“火神”火箭首飞任务分析
美国联合发射联盟公司（ULA）的“火神”VC2S型火箭于美国东部时间2024年1月8日执行首飞认证任务（Cert-1），主要有效载荷为太空机器人公司（Astrobotic）的“游隼”月球着陆器（Peregrine），次要有效载荷为美国太空殡葬服务商塞勒斯提斯公司（Celestis）的纪念载荷。
“火神”火箭近地轨道（LEO）最大运载能力25.8t，地球同步转移轨道（GTO）最大运载能力约14.5t，地球静止轨道（GEO）最大运载能力6.5t。据估算，ULA公司在年发射10～20次的条件下，单发“火神”火箭价格最低为1.1亿美元。
一、
首飞任务情况
“火神”VC2S型火箭于美国东部时间2024年1月8日02时18分从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空军基地的41号航天发射综合设施起飞。
Cert-1任务的主要有效载荷“游隼”月球着陆器的发射质量为1283kg，是美国国家航空航天局（NASA）商业月球有效载荷服务（CLPS）计划下发射的首个月球着陆器，也是美国自1972年以来发射的首个登月任务。“游隼”着陆器原计划在2024年2月23日登陆月球，目的地为月球中纬度“粘湾”地区。然而，在Cert-1任务发射10多个小时后，太空机器人公司表示“游隼”推进系统故障，可能无法完成登月任务。Cert-1任务的次要有效载荷将由“半人马座”5上面级送入环日轨道。
“火神”火箭的飞行时序见图1和表1。在起飞后约50min，“半人马座”上面级第二次关机后，“游隼”月球着陆器与火箭分离，预定的分离轨道近地点为490km、C3值为-2.01km2/s2、倾角为30.03°。主载荷分离之后，“半人马座”上面级进行了第三次点火，搭载塞勒斯提斯公司的纪念载荷进入环日轨道。
图1 “火神”火箭首飞任务设计飞行剖面
表1 “火神”火箭首飞任务设计飞行时序
二、
研制背景
2006年，波音公司和洛马公司合资成立ULA公司，该公司曾一度包揽美国政府70%以上的发射任务。然而2014年之后，ULA公司受到来自商业竞争和地缘政治的双重压力。
在商业竞争方面，美国太空探索技术公司（SpaceX）推出价格较低的可重复使用“猎鹰”9火箭，获得与ULA公司“德尔他”4、“宇宙神”5火箭竞标美国国家安全航天发射任务的资格。SpaceX公司积极创新，不断刷新复用火箭纪录，成为不容小觑的新兴商业航天力量，终结了ULA公司对美国国防安全航天发射任务的垄断，倒逼ULA公司创新技术，降低发射价格。
在政治局势方面，受乌克兰政治冲突影响，ULA公司主力火箭“宇宙神”5火箭因采用俄制RD-180发动机而在美国国防安全航天发射市场上受限。ULA公司迫切需要采用新型美国国产火箭发动机，以确保供应链安全。为满足美国国会去俄制RD-180发动机的要求和提高市场竞争力，ULA公司于2015年4月正式宣布研制“火神”火箭，最初设定于2019年实现首飞，后因BE-4研制遇阻及上面级试验故障等一再推迟。
三、
“火神”火箭方案
“火神”火箭为两级结构，芯一级、“半人马座”5上面级和整流罩的直径均为5.4m，全箭高约61.6m，可根据任务需要捆绑0个、2个、4个或6个固体捆绑助推器，选用标准长度或加长型有效载荷整流罩。
图2 “火神-半人马座”火箭构型示意图
“火神-半人马座”火箭的构型编号采用4个字符，含义如表2所示。例如，VC2S代表捆绑2个固体助推器，采用标准有效载荷整流罩的“火神-半人马座”火箭。
表2 “火神-半人马座”编号说明
根据捆绑固体助推器数量的不同，“火神”火箭的运载能力也有所不同，具体见表3，但运载能力上完全覆盖了“宇宙神”5系列和“德尔他”4H，能够全面替代。另外，无助推构型为达到所需的推重比，需要减少推进剂的加注量。
表3 不同构型的运载火箭
注：*“火神-半人马座”改进型将采用性能更高的“半人马座”上面级；**LEO为国际空间站轨道。
（一）固体助推器
“火神”火箭采用诺格创新系统公司的GEM-63XL固体火箭捆绑助推器，同时在“宇宙神”5火箭上也在逐步停用航空喷气·洛克达因公司的固体捆绑助推器，转而采用GEM-63。GEM-63XL长22m，推力为2044kN，与GEM-63属于一个系列，比GEM-63长2m，采用通用的材料和工艺，以提高可靠性、降低成本。2020年11月，GEM-63首次用于“宇宙神”5（551）型火箭上，进行先导验证。GEM-63XL固体助推器采用复合材料壳体，在犹他州克利尔菲尔德新工厂缠绕加工，为有史以来最长的一段式壳体。
（二）芯一级
芯级直径为5.4m，长度为33.3m。芯级贮箱采用正网格铝板，箱底采用旋压成型工艺。芯级采用2台BE-4发动机提供推力，推进剂为液氧甲烷。BE-4发动机的海平面推力为2400kN。BE-4发动机由蓝源公司在2011年投入研制，采用富氧分级燃烧循环。“火神”火箭初始构型将采用一次性使用一子级。ULA公司正在开展敏感模块自主返回技术（SMART）研究计划，目标是利用充气式再入减速器实现一子级发动机部段的重复使用。
图3 “火神”火箭的芯一级
（三）二子级
“火神”二子级采用直径为5.4m的“半人马座”5上面级，长度为11.7m，由2台航空喷气·洛克达因公司RL10C-1-1A氢氧发动机提供推力。“半人马座”5上面级推进剂贮箱由多层隔热毯（MLI）、辐射屏和喷涂泡沫隔热结构（SOFI）进行隔热；容错航电系统安装在后部的设备架上；有效载荷连接支架（PAF）安装到上面级前段适配器（LVFA）上，为有效载荷提供结构和电气接口。
“半人马座”5上面级在2023年3月份试验中发生事故，氢从“半人马座”5上面级试验件中泄漏并被点燃，上面级试验件和试验台受损。调查发现，泄漏源靠近贮箱前底的孔结构处。前底由薄壁不锈钢制成，因其周围几何形状复杂导致“应力上升”，出现载荷集中问题。该问题在早期对贮箱的粗略分析中被忽略。此外，“半人马座”5上面级箱底焊缝采用新型激光焊技术，而非此前“半人马座”上面级采用的电弧焊技术。激光焊缝的强度低于根据早期试验设定的预期强度。为纠正此问题，ULA公司将在箱底顶部的孔结构周围增加一层不锈钢，并将焊接工艺更换为原来的电弧焊。在改进措施中，额外的材料会使“半人马座”5上面级增重大约135kg，运载能力也将因此降低。但后续ULA还会进一步优化，将上面级增加的质量再减少一半。
（四）整流罩
“火神”火箭配备长度分别为15.5m和21.3m的两种有效载荷整流罩，直径均为5.4m，由瑞士华格公司提供，采用非热压罐生产工艺，可实现整体制造加工，缩短制造时间并降低成本。有效载荷整流罩采用夹层复合材料结构，由铝蜂窝和石墨环氧树脂制成，采用无碎片的水平和垂直分离系统进行分离，该系统带有弹簧包和易碎接头组件。
（五）发动机伞降回收方案
ULA计划未来采用伞降回收的方式实现“火神”火箭一子级发动机部段的回收，对火箭推进、结构、控制方面的改进非常小。ULA公司为实现一子级发动机可重复使用，提出SMART项目。SMART技术的回收过程为：在一、二级分离后，火箭芯一级发动机将与芯一级脱离，并在充气式超声速热防护装置的保护下再入大气层，依靠降落伞减速，最后溅落于海上实现回收。
ULA通过和NASA合作开展充气式再入减速器项目，有充足的时间和机会对相关技术进行验证。总体而言，这种重复使用方案既能够实现降低成本的目标，又能够保证火箭的可靠性。充气式再入减速器项目试验平台于2022年11月随“联合极地卫星系统”2（JPSS 2）气象观察卫星一起由“宇宙神”5火箭发射，对充气式热防护装置进行了实际飞行验证。充气式再入减速器在近地轨道飞行试验中测试了直径为6m的热防护罩，这是迄今从空间再入大气的尺寸最大的钝体结构。根据托里·布鲁诺在2023年公开的信息，ULA公司已经开展了一子级发动机部段海上打捞回收的操作验证工作（见图4）。ULA公司表示SMART回收项目只是ULA公司火箭回收计划的开始，未来还将回收其他火箭组件。
图4 ULA开展SMART方案的海上打捞操作试验
四、
研制及发射设施
ULA公司“火神”火箭的研制设施主要分布在以下地区：位于科罗拉多州丹佛的总部、位于阿拉巴马州迪凯特的总装制造厂、华盛顿州肯特的蓝源BE-4发动机制造厂、犹他州麦格纳的诺格公司固体火箭助推器制造厂及佛罗里达州西棕榈滩航空喷气·洛克达因的发动机制造厂，详见图5。
图5 “火神”研制配套设施分布图
1—肯特，华盛顿蓝源的BE-4发动机制造；2—犹他州麦格纳：诺格公司制造固体火箭助推器；3—科罗拉多州丹佛市：ULA总部与设计，工程中心；4—亚拉巴马州迪凯特：芯级制造和总装；“半人马座”贮箱制造和总装；5—亚拉巴马州迪凯特：超越重力制造5.4m有效载荷整流罩；6—佛罗里达州西棕榈滩：航空喷气·洛克达因制造RL10C-1-1A发动机
41号航天发射综合设施（LC-41）是美国空军在20世纪60年代为“大力神”火箭计划建造的，现用于发射“火神”和“宇宙神”5火箭，采用“简洁发射台”的操作概念。“火神”火箭在靠近发射台的垂直总装厂房（VIF）内的“火神”发射平台（VLP）上总装。然后，平台和“火神”火箭通过铁路从VIF运往发射台，进行最后的倒计时、加注和发射操作。详细的发射操作流程见图6。
图6 发射操作流程示意图（左）及“火神”火箭发射台的仰视图片（右）
1—分段储存设施：处理准备固体火箭助推器（SRB）；2—先进航天飞行操作中心（ASOC）：发射控制中心与任务指导中心；3—“德尔他”操作中心（DOC）：处理级间段适配器（ISA）与“半人马座”5；4—航天器处理厂房：航天器处理、试验和封装；5—垂直总装厂房：总装试验运载火箭；安装航天器
五、
小结
（1）设计方案上充分继承成熟技术，并利用现役型号对新技术进行验证
ULA公司的“宇宙神”和“德尔他”系列火箭技术经过数十年的发展，技术水平和成熟度都达到了一定高度，“火神”火箭充分利用上述型号的技术进行进一步优化升级，继承了“宇宙神”5的“半人马座”上面级、电气系统、飞行软件、整流罩和发射工位，以及“德尔他”4的5m直径芯级结构和固体助推器等。ULA公司在“火神”火箭上谨慎应用新技术和新产品，一般都经过长时间的研发和地面验证，或者通过现役“宇宙神”5火箭积累飞行试验。“火神”火箭在首飞之前，箭上90%的主要部件都在现役火箭上完成验证。
图7 “火神”90%的硬件在首飞前完成搭载飞行
（2）重视方案论证及地面验证的充分性，保证飞行任务的高可靠性
ULA公司作为美国军方大力扶持的传统火箭承包商，严格遵循研制流程，充分开展地面试验和验证，提前暴露风险和问题，是保证首飞成功的重要因素。与SpaceX快速迭代的理念不同，ULA公司通过大量的论证工作及一系列地面试验和操作演练，对发动机和火箭子级等硬件及火箭发射流程进行了充分验证，发现和解决相关问题。也正是因为这种做法和理念，ULA公司自2006年成立以来，利用4个系列火箭执行的159次发射任务中未遭遇完全失利（仅出现2次部分成功），实现了极高的可靠性，能够最大限度满足和保证美国军方对可靠进入空间能力的要求。
（3）“火神”火箭前景难料，ULA待价而沽
尽管“火神”火箭已获得70多次发射任务订单，包括山脉航天公司的“追梦者”飞行器、亚马逊公司的“柯伊柏”星座及美国军方的国家安全航天发射任务等。但“火神”火箭目前的发射价格与“猎鹰”9/“猎鹰重型”相比，在市场竞争力上仍有较大差距。而且，“火神”火箭一子级发动机部段伞降回收方案的具体应用时间和应用效果还有很大的不确定性，如果“新格伦”、“中子”、“人族”R等在研的重复使用火箭率先投入使用，也可能对“火神”造成更大冲击。可能是考虑到未来合同签订的不确定性，最近媒体报道称，波音和洛马计划对外出售ULA公司，蓝源公司等企业已给出报价。ULA一旦被收购，特别是被蓝源公司收购后，“火神”火箭与“新格伦”火箭是否会产生冲突，前景更加难料。
期刊简介
《中国航天》（CN11-2801/V，ISSN1002-7742）创刊于1987年，月刊，由中国航天科技集团有限公司主管、中国航天系统科学与工程研究院主办，是航天领域具有较大影响力的权威综合性科技期刊。期刊曾获全国优秀期刊二等奖、三等奖各一次，航天科技期刊一等奖4次，中国期刊方阵“双百”期刊等奖项。
约稿范围
包括但不限于以下方向：空间技术与系统（包括航天运输系统、空间基础设施、载人航天、月球及行星探测、发射场与测控系统、空间环境治理等）；空间应用（包括卫星遥感、卫星通信、卫星导航等卫星应用业务及空间应用产业等）；空间科学（包括空间天文、月球与行星科学、空间环境下的科学实验等）；世界主要航天国家发展分析（包括国外航天技术动态、主要航天国家发展战略及规划研究等）；航天国际交流合作研究（包括外空全球治理，空间科学、空间技术、空间应用等领域国际合作等）。
联系方式
电话：010-89061771/89061765
邮箱：zght68372338@163.com
地址：北京市西城区月坛北小街2号院1号楼