“阿斯特拉”火箭的进展与分析

刘琳（北京宇航系统工程研究所）

1 引言

2021年11月20日，美国阿斯特拉太空公司（Astra Space）研制的阿斯特拉-3.3（Astra-3.3，编号LV0007）火箭发射升空，将美国太空部队的试验性有效载荷成功送入近地点438km、远地点507km、倾角86°的预定轨道。

此次“阿斯特拉”火箭的成功发射标志着该公司经过61个月的时间，已经具备了入轨能力，刷新了私营航天企业研发液体运载火箭并成功送入近地球轨道的时间记录。

阿斯特拉太空公司成立于2016年10月，总部位于美国加利福尼亚州，是一家以“通过提供太空服务以改善地球生活”为使命的航天初创公司，公司愿景是通过制造小型火箭，使发射到近地球轨道变得高频化、常规化以及自动化。

2 火箭发展简况

在此次飞行成功之前，“阿斯特拉”火箭共经历了1次发射中止和5次发射失败，其中2021年8月28日LV0006号火箭发射时，由于火箭和发射台快速断开过程中一台一级主发动机异常关机，起飞推重比由1.25降至1，在强大的火箭制导、导航与控制（GNC）系统的调整下，火箭在发射场开始横向移动，直至火箭重量进一步减少后才开始缓慢爬升，整个过程持续数秒，被网友戏谑为“玩漂移的火箭”。由于这是阿斯特拉太空公司首次与美国国家航空航天局（NASA）合作进行直播发射，这段发射影像也被全球航天爱好者实时围观，并在航天发射史中一举成名。

3 火箭特点与分析

低成本的小型商用运载火箭

“阿斯特拉”火箭目前有3个版本，分别为1.0、2.0和3.X版本。其中火箭1.0和2.0版不具备运载能力，且由于3.2版本火箭的入轨速度增量不足，3.3版本重新改进了设计方案，火箭长度由11.6m增至13.1m，用于增加推进剂量并对一、二级级间比进行了调整，箭体直径为1.32m。目前，该公司还在开展4.0版火箭的研制以及试飞准备工作。

现阶段的阿斯特拉-3.3火箭，其动力方案是一级采用5台电泵式“海豚”（Delphin）液氧煤油发动机并联设计，能够提供的海平面总推力为140kN，工作时间约为170s；二级采用1台“以太”（Aether）发动机，工作时间约为540s。火箭的运载能力达到近地球轨道不小于100kg，属于小型商用运载火箭系列。

“阿斯特拉”火箭历次任务统计

阿斯特拉―3、4火箭运载能力 kg

商用小型运载火箭的核心竞争力是经济性，为了实现低成本，“阿斯特拉”火箭在设计方案选择、性能指标确定以及商业发射模式上都做出了取舍。

在设计方案上，火箭结构舍弃成本较高的复合材料与3D打印技术，选择了经济性好的轻质铝材料并配以简单制造工艺。

在性能指标上，火箭放弃了自主可控回收技术。采用自主可控回收技术虽然可以获得更好的经济性，但是对于运载能力性能指标会造成极大的损失。例如：2021年12月2日火箭实验室（Rocket Lab）发布的“中子”（Neutron）火箭，在采用了一级回收方案后，近地球轨道的运载能力将由15t降至8t，能力损失达到46.7%。如果以同样的比例换算到“阿斯特拉”火箭，那么其近地球轨道的运载能力将由100kg降至46kg，对于小型火箭而言，就意味着损失了将近一半的潜在客户，并且运载成本也将翻倍。

在任务模式上，公司以追求超高密度发射为发展目标。目前该公司已获得超过50次的发射订单，合同金额达到1.5亿美元，且即将发射的LV0008火箭的商业订单价格为390万美元，据此推算，“阿斯特拉”火箭目前的单次发射价格约为300～400万美元。公司表示未来将通过实现“日发”从而大幅降低发射成本。为此，公司还聘请了苹果公司前雇员本杰明担任公司首席工程师，以发挥其在iphone、ipad和Mac方面的批量产品研发经验。

快测试、超灵活和高频模式

在增加发射频次方面，“阿斯特拉”火箭不是夸下海口，而是在进行充分准备。

首先是开发阶段的快速测试与产品迭代：阿斯特拉太空公司在旧金山外建立世界上第一个完全集成的火箭开发、制造和测试设施，其中包括两个火箭发动机测试台，使得发动机的设计和制造地点仅距离数百英尺，用于支持开展快速和重复的实验。

其次是发射阶段的快速机动与灵活部署：阿斯特拉太空公司还开发了极为简化的“便携式”发射系统，无需建设永久性的发射场，接到发射任务后，火箭以及整个发射系统会被装进4个标准集装箱，从公司总部运输到发射地点，只需要6人团队在7天内就可以完成发射台的搭建与火箭射前准备工作，并将卫星载荷送入太空。这种“集装箱式”的发射方式使火箭发射几乎可以使用“任意”发射场地：“阿斯特拉”火箭目前在位于美国阿拉斯加的科迪亚克岛实施发射，LV0008火箭在卡纳维拉尔角的商业发射场进行，2022年还计划在马绍尔群岛发射。

最后是制定好时间表：阿斯特拉太空公司声称计划在2021年年底实现每月发射一次的频率，并在未来的2～3年内大幅增加发射计划，目标是到2025年实现每天发射一次。

4 未来发展与分析

“阿斯特拉”火箭成功入轨的同时，阿斯特拉太空公司收购了星用电推进研制厂家阿波罗聚变公司（Apollo Fusion），并向美联邦通信委员会（FCC）提交了在近地球轨道上构建13620颗卫星的星座的申请，公司称未来将努力为客户提供满足需求的端到端的一体化服务，看来不久的将来，不仅会有“阿斯特拉”火箭，还将有“阿斯特拉”卫星、“阿斯特拉”星座……而这一切得益于资本市场的重金加持。就在“阿斯特拉”火箭在私营航天领域创造了“最快”入轨火箭记录的同时，阿斯特拉太空公司在资本市场也刷新了“最快”纳斯达克上市的纪录。

2021年7月，投资人麦考夫（McCaw）与阿斯特拉太空公司达成价值21亿美元的交易。随后，公司创始人克里斯·坎普（Chris Kemp）宣称：“这笔交易为我们提供了从地球上任何地方每天进入近地球轨道的资金。”通过特殊目的收购公司（SPAC）合并上市，阿斯特拉太空公司虽然不是第一家，但是绝对是获益最大的一家。“SPAC合并”近两年在资本市场异军突起，2020年的募资金额占比超过了传统的IPO模式，2021年在航天领域掀起“燎原之势”。维珍轨道公司（Virgin Orbit）、火箭实验室都先后完成了“SPAC合并”，并获得数亿美元的现金支持，但他们的“SPAC合并”均是发生在获得首飞成功之后。相比而言，阿斯特拉太空公司作为尚未首飞成功就上市的公司，就能获得来自投资人和股民们的巨额资金投入，助力其首飞任务，绝对是“SPAC合并”的最大受益者，有了充裕的资金支撑，相信“阿斯特拉”火箭以及阿斯特拉太空公司的未来发展将如沐春风。

5 小结

随着“阿斯特拉”火箭的入轨成功，美国商业航天领域又添新成员。随着资本市场推波助澜，越来越多的风险投资家和创业者逐梦航天。随着形形色色的小型卫星技术不断提升，未来的太空市场令人充满遐想与期待。与阿斯特拉太空公司一样的航天发射公司，更像只无形的手，让太空与地球的连接变得越来越密切，越来越寻常，越来越便捷地走进我们的生活。