2023新展望:人类首次用天然气火箭发射卫星,花落中美谁家?
去年9月底,我们曾发表一篇文章:决赛圈开启,全球首枚天然气火箭花落中美谁家 展望中美哪家企业会率先成功使用天然气(即液氧甲烷燃料组合)发射卫星。3个月过去了,如预测的那样,我国民营企业蓝箭航天率先使用朱雀二号火箭进行了尝试,火箭顺利完成了大部分关键动作,只可惜由于二级游机故障,未能入轨(参考:朱雀二号火箭首飞遗憾,对蓝箭、对我国民商航天业的考验还在后头)。
2023年,人类继续追求以经济高效的方式进入太空,还会向着“用天然气发射卫星”发起冲击。那么现在的PK态势又如何?
1、星舰 Starship
状态:即将首飞
2022年12月16日,高约 165 英尺(50 米)的星舰飞船S24进行了单发动机静态点火测试,其6台猛禽发动机中的1台进行了大约 7 秒钟的静态点火,飞船仍固定在地面上。与这艘飞船搭配的Booster 7 助推器则在2022年11月底进行过测试,启动了 33 个猛禽发动机中的 11 个。SpaceX在各次测试中逐渐增加发动机启动数量并持续进行监测和调试,直到满足全部发动机都可以启动、火箭离开地面的要求为止。
据外媒推测,S24飞船将执行星舰的首次轨道试飞任务。至于具体时间,SpaceX 创始人兼 CEO马斯克目前仍然维持“未来几个月内”的说法。不过星舰项目进度一般都晚于马斯克的表态。
状态:已首飞但未入轨,第二次发射准备中
2022年12月14日,朱雀二号第一发火箭在酒泉卫星发射中心蓝箭液氧甲烷工位进行了飞行试验,但任务失利。
尽管结果不尽如人意,媒体普遍认为这次发射的意义价值,不仅在于朱雀二号是世界第一个尝试进入轨道的甲烷动力火箭。更重要的是,这是中国航天除“国家队”之外,中国民营航天开始实现先进技术火箭产品的实践,可以填补中国航天产能缺口,反哺航天创新。火箭的芯一级,二级主机飞行正常、整流罩分离正常,火箭也进入了太空,说明我国民企自主研发的液氧甲烷发动机和绝大部分发射程序经受住了考验。
据蓝箭航天官宣,朱雀二号的第二发火箭正在总装,预计2023年发射。
状态:即将首飞
人族1号(Terran 1)是由美国私企相对论太空公司公司研发的一款小型二级火箭,全箭大量采用3D打印工艺,构型相当于SpaceX猎鹰9的微缩版。一级9台Aeon 1甲烷机并联,单台推力11.52吨,整流罩最大直径3.4米,最大低轨运力1.25吨。
火箭已经完成一级多次静态点火和一二级整合,目前也已经起竖作射前测试,但“由于卡纳维拉尔角发射场档期问题”(相对论公司说法),首飞从2022年第四季度推迟到2023年第一季度。如果人族一号按时发射且成功,很有可能夺得人类首次天然气入轨的桂冠。
状态:研制中
蓝色起源的新格伦火箭所采用的分级燃烧BE-4发动机,是目前全球最大推力甲烷发动机之一,地面推力高达250吨,一级7台并联,起飞推力高达1750吨,可以将45吨载荷送入近地轨道。
进展方面,新格伦的首飞已经推迟了七八次,最新时间是计划2023年发射,但截至目前连完整的箭体都没让外界看到,而且BE-4甲烷发动机历经数年研发,仅交付了两台。新格伦所谓的2023首飞,要打个问号。
5、火神 Vulcan
状态:测试中
美国“航天国家队”ULA(发射联盟,由波音和洛马合资)之所以研制火神运载火箭,一是与SpaceX开展竞争,二是替换采用俄制RD-180作为主发动机的宇宙神-5火箭。火神火箭使用两台蓝色起源制造的 BE-4 发动机,可捆绑两个、四个或六个固体火箭来增强运力,原计划于2021年首飞,由于发动机交付延期等原因,目前进展大大落后于计划。
多说一句,火神涂装跟朱雀二号真有几分神似
截至2022年11月,火神项目刚刚凑齐了首飞所需的两台BE-4发动机,它们将安装到火箭上进行测试。不过最近报告显示,BE-4 发动机还面临着点火器等技术挑战,火神可能要到2023下半年甚至更晚才能执行首飞。
状态:研制中
以研制小型火箭见长的美国火箭实验室近期也公布了其未来更强大的中子火箭的细节-这是一种经过优化的火箭,可用于未来的大型卫星星座建设。
中子火箭由特殊碳复合材料制成,大部分可重复使用,发射后可以降落在着陆台上,与SpaceX公司猎鹰9号类似。中子火箭有40米高,安装了7台主发动机,能够把8至15吨的有效载荷送入近地轨道,计划2024年首飞。
小结:国内外进展各有千秋,2023拭目以待
总体来看,美国液氧甲烷火箭进度上呈现出“梯队建设”的局面,最领先的星舰和人族1号即将首飞,其后还有火神进入测试阶段,再往后还有新格伦、中子等处于研制阶段。虽然各家进度不同,但值得注意的是,由于美国航天企业研发起步较早,技术基础扎实,加上资本环境友好,管理水平高,这些项目最终都有可能修成正果。
而我们国家除了蓝箭航天以外,也有星际荣耀、火箭派等企业明确了液氧甲烷火箭路线,并出现了九州云箭、航天六院等专注于研制这类发动机的单位,但截至目前除了蓝箭朱雀二号火箭进入实际飞行阶段以外,其它公司的火箭还处于研制阶段,整体进展态势与美国仍有一定距离。
国内一些液氧甲烷发动机单机和研制中的火箭
液氧甲烷火箭的发展道路上,想要与国外企业的比肩,还需要我国商业航天政策指导实现牵引、资本持续投入、航天同仁继续努力。2023年国内外“天然气发射卫星”大比拼,我们拭目以待。