美国“阿斯特拉”小型运载火箭最新进展

赵荣 施思（西安卫星测控中心）

目前，全球微小卫星蓬勃发展，对小型运载火箭的发射服务需求也日益增加。阿斯特拉公司（Astra）作为一家新兴的小型运载火箭发射服务公司，着眼市场需求，研发了阿斯特拉火箭－3.0（Astra Rocket－3.0）小型运载火箭。公司从2020年2月下旬以来，连续2次尝试发射首枚运载火箭，一次是参加美国国防高级研究计划局（DARPA）的“发射挑战赛”，另一次是自主发射，但两次发射准备过程中均遭遇意外，火箭一直没能顺利升空。阿斯特拉公司作为唯一一家参加了DARPA发射挑战赛的商业公司，虽然结果失败，但是使公司迅速进入了人们的视野。

1 阿斯特拉公司

阿斯特拉公司是一家成立于2016年的小型运载火箭初创公司，总部位于加利福尼亚州阿拉米达市，致力于进入太空商业发射服务市场。公司将阿拉米达海军航空站重建为全球首个完全具备火箭研发、制造和测试的集成厂区，在园区内可以实施从设计到测试的每个过程（园区内拥有2个室内火箭发动机测试台）。公司已从投资者那里获得了超过1亿美元的融资。

公司的目标是重塑太空工业的运行方式，提出新颖、经济、快速的航天发射服务，将制造能够大规模生产且具有高可靠性能的小型火箭，拓展近地轨道发射服务市场。目前，公司研发了阿斯特拉火箭－3.0，称能提供1U和3U立方体标准卫星的搭载发射网上预订服务。对于专用发射服务，公司将在2020年和2021年提供50～150kg有效载荷的低轨道发射服务。公司的潜在客户群包括美国军方、政府、企业等。

位于阿拉米达市的阿斯特拉公司总部全景图

阿斯特拉公司发展里程碑

2 “阿斯特拉”火箭概况

阿斯特拉火箭－3.0以阿斯特拉火箭－1.0/2.0两款亚轨道火箭为基础进行研发，是公司首款具备近地轨道发射能力的小型运载火箭。

火箭结构参数

阿斯特拉火箭－3.0属于小型运载火箭，为二级结构，无捆绑级，全长约11.6m，直径约1.32m，采用液氧煤油燃料。一级火箭装有5台28kN推力的Delphin电泵式发动机，以五边形模式布局，总起飞推力约133kN，二级火箭只装有一台推力约3kN的Aether发动机，能将25kg有效载荷发射至太阳同步轨道，后续运载能力可进一步提升。火箭发射成本低廉，每次发射费用约为250万美元，后续通过扩大发射规模成本可降至100万美元。目前，公司每月可生产1～2枚火箭。

火箭性能优点

阿斯特拉火箭－3.0是一种具备机动发射能力的小型卫星发射系统，具备灵活的发射方式和快速响应能力，而且价格低廉。公司能够将火箭系统所有物品（包括火箭）装载到标准运输箱中进行运输，并可从世界各地许可的地点发射。阿斯特拉火箭－3.0的发射系统简单，不需要复杂、昂贵且种类繁多的地面支持设备，最大程度地减少发射基础设施，如便携式移动火箭发射台只需几天就能完成建立，从而提高了快速响应能力。此外，位于阿拉米达市的总部还设有一个任务控制中心，管理人员可以在那里远程指挥和监控火箭发射，火箭发射场只需要很少量的人员就可以完成火箭发射准备。这种发射的灵活性和快速性改变了以往的游戏规则，可以将卫星快速发射到目标轨道。

阿斯特拉火箭－1.0/2.0/3.0（从左至右）

公司厂房内火箭组装区

火箭研发特点

公司在研发火箭过程中，一直遵循快速迭代设计的理念。火箭的每次改进都针对性能进行了优化。公司利用集成厂区的优势，不需要去专门的火箭发动机测试外场，直接在厂区内就可以进行火箭发动机点火测试以及全箭测试，不断进行“测试-学习-改进”的循环迭代过程，大大加速了火箭发动机的研发速度。公司在室内进行了数千次火箭发动机测试。其次，公司转变了传统设计方式，采用低成本的火箭制造技术。公司通过大量采用轻质铝材料，使火箭造价更加便宜。火箭整流罩改用铝材料后，相比原来的轻质碳纤维复合材料，虽然质量增加了20%，但是价格从25万美元降至2500美元。最后，公司以参加DARPA“发射挑战赛”为契机，将“发射挑战赛”要求的灵活和快速响应能力融入火箭研发中，最终将“阿斯特拉”火箭打造成简单、可靠、灵活、便捷的小型运载火箭。

3 火箭进展情况

阿斯特拉公司表示，“阿斯特拉”火箭要成功将1颗卫星送入地球轨道，大概需要发射3次。公司借首枚火箭发射任务测试整个火箭系统，包括发射台、火箭、软件以及航线范围内的设备，这是公司首次进行整套软硬件的集成试验。今人遗憾的是，首枚阿斯特拉火箭－3.0进行了2次发射尝试，均因火箭自身原因未能顺利升空。

DARPA“发射挑战赛”

2018年2月，美国DARPA发起了一项“发射挑战赛”活动，目的是通过私营太空发射公司开发军方可以使用的小型移动发射系统，具有发射灵活性和快速响应能力。“发射挑战赛”希望能打破目前限制进入太空的时间、技术、系统和流程，从而为国防部提供只需几天而不是几年的灵活发射能力。

2019年，共有60多家航天公司报名参赛，最后DARPA选出了3家公司入围。后来，另外2家公司都出了状况，矢量公司（Vector）宣布破产清算，维珍轨道公司（Virgin Orbit）则宣布退出，只剩下了唯一的参赛选手阿斯特拉公司。阿斯特拉公司入围后一直处于低调的“隐身”状态，并没有公开宣传。

按照“发射挑战赛”的规则，如果某一家航天发射公司能够按要求在规定的时间间隔内、在指定地点完成两次快速发射任务，将载荷送入250km以上的低地球轨道，就可以获得共计1200万美元的奖金。为了测试阿斯特拉公司的反应灵活性，DARPA直到发射前1个月，才向公司提供有效载荷的详细信息；到发射前1周，才将有效载荷交付给公司，以让公司完成星箭结合。第1枚火箭需要在阿拉斯加州科迪亚克岛的太平洋航天港发射DARPA载荷，成功后将获得200万美元。之后，DARPA再选择本国的一个航天发射场，要求几周内完成第2枚火箭发射，成功后将继续获得1000万美元。最终，DARPA从演示技术挑战的角度考虑，决定第2枚火箭可在科迪亚克岛太平洋航天港的另一个发射台发射。

DARPA“发射挑战赛”

第一次尝试发射

阿斯特拉公司参加DARPA“发射挑战赛”的首枚火箭在科迪亚克岛的太平洋航天港B发射台进行发射，共搭载了3颗立方星和1个有效载荷。其中，1颗“普罗米修斯”（Prometheus）立方星由洛斯阿拉莫斯国家实验室开发，旨在演示“缩短任务和数据传播时间线，为军事操作员提供战术相关信息”的功能。2颗侦察与通信探测－1（ARCE－1）立方星由南佛罗里达大学制造，主要用于演示验证星间通信技术。1个“空间物体自动报告系统”（SOARS）无线电信标有效载荷，固定在火箭二级上，不进行分离，用于改进轨道跟踪和空间态势感知。火箭将把有效载荷送入轨道高度约445km、倾角约97.2°的太阳同步轨道。

根据DARPA的设定，第1枚火箭的发射窗口为2020年2月17日～3月1日，后因天气原因允许增加1天时间。阿斯特拉公司2月18日将火箭运送至科迪亚克岛的发射场，因需要时间准备火箭发射，将初步发射日期定在2月25日。后来由于当地恶劣天气以及一些小的技术问题多次推迟发射，在3月2日尝试挑战。因火箭上制导、导航和控制系统的传感器数据显示异常，可能会影响火箭顺利飞行，公司在发射倒计时T-53s时决定停止发射。公司表示，这是出于对火箭安全的考虑，同时为了提高火箭前三发的成功率。公司由于无法在规定的发射窗口内发射，挑战失败。同时，原计划于3月18日～3月31日窗口期间发射第2枚火箭，第二阶段的挑战发射也自动取消。

Prometheus卫星（左）、ARCE－1卫星（中）和SOARS载荷（右）

第二次尝试发射

阿斯特拉公司在排除第一次尝试发射时产生故障后，计划2020年3月24日或25日再次在科迪亚克岛的太平洋航天港尝试进行首枚运载火箭的第二次发射。公司表示，DARPA的有效载荷已从火箭上移除，此次发射火箭上没有携带有效载荷。火箭于3月23日在发射台上进行发射前倒计时彩排，发生异常情况并遭到损坏，被迫取消了发射尝试。公司称，此次事故中没有人员受伤，但火箭已损坏，团队已经在努力获取原因，并打算等到新型冠状病毒疫情好转后再尝试。

4 小结

阿斯特拉公司积极进军小型卫星商业发射服务市场，但其首枚火箭发射任务一波三折，特别是火箭的可靠性需要进一步提高。该公司在4年内完成火箭研发和尝试发射的速度已经很快。公司的后续计划包括快速迭代升级现有型号火箭、实现商业化运营、新建火箭发射场等。

阿斯特拉公司开创了集火箭研发、制造和测试于一体的完全集成厂区，研发了灵活机动式小型火箭发射系统，将会给美国甚至全球的小型火箭发射市场带来深远影响。同时，“阿斯特拉”火箭具备的快速响应能力也是美军多年来一直追求的愿望，可有效拓展美军使用商业航天力量来提升战时响应能力，实现小型航天器的快速补网发射，从而快速服务军方用户。DARPA称正在与美国太空军和太空司令部讨论在军事演习中展示响应型卫星快速发射能力的可能性，而“阿斯特拉”火箭正是在朝这个方向发展，以满足客户需要的灵活和快速响应发射。