把纸盘子直接扔掉，几乎没有人打算洗干净重新用。但如果用细瓷盘子进餐，几乎每个人都会在事后把它洗干净重新用，而不是扔掉。如果细瓷盘子的价钱和纸盘子一样，恐怕就有不少人把它当作一次性用品了。火箭也是一样，如果轨道科学·ATK公司能够通过种种措施，把火箭的总体价格降下来，降到和“猎鹰9号”回收复用一样的程度，那就具有显著竞争力了。

便宜、更便宜

单单降低壳体成本还不够，轨道科学·ATK公司把压缩成本的努力扩大到了其他很多方面。例如，他们正在考虑用高氯酸铵作为两级固体火箭推进剂中的氧化剂。氧化剂的重量占到了推进剂总重量的70%，改用高氯酸铵后，推进剂成本可以降低50%。虽然高氯酸铵具有很强的腐蚀性，也容易燃烧和爆炸。但为了降低成本，轨道科学·ATK公司还是没有排除这个选择。

除了打火箭的主意，轨道科学·ATK公司还在生产和发射流程中设法减少开支。“欧米茄”的发动机既然是SRB缩短而来，那么就可以用SRB的生产线来生产，反正航天飞机退役后，这条生产线就空闲下来了。“欧米茄”还可以用航天飞机的发射台来发射，至少燃料是一样的嘛！而且美国宇航局新的SLS火箭也要从这个发射台起飞，可以分摊不少费用。

轨道科学·ATK公司之所以要这样努力地控制成本，主要还是为了争得最后合同。和联合发射联盟公司、太空探索技术公司相比，“欧米茄”的劣势是很明显的。无论“德尔塔4”还是“宇宙神5”，在过去20年的飞行中都没有发生过任何事故。“猎鹰9号”虽然出过几次事故，但总体可靠性还不错，而且价钱便宜到不能再便宜了。“欧米茄”还在绘图板上，没有什么发射记录可言。虽然发动机都是成熟技术，但从分系统到总体的路还很长。所以，尽力控制成本是赢得合同的最有力手段。如果“欧米茄”的综合成本能够降低到“猎鹰9号”的水平甚至更低，那么拿到长期合同的可能性就非常高了。

“欧米茄”在新一轮EELV选型中已经入围，拿到了1.8亿美元的研制经费。轨道科学·ATK公司还要配套1.25亿美元的自有资金。按照公司的计划，2020年，这种源于航天飞机的火箭就要首次发射。到时候，汤普森能不能给马斯克一点颜色看看，实在让人期待。★