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凤雏初展翅,朱雀首试飞

10月27日,朱雀一号在酒泉卫星发射基地点火升空。可惜,火箭第三级姿态不稳,没能顺利将其搭载的微小卫星送入预定轨道。图片来源:蓝箭航天

2018年10月27日,由中国民营航天企业蓝箭航天研发的首枚火箭“朱雀一号”(ZQ-1)发射升空,搭载CCTV-1《加油!向未来》第三季定制的微小卫星上天。这是中国的民营火箭首次尝试发射卫星入轨。

虽然最终发射未能取得圆满成功,但这次尝试仍是中国民营航天向前迈出的一小步。

作为中国民营航天的卫星发射首秀,“朱雀一号”的性能和特点如何?面向的是什么样的客户?在国内外的类似火箭中,“朱雀一号”的表现又如何呢?我们来逐一探讨。

小型运载火箭

不同于我们耳熟能详的大型运载火箭,比如中国的“长征”系列、俄罗斯的“联盟”(Soyuz)系列、欧洲的“阿丽亚娜”(Ariane)系列、美国的联合发射联盟“大力神”系列和SpaceX“猎鹰”(Falcon)系列等等,“朱雀一号”相对而言更加袖珍和秀气,是一种小型运载火箭。

所谓的小型运载火箭,介于探空火箭和大型运载火箭之间。探空火箭常用于探测亚轨道空间,主要探测的空间要比卫星轨道更低。此外,探空火箭不需要达到第一宇宙速度,即不需要将载荷送入卫星轨道,只需要送上高空就可以了。

而相比于大型运载火箭,作为现代运载火箭先驱的小型运载火箭,体积和重量相对较小,搭载的载荷(卫星、飞船、科学仪器等)也相对较小,可以触及的高度也相对较低,仅限于低地球轨道。

各国早期的航天史都是沿着同一条路线图发展的,即从探空火箭,到小型运载火箭,再步入大型运载火箭。在人们还没有掌握大规模向太空投送的航天技术之前,探空火箭和小型运载火箭是探索高空的铺路砖。

以中国为例。

1958年3月,也就是苏联成功发射第一颗人造地球卫星的半年之后,当时北京航空学院(如今的北京航空航天大学)的火箭系就开始了“北京二号”探空火箭的研制工作。仅仅用了半年时间,“北京二号”就从脑海中的构想发展到了最终的发射升空,成为了亚洲第一枚液、固两种推进剂的近代两级探空火箭,为后来的“长征”系列火箭打下了可靠的基础。

“北京二号”探空火箭。图片来源:北京航空航天大学

1970年4月24日,“长征一号”火箭搭载“东方红一号”卫星上天。“长征一号”火箭的低地球轨道运载能力只有300千克,属于小型运载火箭。在这一型号的基础上,“长征”家族逐步发展壮大,成为世界知名的火箭家族。

发射“东方红一号”卫星的“长征一号”火箭。图片来源:中国航天科技集团

不过,随着航天用的运载火箭的成熟,小型运载火箭并没有被淘汰,反而也发展壮大了起来。不少官方的航天机构开始研制新的小型运载火箭,民间的研发更是层出不穷。此次蓝箭航天的“朱雀一号”,就是其中的一个例子。

小型运载火箭的角色绝不仅仅是铺路砖,除了相对难度更低、更容易研制以外,还有几个特征使得它们广受欢迎:

首先,小型运载火箭面向的是轨道较低、重量和体积较轻的小型载荷,灵活性很高。如果没有小型运载火箭,这些小型载荷就只能夹在大火箭的边角等待被搭载,发射的时机和轨道都受到大卫星的影响。而小型运载火箭可以专门搭载一个或数个小型载荷,专门服务于这类客户。随着越来越多的民间团队加入到航天领域中,未来小型载荷的数量很可能会急剧增长,小型运载火箭的用武之地也将越来越多。

而最重要的,是小型运载火箭相对低的成本带来的高性价比。小型载荷可以用更低廉的价格发射升空,使得更多人能参与到航天领域中来,进一步拓宽探空火箭的市场。

现如今,小型运载火箭的型号已经五花八门, “朱雀一号”就是其中的一员,让我们来了解一下这枚火箭的具体性能。

朱雀一号

“朱雀一号”与普通人身高的对比图。图片来源:蓝箭航天

“朱雀一号”全长19米,大致相当于一栋7层楼房的高度,是我国载人航天专用火箭长征二号F高度的1/3。

火箭箭体直径1.35米,大约相当于“长征”系列主火箭直径(3.35m)的一半,当然长征五号这样的巨头另算。为何大多“长征”系列火箭的直径被限制在这个尺度,这与铁路隧道的限界有关。直到海南文昌火箭发射场的建成,这一限制才最终放宽。

这枚小型运载火箭一共由3级火箭和整流罩组成,载荷整流罩的长度大约相当于一个蜷缩的人。

火箭分级的最早理论论述可以追溯到百年前的齐奥尔科夫斯基的著作中,他在论述里指出,火箭必须及时抛弃无用的质量,才能最大限度提升效率。由于更多级的火箭往往系统过于复杂,影响可靠性,因此通常的火箭都设计成2到3级,当最下面一级消耗殆尽时,就会将其结构和发动机这些无用质量抛弃。

总装中的“朱雀一号”火箭。图片来源:蓝箭航天

“朱雀一号”的起飞质量为27吨,只相当于长征二号F火箭的6%,毕竟只是用于发射小型载荷。火箭的起飞推力45吨,或者440千牛,也相当于长征二号F火箭7%的水平,是一款各项指标相对微缩的火箭。

运载能力方面,“朱雀一号”在500千米高的太阳同步轨道可以部署4到6颗总重200千克的微小卫星,或者50颗2U立方体卫星;也可以在200千米高度的轨道部署总重300千克的载荷。这里的U是Unit的缩写,是常用的机箱尺寸规范,由美国电子工业协会(EIA)制定,1U的标准厚度为44.45毫米。

太阳同步轨道是一种近似的极地轨道,即轨道经过南北两极上空。这类卫星轨道的最大特点是,卫星会在相同的时间点经过相同的位置上空。这一特点使得众多光学遥感卫星和气象卫星青睐太阳同步轨道,卫星可以设置成在白天同一时间经过一片区域,从而获得这片区域清晰的光学图像。

本次“朱雀一号”搭载的“未来号”卫星也选择了太阳同步轨道,可以使用其搭载的光学遥感相机对地进行成像。“未来号”卫星的尺寸为320毫米×295毫米×248毫米,设计寿命为两年。

2018年8月20日,“朱雀一号”(ZQ-1)在西安总装完毕。图片来源:蓝箭航天

“朱雀一号”使用的固体燃料推进剂为丁羟四组元,这是一组常见的固体火箭推进剂,由氧化剂硝酸铵(HMX/RDX)、高氯酸铵(AP)、铝粉(Al)和粘合剂端羟基聚丁二烯(HTPB)组成。整个燃料中氧化剂的配比通常高达60~80%。

在氧化剂中的硝酸铵,曾经是一种氮肥。由于这种化肥长期堆放会导致结块,容易发生爆炸危险,因此早已被含氮量更高、风险更低的尿素替代。

高氯酸铵、铝粉和粘合剂的组合则是航天业界主流的固体燃料之一APCP。著名的美国航天飞机助推器、“阿丽亚娜”火箭助推器、“大力神”火箭助推器等均选用了这款组合。除此之外,美国的“民兵”、“和平卫士”洲际导弹和俄罗斯的“白杨”洲际导弹也选用了这类固体燃料的组合。

航天飞机发射时,两枚白色的固体燃料助推火箭使用的就是APCP燃料。图片来源:NASA

粘合剂HTPB的作用,则是将这些燃料成分均匀地沾合在一起。只占10%到15%的粘合剂,可以使得固体燃料形成更稳定的药柱。而HTPB自身也是一款高能燃料,丝毫不会浪费自身的重量。

众多火箭青睐APCP以及丁羟四组元这一类型的燃料是有原因的:

  • 首先,最重要的一点,是这款燃料的比冲高,也就是单位质量的燃料带来的推力更大,在固体燃料中处于领先地位;
  • 其次,这款燃料的燃烧产物分子量低、烟雾少;
  • 此外,这组燃料可以组成相对稳定的固体药柱,在常见的高低温、撞击或加速的情况下,不容易分解或发生反应。

 

各国小型运载火箭大比拼

世界上最小的小型运载火箭来自日本,实际上就是一款大号的探空火箭——SS-520。这款火箭长度只有9.54米,直径0.52米,都只有“朱雀一号”的一半左右,整个火箭重量为2.6吨。

2018年2月3日,SS-520-5火箭将TRICOM-1R卫星发射升空,创下了一项世界纪录!那就是——世界最小的运载火箭,发射入轨的最重卫星载荷只有4千克!

换句话说,世界上最小的运载火箭差不多相当于家用轿车的重量,只能把一个汽车轮胎重量的卫星送上太空。

注意,这个重量指的是火箭将4千克重的微小卫星送入轨道,速度达到第一宇宙速度7.9千米/秒,卫星可以在无动力的条件下环绕地球。如果只是送上高空不进入轨道的话,SS-520的载荷重量可以达到140千克。

SS-520-5火箭,世界上最小的运载火箭。图片来源:JAXA

而真正意义上的实用化小型运载火箭,要从美国的“米诺陶”(Minotaur)系列火箭说起。

米诺陶是希腊传说中,克里特岛迷宫中间的一位牛头人。这座迷宫由代达罗斯和伊卡洛斯父子设计,两人在飞行逃离克里特岛时,伊卡洛斯因为离太阳太近,翅膀上的蜡融化后坠海身亡,这就是伊卡洛斯之翼的传说。

此时,由于雅典战败于克里特岛,需要定期献祭雅典青年男女给牛头人。不满于克里特岛国王残暴统治和吃人的米诺陶,雅典王子忒修斯决定自己混入祭品,伺机杀死了米诺陶。他和父亲爱琴斯约定,事成之后,换白帆起航,如事不成,则扬黑帆起航。在克里特岛国王的女儿阿莉阿德娜的帮助下,忒修斯成功击杀了牛头人“米诺陶”,但他忘了换白帆,悲痛的爱琴斯投入了以自己名字命名的爱琴海之中。

这个系列的火箭用吞噬人类的牛头人“米诺陶”的名字冠名,却丝毫不为过。因为“米诺陶”火箭的下面两级直接使用的是大杀器“民兵”以及“和平卫士”洲际导弹的下面级,原本就是大杀器。由于军事敏感程度高,这一型号由美国国防部主导,必须在美国空军基地发射,载荷也必须为美国本土卫星。

简易的“米诺陶1型”火箭发射场,甚至可以用简陋来形容。图片来源:Wikipedia

“米诺陶1型”火箭的长度为19.21米,直径1.67米,重36.2吨,低地球轨道的运载能力为580千克,比“朱雀一号”略高一截,但也相差不多。但发展到“米诺陶4型”时,低地球轨道的运载能力已经达到1.7吨了。

为什么美国要研发“米诺陶”火箭?

最主要的目的是快速反应和快速部署。通常的运载火箭使用液体燃料,发射准备周期长,发射场地限制多,不便于在紧急情况下使用。因此,美国利用成熟的洲际导弹技术,直接改成一款快速反应的火箭,可以随时待命,随时发射,发射条件也十分不讲究。

2000年1月27日,首枚“米诺陶1型”火箭发射成功。

无独有偶,俄罗斯也根据“白杨”洲际导弹开发出了类似的小型运载火箭Start-1,长22.7米,直径1.61米,重47.2吨,低地球轨道运载能力为532千克,1993年3月25日首飞成功。虽然发射时间早于“米诺陶”,但Start-1运用次数和场景均不如“米诺陶”系列广泛,相对缺乏知名度。

“快舟一号”火箭亮相珠海航展。图片来源:新华网

中国也推出了“快舟”系列固体燃料小型运载火箭,取名的寓意就在于“快速反应的航天之舟”。

“快舟一号”火箭的长度为19.4米,直径1.4米,重约30吨,低地球轨道运载能力为300千克,和“朱雀一号”相当,2013年9月25日首飞成功。未来新的“快舟”系列也在向着更大的运载能力方向突破,同样要实现大型固体运载火箭的目标。

除了“快舟”系列,“长征”系列也推出了自己的小型固体运载火箭“长征十一号”。这款火箭长20.8米,直径2.0米,重58.0吨,低地球轨道运载能力为700千克,2015年9月25日首飞成功。

除了官方航天机构对快速反应的需求,民间爆发式增长的微小卫星需求也促成了更多小型运载火箭的出现,这些火箭专门为微小卫星量身定制,力求高性价比。

印度的PSLV系列火箭,大量用于搭载微小卫星。图片来源:Wikipedia

印度在微小卫星市场广受欢迎,其发射价格之低,让欧美各国叹为观止。印度目前采用的仍然是搭大卫星顺风车的方式,不过有一次发射(PSLV-C37),微小卫星反客为主,103颗的总重量已经接近主卫星的重量了。

但PSLV火箭仍然是一款中等体量的运载火箭。印度方面决定单独研发一款小型运载火箭SSLV,最大的特点是超高性价比,预计成本只有PSLV火箭的十分之一!

SSLV长度为34米,直径2米,总重量120吨,预计低地球轨道运载能力在1吨左右,太阳同步轨道的运载能力在500千克,火箭的首秀预计于2019年进行。

介绍了这么多种小型运载火箭,那么“朱雀一号”在其中又处在什么样的位置呢?

  • 按火箭的运载能力,日本的SS-520无疑是最小的,纯粹用探空火箭来实现微小卫星发射;
  • 其次则是“朱雀一号”、“快舟一号”、“米诺陶1型” 、“长征十一号”和SSLV,这些火箭的共同点是运载能力不过几百千克,面向中小型卫星,或多个微小卫星;
  • 而“快舟”和“米诺陶”的后续版本,运载能力有明显的提升,主要面向的载荷是大卫星,已经可以和大型运载火箭分庭抗礼了。

 

其实除了“朱雀一号”,蓝箭航天也在发展大型液态火箭“朱雀二号”(ZQ-2)。这款火箭预计长48.8米,直径也选择了3.35米,总重量216吨,低地球轨道运载能力4.0吨。“朱雀二号”将采用液氧-甲烷发动机,这种燃料的比冲介于液氧-液氢和液氧-煤油之间。

航天就是一个伴随着风险和失败成长起来的,尽管“朱雀一号”未能完全发射成功,但留得青山在,不怕没天上。面对如此之多的国内外竞争对手,蓝箭航天的“朱雀一号”未来将会表现如何,成本和可靠性这两大关键点还有待进一步观察。所谓“路遥知马力,日久见人心”,火箭也是在多次发射之后更适合进行总结。

让我们拭目以待“朱雀一号”未来的发展,观摩这片属于微小卫星的太空。(编辑:Steed

The End

发布于2018-10-29, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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