日前，國外多家小型衛(wèi)星發(fā)射公司就很好地證明了這點(diǎn)。商業(yè)航天發(fā)射小衛(wèi)星的需求牽引著小型運(yùn)載的研制和生產(chǎn)，“快速、機(jī)動、靈活、廉價”正成為商業(yè)小型運(yùn)載火箭新的發(fā)展趨勢，諸如螢火蟲空間系統(tǒng)公司(FSS)、英國維珍銀河公司(Virgin Galactic)、美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司(Rocket Lab)等私人航天公司，正是憑借其低成本、快速響應(yīng)的商業(yè)運(yùn)作模式獲得了小衛(wèi)星發(fā)射市場的青睞。

　　國外商業(yè)小型運(yùn)載火箭介紹

　　“織女星”運(yùn)載火箭

　　“織女星”(Vega)運(yùn)載火箭是歐洲航天局(ESA)從2003年開始啟動研制、以意大利固體推進(jìn)技術(shù)為基礎(chǔ)、多個歐洲國家參與研制的一種小型運(yùn)載火箭，目的是作為阿里安-5(Ariane-5)火箭和“聯(lián)盟”(Soyuz)火箭的補(bǔ)充，用于發(fā)射政府和商用小型有效載荷。“織女星”為小型單體三級固體燃料火箭，外加一個液體推進(jìn)上面級模塊和有效載荷整流罩，全箭最大直徑3m、全長30m。目前，“織女星”火箭的運(yùn)載能力可把質(zhì)量1450kg的有效載荷發(fā)射到400km高的太陽同步軌道，也可把1430kg的有效載荷發(fā)射到700km高的極軌道?；鸺谝患壥褂肞80固體發(fā)動機(jī)，第二級和第三級發(fā)動機(jī)為Zefiro-23和Zefiro-9固體發(fā)動機(jī)，外加使用常規(guī)液體推進(jìn)劑的上面級模塊。

　　“艾普斯龍”運(yùn)載火箭

　　“艾普斯龍”(Epsilon)運(yùn)載火箭為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)研發(fā)的固體運(yùn)載火箭。“艾普斯龍”是日本M-5固體火箭的后繼型號，已于2013年成功完成了1次發(fā)射。“艾普斯龍”包括兩種構(gòu)型，基本型為三級固體火箭，全長24m、最大直徑2.6m，能夠?qū)?200kg的有效載荷送入250km×500km的低地球軌道;擴(kuò)展型是在基本型的基礎(chǔ)上增加了一個小型液體推進(jìn)系統(tǒng)作為第四級，全長24m、直徑2.6m，質(zhì)量稍大于基本型火箭，能夠?qū)?00kg有效載荷送入500km近地圓軌道，或?qū)?50kg有效載荷送入500km的太陽同步軌道。

　　“螢火蟲”運(yùn)載火箭

　　“螢火蟲”(FireFly)運(yùn)載火箭由2013年成立的新興商業(yè)航天公司螢火蟲空間系統(tǒng)公司開展研制，目前仍處于研制中狀態(tài)，預(yù)計于2018年為美國國家航空航天局(NASA)發(fā)射立方體衛(wèi)星，在2022-2023年達(dá)到每年50次的發(fā)射頻度。“螢火蟲”為兩級液體火箭，前期采用液氧/煤油作為推進(jìn)劑，后期將逐漸改為液氧/甲烷發(fā)動機(jī)。全箭最大直徑1 .8m、長2 3 .5m，目標(biāo)太陽同步軌道運(yùn)載能力為200kg。火箭的一級采用8臺氣動塞式(Aerospike)噴管的擠壓式液氧/甲烷發(fā)動機(jī)，二級采用1臺傳統(tǒng)噴管式發(fā)動機(jī)。其液氧/甲烷儲箱使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，采用自生增壓的方式。甲烷和液氧作為其發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑，這在近地軌道衛(wèi)星發(fā)射器中屬于首例。

　　“電子”運(yùn)載火箭

　　“電子”(Electron)是美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司研制的新型小型運(yùn)載火箭，該公司成立于2006年，在新西蘭擁有分部。“電子”火箭已經(jīng)獲得行星公司(Planet)、月球快車公司(Moon Express)等的訂單。2017年開展首次商業(yè)發(fā)射，但由于發(fā)射程序錯誤，首飛失利。第二次發(fā)射計劃于2018年底開展。“電子”火箭為兩級液體運(yùn)載火箭，使用“盧瑟福”(Rutherford)液氧/煤油發(fā)動機(jī)，目標(biāo)500km的太陽同步軌道運(yùn)載能力為150kg。全箭最大直徑為1.2m、長16m。該火箭預(yù)計發(fā)射成本僅為490萬美元，規(guī)劃在未來實(shí)現(xiàn)每年100次發(fā)射。“電子”小型運(yùn)載火箭采用電池驅(qū)動發(fā)動機(jī)，其發(fā)動機(jī)制造工藝采用電子束熔煉3D打印技術(shù)。

　　國外商業(yè)小型運(yùn)載火箭成本控制分析

　　注重模塊化、通用化設(shè)計

　　火箭上產(chǎn)品模塊化、通用化已經(jīng)成為了一種廣泛獲得認(rèn)可的成本控制措施。“螢火蟲”火箭的一、二子級發(fā)動機(jī)雖然分別采用的是氣動塞式噴管和鐘形噴管，但2臺發(fā)動機(jī)使用的是完全相同的燃燒室，2臺發(fā)動機(jī)除噴管選擇外基本相同。選擇使用相同的發(fā)動機(jī)能有效減少研發(fā)、測試和制造成本。“米諾陶”(Minotaur)系列運(yùn)載火箭就使用了大量通用的航電設(shè)備和結(jié)構(gòu)，不僅降低了成本而且優(yōu)化了質(zhì)量。“織女星”火箭上同樣使用了大量的通用化產(chǎn)品，這些產(chǎn)品都可以使用在“阿里安”系列火箭上，例如飛控系統(tǒng)、安全防護(hù)系統(tǒng)等。一種新的通用化思路是對液體發(fā)動機(jī)的通用化。

　　“電子”火箭各級電氣系統(tǒng)采用了模塊化硬件結(jié)構(gòu)，采用現(xiàn)場可編程門陣列及實(shí)時傳輸系統(tǒng)技術(shù)，以增強(qiáng)運(yùn)載系統(tǒng)適應(yīng)性。據(jù)報道只需對其編程就可以完成不同的功能定制，可以大幅減少硬件改動，縮短生產(chǎn)制造周期。在達(dá)到較為理想的響應(yīng)速度和高可靠性的同時，電氣系統(tǒng)質(zhì)量僅為8.6kg。動力系統(tǒng)采用通用化、模塊化的設(shè)計理念，火箭共采用10臺“盧瑟福”液氧/煤油發(fā)動機(jī)，其中一級采用的9臺“盧瑟福”發(fā)動機(jī)完全相同，二級采用真空型“盧瑟福”發(fā)動機(jī)，換裝大擴(kuò)張比噴管，這與采用多發(fā)同等狀態(tài)發(fā)動機(jī)并聯(lián)的美國太空探索技術(shù)公司(SpaceX)不謀而合：均是利用自身技術(shù)優(yōu)勢，將其效能發(fā)揮到最大。

　　充分利用成熟火箭部件和技術(shù)

　　對于美國軌道科學(xué)公司(OSC)、歐洲航天局等機(jī)構(gòu)來說，由于擁有過往成熟固體導(dǎo)彈或火箭的技術(shù)儲備，在研發(fā)制造新型運(yùn)載火箭時可以大量借用成熟固體火箭的部件和技術(shù)，在增加可靠性的同時也有效減少了研發(fā)和制造成本。

　　“艾普斯龍”運(yùn)載火箭同樣大量使用了過往日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)的成熟部件和技術(shù)。“艾普斯龍”火箭一子級采用的是H-2A火箭的固體助推器，二、三子級則由退役的M-5火箭改進(jìn)獲得。“織女星”火箭的一子級P80固體發(fā)動機(jī)由阿里安-5的固體助推器改進(jìn)獲得，而針對P80的后續(xù)技術(shù)發(fā)展將會反過來應(yīng)用于“阿里安”系列后續(xù)火箭的固體助推器。通過將“織女星”項(xiàng)目與“阿里安”系列火箭的結(jié)合發(fā)展，歐洲航天局可以在逐步推進(jìn)新技術(shù)研制的同時降低整體研發(fā)成本。

　　采用新材料、新技術(shù)減少發(fā)射成本

　　“艾普斯龍”火箭在發(fā)射控制方面進(jìn)行了多項(xiàng)創(chuàng)新，具有高度智能的自主檢測系統(tǒng)及發(fā)射控制系統(tǒng)。箭上計算機(jī)可在發(fā)射前對火箭上各系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行自主監(jiān)控、故障診斷，并實(shí)施故障隔離及恢復(fù)，甚至包括箭上點(diǎn)火系統(tǒng)的檢查。在發(fā)射控制過程中，僅需要配備便攜式電腦的少量操作人員，通過互聯(lián)網(wǎng)在世界的任何地方檢查和控制火箭發(fā)射，未來將有可能實(shí)現(xiàn)發(fā)射場不再需要發(fā)射控制系統(tǒng)。

　　“電子”火箭采用了基于通用硬件的分布式計算架構(gòu)，計算模塊分布在每級箭體上，實(shí)現(xiàn)海量的功能定制。經(jīng)過優(yōu)化，“電子”火箭上的航電系統(tǒng)總質(zhì)量僅8.6kg，在降低火箭總質(zhì)量的同時節(jié)約了研發(fā)時間與成本，從而實(shí)現(xiàn)了高頻率與低成本發(fā)射的目的。“電子”火箭的“盧瑟福”發(fā)動機(jī)采用了新的動力模式，與傳統(tǒng)泵相比使用電泵有效減少了所需燃料的質(zhì)量。除此之外，“盧瑟福”發(fā)動機(jī)主要部件均采用3D打印制造而成，每臺發(fā)動機(jī)的再生冷卻燃燒室、噴注器、泵和主推進(jìn)劑閥門等最快可在24h內(nèi)完成打印，便于發(fā)動機(jī)低成本、快速和批量制造。

　　新材料使用的一個典型例子是新型碳復(fù)合材料。“織女星”火箭的一級發(fā)動機(jī)殼體采用IM7碳纖維材料，這也是目前試驗(yàn)過的最大的整體式高質(zhì)量比、高性能碳纖維材料殼體;其二、三級火箭發(fā)動機(jī)殼體則采用T1000G與UF3325樹脂的復(fù)合材料。2種小型液體運(yùn)載火箭則采用全碳復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料，其中美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司已經(jīng)投入了大量精力研究將碳復(fù)合材料應(yīng)用于液氧貯箱制造上。“電子”火箭整流罩采用碳纖維復(fù)合材料，總質(zhì)量只有30kg。