場(chǎng)青格 張帆（北京航天動(dòng)力研究所）

可重復(fù)使用一子級(jí)和起落架。

“新格倫”火箭構(gòu)型最大的優(yōu)勢(shì)為采用了超大7m 整流罩，將有效載荷擴(kuò)充至現(xiàn)役火箭的2 倍，近地軌道有效載荷為45t，地球靜止轉(zhuǎn)移軌道有效載荷為13t。其一子級(jí)可重復(fù)使用至25 次，主發(fā)動(dòng)機(jī)為甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)BE－4，上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)為BE－3U。

“新格倫”火箭及其助推級(jí)外觀圖

獵鷹－9 火箭

獵鷹－9 火箭是由SpaceX 公司設(shè)計(jì)并制造的可重復(fù)使用雙子級(jí)火箭，是世界上第一枚軌道級(jí)可重復(fù)使用火箭。

獵鷹－9 火箭外觀圖

獵鷹－9 火箭結(jié)構(gòu)包括一子級(jí)、二子級(jí)、級(jí)間和整流罩。其中，一子級(jí)使用9 臺(tái)“灰背隼”（Merlin）發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)機(jī)，結(jié)構(gòu)為“1﹢8”：即中心一臺(tái)，周圍均勻分布8 臺(tái)，大大簡(jiǎn)化了火箭的設(shè)計(jì)和組裝，降低了發(fā)射成本。級(jí)間是用于連接一子級(jí)和二子級(jí)的復(fù)合結(jié)構(gòu)，并裝有氣動(dòng)推進(jìn)器，保障二者在飛行過(guò)程中成功分離。此外，獵鷹－9 火箭還配備了4 個(gè)位于級(jí)間底部的高超聲速網(wǎng)格鰭，可以借助移動(dòng)壓力中心在再入軌期間定位火箭。整流罩由碳復(fù)合材料制成，可以有效保護(hù)衛(wèi)星入軌，且為回收性質(zhì)，以便在未來(lái)任務(wù)中重復(fù)使用。

獵鷹－9 火箭基本參數(shù)

差異性分析

“新格倫”火箭和獵鷹－9 兩款火箭結(jié)構(gòu)的主要差別在于頭部整流罩和分級(jí)結(jié)構(gòu)的選擇：前者借助超大7m 整流罩，大幅提高運(yùn)載能力和有效載荷；后者整流罩使用碳復(fù)合結(jié)構(gòu)，更看重結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。此外，獵鷹－9 火箭還借助級(jí)間和改善發(fā)動(dòng)機(jī)布局，降低了發(fā)射過(guò)程中子級(jí)分離對(duì)火箭飛行的影響。

3 動(dòng)力與飛行程序

“新格倫”火箭

“新格倫”火箭將甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)BE－4 作為一子級(jí)的主發(fā)動(dòng)機(jī)，BE－3U 為上面級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)均為藍(lán)源公司研制的系列產(chǎn)品。

BE－4 發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑為液氧甲烷。于2019年完成了100%的推力測(cè)試，海平面推力達(dá)240t。目前，世界范圍內(nèi)只有兩款可用的液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，即SpaceX 公司的“猛禽”（Raptor）和藍(lán)源公司的BE－4。作為新一代液氧甲烷燃料富氧分級(jí)燃燒循環(huán)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，BE－4 可重復(fù)使用100 多次。同時(shí)該動(dòng)力系統(tǒng)性能也有所提高，如推力和比沖等，均高于現(xiàn)役火箭。使用7 臺(tái)BE－4 甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)機(jī)，一子級(jí)可在海平面產(chǎn)生17100kN 的推力。盡管其詳細(xì)參數(shù)尚未公布，但根據(jù)藍(lán)源公司官方公布的數(shù)據(jù)可知，其高度至少為3.5m,主要部件包括增壓泵、再冷卻組件、主要渦輪泵總成、富氧預(yù)燃室和噴管等。

BE－4 發(fā)動(dòng)機(jī)外觀結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)飛行計(jì)劃，“新格倫”火箭將從卡納維拉爾角36 號(hào)發(fā)射場(chǎng)升空。在子級(jí)分離后，一子級(jí)返回地球并在擺渡船附近1000km 處降落，可選擇著陸面積擴(kuò)大，助推器著陸可靠性得到了很大的提高。二子級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，7m 整流罩分離。當(dāng)機(jī)載有效載荷安全入軌時(shí)，任務(wù)圓滿完成。

“新格倫”火箭發(fā)射過(guò)程示意圖

獵鷹－9 火箭

“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)隸屬SpaceX 公司開發(fā)的系列產(chǎn)品，用于獵鷹－1、獵鷹－9 和獵鷹重型運(yùn)載火箭。其推進(jìn)劑為液氧煤油，專為可重復(fù)使用設(shè)計(jì)。該發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器開式循環(huán)。

“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)外觀圖

獵鷹－9 火箭動(dòng)力系統(tǒng)的最大特點(diǎn)為一子級(jí)采用9 臺(tái)“灰背隼”聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)，提高了容錯(cuò)率，即當(dāng)其中兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障時(shí)，飛行器仍可繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)發(fā)射不會(huì)造成太大的影響。此時(shí)，一子級(jí)推力可超過(guò)7557kN（海平面推力）。

二子級(jí)由單個(gè)“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)（真空版）提供動(dòng)力，推力為981kN。此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)可多次重復(fù)起動(dòng)，旨在將多個(gè)有效載荷送至不同的軌道。

與“新格倫”火箭有所不同，獵鷹－9 火箭并沒(méi)有經(jīng)歷自動(dòng)變軌的過(guò)程，且降落方式也是采用垂直降落的方式，著陸地點(diǎn)比較固定。

此外，獵鷹－9 火箭的分離過(guò)程十分簡(jiǎn)單。雖然大多數(shù)火箭使用復(fù)雜的爆炸螺栓進(jìn)行子級(jí)分離，但SpaceX 公司在獵鷹－9 火箭上使用了全氣動(dòng)的子級(jí)分離系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在地面上進(jìn)行測(cè)試，有效降低了分級(jí)過(guò)程對(duì)火箭的影響。

差異性分析

“新格倫”火箭和獵鷹－9 火箭在動(dòng)力系統(tǒng)方面的差異主要體現(xiàn)在推進(jìn)劑選擇的不同：前者主發(fā)動(dòng)機(jī)為BE－4，是美國(guó)第一臺(tái)使用液氧和液化天然氣的可重復(fù)使用、富含氧化劑的分級(jí)燃燒增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。后者主發(fā)動(dòng)機(jī)為“灰背隼”發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種燃?xì)獍l(fā)生器開式循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，推進(jìn)劑為液氧煤油。

動(dòng)力系統(tǒng)的差別給運(yùn)載器的飛行程序，尤其是著陸方式帶來(lái)了一定的影響。就著陸方式而言，“新格倫”火箭更靈活，采用海上降落，著陸范圍較大，受限制程度低。獵鷹－9 火箭則需要固定的著陸地點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的垂直著落方式降落。

4 運(yùn)載器發(fā)展階段

“新格倫”火箭

藍(lán)源公司“新格倫”火箭設(shè)計(jì)工作始于2012 年，2016 年9 月首次官宣部分信息。早期，該公司曾經(jīng)表示要在2020 年進(jìn)行“新格倫”火箭的首發(fā)飛行試驗(yàn)，但因某些客觀原因推遲至今仍未開展相關(guān)任務(wù)。不久前，該公司稱，2022 年的首飛計(jì)劃繼續(xù)推遲至少一年。為此，藍(lán)源公司還在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角區(qū)域建造了一座大型綜合火箭工廠，專用于“新格倫”火箭和其他的重型火箭發(fā)射任務(wù)。

獵鷹－9 飛行程序圖

據(jù)悉，“新格倫”火箭發(fā)射計(jì)劃之所以一拖再拖，主要是由于經(jīng)濟(jì)原因和技術(shù)原因。其中，技術(shù)原因主要分為兩點(diǎn)：①該火箭將具備更強(qiáng)的發(fā)射靈活性和適應(yīng)性，可以滿足絕大多數(shù)的發(fā)射天氣條件（可達(dá)95%）；②該火箭甚至將運(yùn)送火箭作為自己的有效載荷，難度超大。

獵鷹－9 火箭

SpaceX 公司的獵鷹－ 9 可謂是火箭界的明星選手，其發(fā)展階段完整且成熟，每個(gè)階段都能稱得上是劃時(shí)代的標(biāo)志。2015 年獵鷹－ 9 火箭的首次回收、2016 年4 月10 日“國(guó)際空間站”(ISS) 的成功補(bǔ)給、2019 年11 月11 日的載重紀(jì)錄（15.6t），以及2021 年9 月15 日的首次純商業(yè)載人太空飛行任務(wù)，所有的發(fā)展階段呈順序、流線型，雖時(shí)有波折，但都是可以解決的，并未對(duì)連貫的發(fā)展階段造成斷崖式破壞。

可以說(shuō)，獵鷹－9 火箭成熟一體化的發(fā)展階段，為后續(xù)重型火箭（如：該公司的“獵鷹重型”以及“星艦”“超重星艦”等）奠定了雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。就現(xiàn)階段而言，其成熟的可回收技術(shù)降低了運(yùn)載器的發(fā)射成本，對(duì)民營(yíng)航天和商業(yè)航天意義非凡。

差異性分析

雖然這兩款火箭的動(dòng)力系統(tǒng)均得到了充分的發(fā)展，但運(yùn)載器本身的發(fā)展階段差距較大?！靶赂駛悺被鸺两裆形达w行，而獵鷹－9 火箭自2010 年6 月4 日完成首飛以來(lái)，已經(jīng)進(jìn)行了3 次載人航天任務(wù)，均獲得圓滿成功。

5 兩款火箭的相同點(diǎn)小結(jié)

就目前來(lái)看，藍(lán)源公司和SpaceX 公司發(fā)展勢(shì)頭迅猛，后者在可重復(fù)使用運(yùn)載器領(lǐng)域更勝一籌。但藍(lán)源公司對(duì)于“新格倫”火箭的投入也在暴露其逐漸占領(lǐng)民營(yíng)和商業(yè)航天市場(chǎng)的野心。

2020—2024 年，美國(guó)太空部隊(duì)將國(guó)家安全太空發(fā)射二期合同授予聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）和SpaceX 公司，將藍(lán)源公司和諾格公司（NG）選為主要承包商。這是兩家公司在發(fā)展道路上離彼此最近的一次。

除了上述差別，“新格倫”火箭和獵鷹－9 火箭在很多方面殊途同歸，如：①雖然推進(jìn)劑有所不同，前者為甲烷，后者為煤油，但均應(yīng)用于可重復(fù)使用運(yùn)載器。②雖然兩款火箭子級(jí)結(jié)構(gòu)有所區(qū)別，但大推力，大有效載荷為二者共同追求的目標(biāo)，前者通過(guò)加大整流罩，后者通過(guò)改變發(fā)動(dòng)機(jī)布局，均力求提高有效載荷。③兩款火箭均為載人航天任務(wù)，且商業(yè)目的濃厚，具備打造航天旅游業(yè)的潛力。

藍(lán)源公司位于佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角的“新格倫”火箭工廠鳥瞰圖

6 結(jié)束語(yǔ)

“新格倫”火箭憑借其獨(dú)一無(wú)二的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，使用巨大整流罩將有效載荷提高一個(gè)量級(jí)，未來(lái)市場(chǎng)十分廣闊。當(dāng)技術(shù)成熟之時(shí)，可為整個(gè)世界的航天事業(yè)作出巨大貢獻(xiàn)，例如：為“國(guó)際空間站”、合作飛行等提供豐厚的物質(zhì)保障，讓航天任務(wù)具備接續(xù)性、可持續(xù)性。同時(shí)，可以降低多次發(fā)射成本，提高可靠性。

獵鷹－9 火箭成熟的發(fā)射技術(shù)加之可重復(fù)使用技術(shù)的日益完善，可將載人發(fā)射任務(wù)由少數(shù)性、特殊性擴(kuò)展為普及性，甚至帶動(dòng)相關(guān)航天產(chǎn)業(yè)（如太空旅游業(yè)）的蓬勃發(fā)展，并且“龍”飛船已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。此外，其可重復(fù)使用技術(shù)將發(fā)射成本大幅降低，市場(chǎng)需求廣闊，技術(shù)借鑒意義十分重大。

綜上所述，通過(guò)對(duì)比分析“新格倫”火箭和獵鷹－9火箭在歷史意義、結(jié)構(gòu)，以及動(dòng)力和飛行程序等方面的不同之處，不僅能總結(jié)出兩型火箭各自的市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，還能總結(jié)出美國(guó)新型可重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展特點(diǎn)：重點(diǎn)打造重型可重復(fù)使用運(yùn)載器，提高有效載荷，降低發(fā)射成本。此外，兩款火箭的一些共同點(diǎn)，如商業(yè)目的和發(fā)射任務(wù)等，可以看出美國(guó)商業(yè)航天的發(fā)展不僅側(cè)重于經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也兼顧國(guó)家安全保障。

雖然由于一些客觀原因，藍(lán)源公司曾擱置了“新格倫”火箭的研制進(jìn)展，但已經(jīng)開始重新發(fā)力打造“新格倫”火箭，在不久的未來(lái)，將啟動(dòng)27 顆衛(wèi)星組成的“柯伊伯”（Kuiper）星座計(jì)劃。同時(shí)，獵鷹－9火箭已于2022 年4 月23 日將3 名美國(guó)航天員和一名歐洲航天員送至“國(guó)際空間站”，圓滿完成了乘員－4（Crew－4）任務(wù)。得益于兩款火箭的日益成熟，世界航天將迎來(lái)?yè)P(yáng)帆起航的新征程！