張乃千

小型運載火箭是指近地軌道運載能力在1000千克左右的運載火箭，具有發(fā)射成本低、反應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強等突出特點。近年來，隨著小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展和火箭設(shè)計、復(fù)合材料、電子技術(shù)以及固體推進技術(shù)的發(fā)展，將小型運載火箭推上了航天發(fā)射的大舞臺。未來，可實現(xiàn)快速有效航天發(fā)射的小型運載火箭具有巨大的軍用和民用價值，將成為人類開展太空活動的明日之星。

小型運載火箭的前世今生

時光流逝，歲月如梭，運載火箭大家族也正經(jīng)歷著更新?lián)Q代的如火如荼進程。目前，圍繞低成本、快速反應(yīng)這一發(fā)射需求，美國、俄羅斯、歐洲、日本等航天大國可謂“八仙過海，各顯神通”，紛紛推出了自己的新一代運載火箭計劃，并迅速將小型運載火箭推向航天發(fā)射的大舞臺。

在小型運載火箭領(lǐng)域，航天技術(shù)大國美國投入了較大精力。美國研制的飛馬座、金牛座等小型運載火箭早已投入使用。這些小型運載火箭的“老前輩”已經(jīng)實現(xiàn)了移動發(fā)射，不僅操作簡單、發(fā)射迅速，發(fā)射設(shè)備也較為簡單，全套發(fā)射裝置由鐵路和飛機運輸后，5天內(nèi)就可完成各級火箭的組裝和檢測，進入倒計時后只需72小時就可完成發(fā)射，整個發(fā)射過程只需要20個人進行操作。

進入21世紀以來，美國更是充分嗅到了小型運載火箭的巨大軍民用價值。2007年5月，美國國防部成立了快速響應(yīng)空間辦公室，旨在進一步增強和充分利用美國的空間作戰(zhàn)力量。在快速響應(yīng)空間辦公室的支持下，桑迪亞國家實驗室提出Super-Strypi固體小型火箭方案。該火箭長18米，直徑僅1.32米，采用地基導(dǎo)軌發(fā)射，近地軌道的運載能力達到300千克。2015年11月，Super-Strypi曾攜帶10余顆立方體衛(wèi)星進行首飛，雖然發(fā)射升空1分鐘后爆炸，卻掀起了小型運載火箭的研究熱潮。目前，美國從事小型運載火箭研制設(shè)計的商業(yè)公司接近20家，其中有部分“急先鋒”甚至已經(jīng)完成了設(shè)計生產(chǎn)，即將開展飛行試驗。美國ARCA航天公司推出的Haas 2C火箭燃燒室和噴管全部采用復(fù)合材料，推力可達220千牛，而向量空間系統(tǒng)公司研制的小型運載火箭，結(jié)構(gòu)質(zhì)量甚至只有685千克。

在小型運載火箭的“競技場”上，其他航天俱樂部成員也不甘示弱。歐洲航天局從2003年就開始研制織女星號小型運載火箭，可實現(xiàn)將1500千克有效載荷發(fā)射到700千米高度的軌道，也可一次發(fā)射300～2000千克不同載荷的衛(wèi)星，同時還能讓微小衛(wèi)星搭上順風(fēng)車。被稱為“世界上最小”運載火箭的日本SS520火箭全長僅9.54米，只有電線桿那么粗，是日本自主研發(fā)的三段式小型火箭。此外，俄羅斯也計劃于2020年實現(xiàn)新型小型運載火箭“聯(lián)盟”號2LK的首飛。

小身板擔當使命重擔

與大推力火箭發(fā)射成本高、準備時間長、缺乏快速反應(yīng)能力相比，小型運載火箭制造技術(shù)先進、發(fā)射成本低、反應(yīng)速度快、適應(yīng)能力強，尤其在衛(wèi)星小型化大行其道的今天，小型運載火箭更是擔負起這類簡單成熟衛(wèi)星發(fā)射的重任，同時更因自身獨特的技術(shù)特點而備受青睞。

別看小型運載火箭個子小，但絕對是個“短跑健將”。一般的大中型運載火箭發(fā)射準備時間動輒數(shù)月，小型運載火箭卻是用天乃至小時來計算。法國的阿里安火箭發(fā)射準備時間長達兩個月，而美國的Super-Strypi小型運載火箭發(fā)射時間只有21天，飛馬座火箭發(fā)射準備時間為14天，金牛座火箭更只有短短72小時。由美國和新西蘭聯(lián)合研制的電子小型運載火箭，可實現(xiàn)每隔72小時進行1次航天發(fā)射的超高頻率，堪稱世界航天領(lǐng)域快速發(fā)射的代表作。這么短的發(fā)射準備時間，意味著一旦遭遇自然災(zāi)害、戰(zhàn)爭爆發(fā)等突發(fā)事件，小型運載火箭可快速將偵察、通信等用途的衛(wèi)星發(fā)射升空，實現(xiàn)衛(wèi)星的快速發(fā)射和空間部署，及時獲取相關(guān)重要信息，戰(zhàn)略意義相當重要。

此外，小型運載火箭的發(fā)射升空方式可謂多姿多彩。除可以像“老字號”運載火箭一樣從地面及海上發(fā)射外，小型運載火箭還可直接開啟空中發(fā)射模式，堪稱航天發(fā)射領(lǐng)域的一個偉大創(chuàng)舉。美國自20世紀50年代就開始空中發(fā)射火箭的試驗工作，飛馬座小型運載火箭利用B-52轟炸機攜帶到空中，是世界上第一種實現(xiàn)空中發(fā)射的運載火箭。在空中發(fā)射領(lǐng)域，美國的維珍銀河公司可算是情有獨鐘，不但研發(fā)設(shè)計的太空船2號亞軌道飛行旅游飛船采用空中發(fā)射升空，專門設(shè)計的運載器1號小型運載火箭也采取了通過波音747-400民用航空飛機發(fā)射的方案。

進入21世紀以來，世界各航天大國的新一代運載火箭都擺脫了研制初期以彈道導(dǎo)彈為基礎(chǔ)衍生的復(fù)雜設(shè)計方案，從設(shè)計之初就開始考慮組合化、模塊化和通用化，通過不同的模塊搭配組合，實現(xiàn)覆蓋更加寬廣發(fā)射運力范圍，從而滿足主流航天發(fā)射的需求。小型運載火箭更是模塊化設(shè)計的先行軍，美國軌際系統(tǒng)公司研制的NEPTUNE小型運載火箭通過捆綁不同數(shù)量的通用模塊，就可實現(xiàn)不同的運載能力，目前已經(jīng)完成了通用模塊的飛行試驗。同時，為進一步降低航天發(fā)射成本，小型運載火箭也將“省錢模式”發(fā)揮到了極致。

新興航天發(fā)射的敲門磚

天下武功，惟快不破。相比于傳統(tǒng)運載火箭漫長的吊裝對接、狀態(tài)監(jiān)測和加注燃料時間，小型運載火箭發(fā)射準備時間明顯縮短，不僅提升了發(fā)射效率，更可大大掌握航天發(fā)射的先機。

其實，小型運載火箭的研制并不復(fù)雜，尤其是火箭的發(fā)動機和結(jié)構(gòu)規(guī)模要小很多，在制造、試驗等方面的更容易實現(xiàn)，因而在美國、歐洲等工業(yè)基礎(chǔ)發(fā)達的國家和地區(qū)掀起了研制小型運載火箭的熱潮。目前，挺進小型運載火箭領(lǐng)域的都是近些年成立的新興商業(yè)航天公司，技術(shù)門檻相對較低，又能全面覆蓋火箭系統(tǒng)研制的切入點。商業(yè)公司開展小型運載火箭研制的一個共同特點就是完全掌握發(fā)動機、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等核心技術(shù)，還要自建試驗和制造設(shè)施，以便最大程度降低研制和生產(chǎn)成本，在新興航天發(fā)射的強烈市場競爭中牢牢掌握主動權(quán)。

新概念技術(shù)的大量涌入也將大大降低小型運載火箭的發(fā)射成本。美國Bagaveev公司研制的小型運載火箭一大特點就是采用了3D打印的發(fā)動機，電子小型運載火箭甚至將火箭的渦輪泵、閥門、噴射器和燃燒室等部件都采用了3D打印，不僅能提高火箭的制造效率，同時也可大幅度降低出現(xiàn)故障概率，大大縮短了火箭發(fā)射需要的檢測時間。

當然，我們更不能忘了小型運載火箭在軍事領(lǐng)域的重要應(yīng)用前景。近年來，一些退役下來的性能先進的彈道導(dǎo)彈相繼加入小型運載火箭的改裝行列。小型運載火箭機動靈活、反應(yīng)速度快，一旦在軍事上遭遇突發(fā)事件和局部戰(zhàn)爭爆發(fā)，任務(wù)衛(wèi)星的損失補充和應(yīng)急發(fā)射等都需要小型快速火箭出來大顯身手。海灣戰(zhàn)爭爆發(fā)后，美軍就應(yīng)急發(fā)射過兩顆近地軌道小型通信衛(wèi)星，確保了戰(zhàn)時美軍通暢的戰(zhàn)場通信能力。此外，小型運載火箭的大量新技術(shù)還可用于開展高超音速武器的飛行試驗。

美國早在數(shù)年前就曾提出過“衛(wèi)星即插即用”概念，對于及時響應(yīng)型衛(wèi)星和一系列低成本快速發(fā)射型火箭的需求成為當務(wù)之急。美國國防部為實現(xiàn)衛(wèi)星快速部署，曾開展過多個快速響應(yīng)發(fā)射技術(shù)研制項目，但直到目前，機載發(fā)射輔助進入空間項目、試驗性太空飛機項目和士兵-戰(zhàn)斗者應(yīng)急響應(yīng)投放器等進展遲緩，小型運載火箭為衛(wèi)星的快速發(fā)射提供了新的曙光。未來戰(zhàn)爭的通信、導(dǎo)航、偵察等都需要大量衛(wèi)星組成天基輔助作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)缺失都會對戰(zhàn)爭制勝產(chǎn)生巨大威脅。從這個意義上講，可實現(xiàn)快速發(fā)射、重復(fù)利用且成本低廉的小型運載火箭將成為未來戰(zhàn)爭的又一“殺手锏”武器。

責(zé)任編輯：劉靖鑫