细数小型运载火箭的各种省钱大法

文/李宇飞

近些年来，商业航天尤其是商业运载火箭的创业热潮一浪高过一浪，成为航天产业创新发展的新一轮推动力量。然而，航天领域相比于其他行业，具有投资周期长、资金需求大、技术门槛高等特点，而如此高的风险之下投资的利润率和回报率却并不明朗，因此很多公司在创业初期融资难度很大。

在这种情况下，近些年初创的航天企业大多选择低成本的商业模式，采取规避高技术门槛的思路。运载火箭的创业企业也是如此，在创业初期大都将融资压力没那么大的小型运载火箭作为第一选择。小型运载火箭的技术门槛相对较低，又能全面覆盖火箭系统的各个研制环节，便于快速切入航天发射服务市场。

这些公司在自己的产品上增加不同的特色，各出奇招，尽力降低小型运载火箭的制造和发射成本，以便在这个越来越拥挤的市场中占得一席之地。今天我们就来细细地看一看大家在降低小型运载火箭成本上都使出了些什么招数吧。

▲ 电子号火箭

采用3D打印技术

我们知道3D打印又叫做增材制造，是近年来迅速走红的一项技术。只需要一台3D打印机，我们就可以把在电脑里绘制的任意复杂的结构变为可以直接触摸到的实物。随着增材制造所使用的材料由塑料扩展至金属，3D打印也已经成为航天制造业的一项重要技术。

仔细算来，3D打印技术已经有30年的历史了。最初3D打印技术仅应用于原型设计领域，用于快速呈现设计构思，进而缩短研发周期。相当长时间以来，3D打印作为一种新兴的制造工艺，一直存在着一些致命的缺点，比如打印实物的结构中存在孔隙、力学性能较差、打印过程中存在应力变形等。但是近年来随着技术的进步，形成了从材料到工艺的整套系统化的解决方案，使得3D打印技术正成为传统制造业转型升级的重要推手。

将3D打印技术应用于运载火箭制造，能够实现制造过程的无人值守化，大大节省所需人力；能够节约传统制造工艺所需要的大量设备和工装；能够简化工序，缩短复杂零部件的制造周期；能够摆脱传统制造手段限制，生产更为轻巧的零件。合理应用3D打印技术，将使得未来的运载火箭性能更高、成本更低、生产组织更为灵活。

▲ 火箭实验室公司的“卢瑟福”液氧煤油发动机

▲ 相对论公司打印设备

美国太空探索公司于2013年就成功使用镍铬高温合金材料3D打印出了配备在龙飞船上的“超级天龙座”火箭发动机推力室。该公司于2017年1月成功发射的“猎鹰9号”运载火箭上也含有大量的3D打印零件，其中包括至关重要的氧化剂阀体。典型的铸件制造周期通常以月来计算，而3D打印阀体在两天内就完成了制造。加工处理后的3D打印阀体通过了全面的严格测试，展现出相比于传统铸件更优的强度、延展性和抗断裂性。

美国老牌火箭发动机制造商洛克达因公司也于2014年宣布，他们用3D打印技术直接制造了一台完整的液氧/煤油发动机，并成功通过测试，推力约为2.3吨。由于制造技术的改变，这台发动机的零部件被合并至只有三个，大大降低了制造成本。该公司为竞标“火神”火箭而研制的AR1液氧/煤油火箭发动机，地面推力达到250吨级，也计划应用3D打印技术生产主喷注器和预燃室。仅主喷注器一项，3D打印就把零部件的交货时间减少了9个月，并降低了70%的成本。

AR1发动机的竞争对手蓝色起源公司正在开发BE-4液氧/甲烷发动机。BE-4火箭发动机的关键部件氧化剂涡轮泵就设计使用了大量的3D打印零件。用铝打印的涡轮泵壳体，以及用镍合金打印的涡轮，集成了常规方法难以做到的复杂的内部流动通道。打印的涡轮喷嘴和涡轮转子仅需要很少的后期加工即可满足配合精度要求。

2017年5月25日在新西兰成功发射的“电子号”火箭，它是美国私人公司“火箭实验室”研制的，所使用“卢瑟福”液氧/煤油发动机的所有主要部件都是应用电子束熔化钛合金3D打印技术制造的，包括其发动机推力室、泵、主推进剂阀门和喷注器等。

越来越多的厂家正在利用3D打印技术来制造运载火箭，而且应用的范围也越来越广，从单个的零件逐渐应用到了复杂的部组件。美国一家致力于研发运载火箭的初创公司“相对论空间”公司更是要利用3D打印来生产整枚火箭。

相对论公司已经研制出了称为“星门”的设备，号称是全球最大的金属3D打印机，所用原料是一种专利合金。待制造工艺成熟后，这种装备能够快速地扩大规模和批量生产火箭。该公司的目标是要能在60天内把原料变成能飞的火箭。

相对论公司还有一种自研的液氧/甲烷发动机，称为“永世1”。发动机推力超过66.7千牛，已按相关协议在NASA斯坦尼斯航天中心进行过试验。相对论公司打算研制的火箭称为“地球人1”，为两级构型。火箭第一级和第二级分别安装9台和1台“永世1”发动机，低轨运载能力可达1250千克。

模块化分解

人类进入工业化社会之后获得的一个发现，就是通过产品的模块化、标准化，可以实现产品的大规模生产，进而提高劳动生产率，降低生产成本，降低劳动强度。

模块化的大规模生产使得“学习曲线”得以实现，不断提高复杂产品的生产效率。生产者重复同一工作过程，一定会从所经历的作业中获得技能并提升效率，即所谓的“熟能生巧”，使得产品的生产时间以一种递减的速率下降。

▲ NEPTUNE5小型运载火箭

20世纪初，福特通过坚持只做T型车一种车型，使得这种车的生产率最终达到每10秒钟一辆，价格也降到了使普通民众都能开上自己的汽车。二战时期，通过大批量的飞机制造，人们发现每当产量翻倍，用于制造飞机的生产时间就会减少20%。

产品实现模块化、标准化之后，与产品有关的维护、保养等支持服务活动也能够标准化、统一化，进而简化社会协作，降低经营成本。

到了近代，不仅是制造业，连快餐店这样的服务业都已经实现了标准化，最典型的就是我们经常见到的麦当劳和肯德基。以标准化理念迅速扩张的快餐店，使得去过麦当劳的人都相信，无论去到哪一家店，吃到的食品以及享受的服务，以及就餐的环境都是一样的。

▲ 运载器一号运载火箭

模块化的威力如此巨大，自然运载火箭初创企业这样的航天从业者也不会漠视不理，开始在各种层面上践行着标准化的思想，努力降低生产成本、缩短生产周期。

传统运载火箭为追求运载能力，很多都会在基础级和上面级选用不同的发动机类型。但是这需要开发两种甚至更多种不同的火箭发动机，还需要配套研发适应不同燃料组合的贮箱和增压输送系统，成本和技术难度都很高。

美国太空探索公司主打的“猎鹰9”火箭一、二级采用同种燃料组合的同款发动机的不同版本。同时为了弥补单台发动机推力不足的窘境，规避大推力发动机开发的技术挑战，火箭一级采用按特定结构并联的9台“梅林”发动机来获得足够的起飞推力。

火箭实验室公司的电子号小型运载火箭采用了与“猎鹰9”十分类似的设计，也是二级构型，也是9台发动机并联，也是火箭一、二级共用同款液氧/煤油发动机的不同版本。

美国的萤火虫空间系统公司更进一步，该公司研发的“阿尔法”小型运载火箭的一级采用了12台并联的小推力火箭发动机，把发动机模块化推到了更高的高度。

美国轨际系统公司更是将模块化应用到了箭体结构上，设计了模块化的NEPTUNE小型运载火箭。该火箭通过捆绑不同数量的通用模块，实现不同的运载能力，规划的构型包括N3、N5、N7、N36，数字表示通用模块数量，310公里的SSO运载能力从15千克-1000千克不等。2014年该公司已经完成了通用模块的飞行试验。

▲ 萤火虫空间系统公司的火箭发动机

▲ 维珍银河公司的“宇宙女孩”

提高发射高度

将小型运载火箭用载机或其他方式运送到高空，然后从空中进行发射，可以带来一系列的好处。空中发射的小型运载火箭不受地理条件的限制，可从不同的机场起飞和从地球上空任何地点发射，不仅能够增加发射窗口时间，还能扩大轨道倾角范围。空中发射的小型运载火箭不需要经受低层稠密大气的影响，火箭的受力较小，便于采用质量轻的结构与材料。空中发射的小型运载火箭不需要耗费提升飞行高度所需要的推进剂，重力损失变小，整体推进效能更高。在有效载荷一定时，高空发射运载火箭所需的总速度增量可降低10%-15%。

“飞马座”是第一种由载机运送到高空并从空中进行发射的运载火箭。“飞马座”的气动外形类似飞机，在外形、尺寸、质量以及低速释放动力学与初始分离弹道等方面都与著名的X-15火箭飞机十分相似。该火箭在设计初期利用了X-15的设计与试验数据，缩短了研制周期，节省了研制费用。

轨道科学公司在对无翼运载器作过多次模拟试验后决定采用带三角翼的火箭方案。三角翼可产生足够大的升力（超声速升阻比达4），使火箭能在较小攻角下（小于20°）飞行，从而使结构应力下降。三角翼采用平面形状能缩小在飞行马赫数变化时火箭压心的移动范围，最大限度地减少控制问题。采用钝前缘翼型可减少传给火箭结构的热量。削去两端翼尖则能在一定程度上控制涡流，使升力增大，还能使翼展控制在6.7米的范围内。

飞马座火箭在设计上充分利用了经过验证的技术和美国在固体推进、材料及电子等领域的最新成果，因而具有质量轻、成本低、简单可靠和使用灵活方便等优点。零件的数量和总装工作量少，试验类型与次数也被压缩到最低限度。飞马座火箭的发射费用仅为对等的地面发射火箭的一半，而运载能力却提高了1倍。

维珍银河公司也对空射情有独钟，正在开发空射型的“运载器一号”小型运载火箭。维珍银河公司的“太空船2号”亚轨道飞行旅游飞船同样采用空中发射的方式，不过其载机是专门设计的双机身构型的“白骑士2号”，而“运载器一号”火箭则是用波音747-400通用民航飞机发射，目前维珍银河已经采购了1架，并命名为“宇宙女孩”。

▲ 为美国平流层发射公司研制的“世界最大飞机”

“运载器一号”是一款两级构型的小型运载火箭，太阳同步轨道运力约300千克、近地轨道运载能力约500千克。它由载机携带到约1万米高空后进行投放，然后一级发动机点火。大约3分钟后，二级点火直至将有效载荷送入预定轨道，这个时间大约需要6分钟。

美国平流层发射公司也计划使用大型飞机作为空中发射平台，携带运载火箭在高空发射，将卫星等设备送入地球轨道。为此研制的“世界最大飞机”，采用双机身设计，机长73米，高15米，翼展117米，尾部距地面57米高。由于机身庞大，设计团队为其安装了6台波音747飞机配备的发动机提供动力。该机最大起飞重量接近590吨，有效载荷重量超过226吨，不过飞行速度和续航能力不算突出，仅有10小时滞空时间和1800公里左右的有效航程。

▲ 零至无穷公司的bloostar

按照其设想，平流层发射公司的飞机起飞后，经过20分钟爬升后到达一万米左右高空进入巡航状态。当接到地面指令后，飞机迅速调整飞行姿态，以合适的仰角释放机上搭载的运载火箭，火箭发射后，很快将卫星送入预定轨道。2019年4月13日清晨，这架大型飞机从美国莫哈韦航空航天港起飞，在沙漠上空进行了一段时长150分钟、时速304公里/小时的试飞后，安全返回机场着陆，成功完成首飞任务。

西班牙的零至无穷公司更加别出心裁，提出了利用高空气球发射小型运载火箭的Bloostar方案。Bloostar为三级火箭，配备以液氧和煤油为推进剂的火箭发动机，设计用于将小卫星送至近地轨道。在其标准的发射任务中，气球将把Bloostar提升至大气密度只有地面5%的高空，随后火箭点火，将75千克重的卫星运送至高度600公里的太阳同步轨道。这项新技术可以更加灵活地发射小卫星。射前地面准备时间只需要2周，可以大幅降低成本提高发射频率。不过和飞机空中发射相比，这种方案并不能给火箭级提供初始速度，实际的效果可能会打折扣。