小火箭里的大文章——从“电子号”说起(一)

纵观世界各国的首次卫星发射,其运载工具无外乎两种情形,一种是本国中、远程(洲际)导弹计划的外延,所以采用的运载火箭会比较大,发射载荷也比较大;另一种具有很强的“抢名次”的象征意义,于是就会有将探空火箭加以修改设计而来的“小型运载火箭”,例如日本的L-4S固体运载火箭和“大隅号”人造科学试验卫星。

小火箭里的大文章——从“电子号”说起(一)

然而,两年前升空得“电子”号似乎自始就是走了“第三条路线”,毕竟首射就来个“一箭三星”确实十分令人拍案惊奇(虽然由于微型“立方星”的普及,“一箭多星”的门槛低了不少),而且这枚全长17米,直径1.2米,起飞重量10.501吨,可以说是既不粗又不长也不重的火箭,运载能力还算得上值得一观。更惹眼的是,它采用了一种看上去简单而独特的技术,可以说是另辟蹊径并且取得了成功。

在此之前,当今世界上采用液体燃料的运载火箭(其实弹道导弹也是类似的),主要采用两种动力循环模式:燃气发生器循环和高压补燃循环。两种方式各有好处,不过似乎对于一枚长度不超过20米,直径没到1.5米,起飞重量才10吨刚刚出头的小型运载火箭来说,上述两种方式都不大好用,之前出现的几乎所有直径低于1.5米的运载火箭都是采用固体燃料的。

不过“火箭实验室”的科研人员确实表现出了很强的创新能力,他们采用了一种前所未见的方式:用锂电池驱动电动涡轮泵,这种方式可以将涡轮泵效率提升到95%(传统的燃气发生器循环的涡轮泵效率只有50%左右),但电动涡轮泵的结构也比采用高压补燃循环的运载火箭简单地多,所以可以将火箭做得短地多也细地多。于是,也许是当今世界最小的液体燃料运载火箭就这样出世了。

小火箭里的大文章——从“电子号”说起(一)

“电子号”小型运载火箭为两级液体运载火箭,其第一级安装有9台采用了电动涡轮泵的“卢瑟福”液体火箭发动机,第二级则安装了1台同样采用锂电池驱动电动涡轮泵的改进型“卢瑟福”液体火箭发动机,有着比第一级火箭上的“卢瑟福”发动机更大的膨胀比。为了避免造成环境污染,“电子号”小型运载火箭的燃料使用了液氧和煤油,这也是当代液体燃料运载火箭的流行元素和发展趋势之一。

按照“火箭实验室”公司的说法,“电子号”小型运载火箭可以将150千克重的载荷运到500千米高的太阳同步轨道上,如果载荷重量更小,那么发射高度就可以增加,反之如果载荷更重,则发射高度相应降低。例如当载荷为168千克时,发射轨道高度降至300千米,若载荷为132千克,则发射高度可以增加到700千米。

而此次发射是“电子号”的第一次发射,“火箭实验室”宣称,在2017年的发射中,实际上两级火箭的分离高度和姿态都是正常的,但是地面测控系统发生错误,误认为发射失败,火箭遂自毁……而此次发射修正了之前的一些错误隐患,因此取得了完全成功……

小火箭里的大文章——从“电子号”说起(一)

除此之外,“电子号”运载火箭还采用了很多其他的新材料和工艺,例如火箭外壳大部分为碳纤维复合材料编制而成,不仅重量轻,将来实现批量生产时的成本也更低。而“卢瑟福”发动机的很多部件为3D打印工艺制成,这可不仅是当下的“时髦元素”,而是对快速制造和降低生产成本大有裨益的技术探索。

“火箭实验室”公司认为,今后“电子号”将使用“一箭多星”的方式履行大量发射低成本的“立方星”的业务,国际商业发射市场的一支生力军……这种尝试若真能成功,国际卫星发射市场的“游戏规则”很可能会有所改变。


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