可复用性是降低火箭发射成本的一个因素

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中国航空新闻网讯:据英国《飞行国际》网站8月7日报道,通过使用耗资仅100万英镑(110万美元)的可复用火箭发动机,欧洲将大幅缩减进入太空的成本。相比较而言,阿丽亚娜5型运载火箭的巴尔干(Vulcain)2型引擎耗费了1000万英镑。

在6月份的巴黎航空展上,欧洲航天局(European Space Agency)与阿丽亚娜总承包商ArianeGroup签署了一项协议,拟开发名叫普罗米修斯(Prometheus)的火箭发动机。该可重复利用液氧甲烷发动机概念将在2020年进行地面测试,并最终于2030年为欧洲运载火箭提供动力。

与此同时,ArianeGroup首席执行官Alain Charmeau表示,该公司正在全力开发阿丽亚娜6型火箭,计划从2020年起用于飞行。该火箭的发射成本预计为7000万英镑,不到阿丽亚娜5型的一半,但基本与SpaceX小型猎鹰(Falcon)9火箭的成本持平。阿丽亚娜6型火箭采用模块化设计,并具有经过验证的阿丽亚娜5型技术的发展。

欧洲所有这些活动在很大程度上是面对SpaceX竞争压力作出的反应。SpaceX的价格已经震动了火箭开发市场。猎鹰9在技术上并不是最先进的。但是,由于数十亿美元的投资以及NASA急于外包的火箭合同,SpaceX不得不采用传统技术或基础设施,打造出精简的业务,以与阿丽亚娜5型、阿特拉斯5型和美国联合发射联盟(ULA)的德尔塔IV型火箭相竞争。这些成熟的运载火箭性能可靠但造价昂贵,而且都是采用20世纪80年代的工业基础设施和技术。ULA是洛克希德·马丁与波音成立的合资企业。阿丽亚娜火箭的开发使用了一个非常麻烦的供应商网络,而且不是为了降低火箭的成本效益,而是基于欧洲的政治现实设立。欧洲一直都有在所有欧盟成员国当中公平分配合同的历史,这样有助于项目预算分配。

欧洲对SpaceX的回应不仅仅是技术上效率更高的阿丽亚娜6型火箭以及较小的Vega C火箭(Vega C相对于目前的Vega是一个很大的发展,而且将于2019年飞行)。布鲁塞尔的欧盟领导人明确表示要保留欧洲本土进入太空的能力,因此已经摆脱了公平的预算分配概念,支持阿丽亚娜计划。ArianeGroup是阿丽亚娜总承包商空中客车公司与推进专家赛峰集团(Safran)成立的合资公司。该公司于7月1日正式更名,原称“空客 - 赛峰合资公司”。ArianeGroup已于最近接管了火箭发射服务供应商Arianespace,后者运营着在法属圭亚那库鲁设立的欧洲太空中心。

因此,欧洲现在的火箭发射服务,从设计到概念再到销售和运营,都集中在一家公司。Arianespace运营的“织女星”(Vega)运载火箭由总承包商ELV提供,并由Avio和意大利航天局拥有。最近,欧洲竞争管理机构经过审查决定Arianespace的阿丽亚娜5型和6型火箭,以及“联盟号”(Soyuz)中型运载火箭不会对ELV(不可复用运载火箭)或较小的“织女星”运载火箭的潜在客户产生影响。

欧洲委员会(EC)和欧洲航天局(ESA)基本是从ArianeGroup购买服务。ArianeGroup虽然签订了开发运载火箭的合同,但其火箭的性能必须接受EC和ESA的检查,因此必须争取竞争到业务。最重要的是,ArianeGroup依靠的是通讯卫星轨道等具有成本竞争力的商业业务。EC或ESA每年购买火箭(无论是用于欧洲气象卫星应用组织或欧洲各个国家的政府)的数量相对美国发射太空的火箭数量而言较小,而出于国家安全或政治原因,美国的火箭订单通常青睐ULA、SpaceX或Orbital ATK。

但是,虽然工业结构、制造和设计可以显著降低发射成本,但是各个制造商更加关注的是更直接有效地降低成本的方式:可复用性。SpaceX已经通过动力软着陆成功使一级火箭和发动机返回地面。今年迄今为止,SpaceX还成功飞行了回收并翻新的助推器。此外,SpaceX还回收利用了其中一个“飞龙号”(Dragon)空间站补给货舱。

ArianeGroup的“普罗米修斯”发动机也声称可复用。但是,如ArianeGroup首席执行官Alain Charmeau所言,使用低温液体燃料的火箭其发动机原则上可以重新启动并使用,而且无论如何,阿丽亚娜5型火箭的发动机在飞行前会进行几次地面燃烧测试。固体燃料火箭的情况却有不同。一旦发射,火箭会将燃料耗尽,并且喷嘴会被挤压、烧焦并出现凹陷,无法整修。“普罗米修斯”发动机其可复用性是假设在飞行后可以恢复,因此,目前开发的主要精力集中在发动机上。

欧洲在火箭回收方面做了很多工作。欧洲航天局(ESA)明确指出,火箭开发一个持续的过程,在本世纪20年代之后,阿丽亚娜6型火箭的开发将集中在可复用性方面。欧洲的可复用性努力集中在发动机的回收上,因为发动机占据了火箭的大部分成本。2015年,空客防务与航天公司(Airbus Defence & Space)展示了其结合了创新引擎和经济性的先进发射器艾德琳(Adeline)的概念。艾德琳将采用可拆卸的发动机舱,其涡轮螺旋桨发动机可以飞回到跑道,着陆到距离库鲁(Kourou)仅有几公里的 Cayenne Félix Eboué 国际机场。

ULA面对竞争做出的响应是开发自己的新一代模块化火箭Vulcan,以在本20年代接替阿特拉斯5型和德尔塔IV型火箭。像ArianeGroup一样,ULA的可复用概念也是关注发动机回收,但不同的是,ULA拟在飞行中通过降落伞和直升机实现发动机回收。

同时,在今年六月伦敦举行的一次空间保险会议上,SpaceX商业销售副总裁乔纳森 • 霍夫莱尔(Jonathan Hofeller)发表了一些关于整修过程的见解。他在世界空间风险论坛上表示,SpaceX花了将近一年时间整修了拟重新使用的一级助推器,二级助推器的整修也将在几个月内完成。SpaceX对助推器的每个部件都进行了整修,并计划整修的助推器不能像新的一样好,那么就会让它退役。他表示,SpaceX需要的是“经过飞行验证的”助推器,而且认为“可靠性与可复用性一样重要”。

此外,由亚马逊CEO杰夫 · 贝佐斯(Jeff Bezos)创立的公司蓝色起源(Blue Origin)开发的“新牧羊犬”(New Shepherd)亚轨道火箭和太空船已经四次飞到太空边缘。该火箭还没有携带人类,但该公司计划将观光者载到地球与太空边缘100km的适航限层。

比“新牧羊犬”还大的“新格伦”(New Glenn)火箭北美销售部负责人阿琳娜 · 康奈尔(Ariane Cornell)向伦敦太空风险论坛透露,蓝色起源公司的亚轨道计划部分是基于建立全面轨道的经验。“新格伦”是一枚重型火箭,目标是将13t的有效载荷送入地球静止轨道,或将45t的有效载荷送入近地轨道,预计将于2020年实施首次飞行。和“猎鹰”9一样,它将着陆在海上的一艘驳船上,而且其流量连续可调的BE4发动机(与ULA合作开发)可以使其较轻的降落,并向“猎鹰”9一样垂直下降。但是,“猎鹰”9是利用火箭动力实现尾部先降落,而“新格伦”设计了转向翼以实现“飞回”。

虽然过去有一定经验,但人类可复用航天器的历史并没有那么乐观。美国宇航局的航天飞机曾打算像客机一样飞来飞去,但实际上飞行后的整修过程缓慢而且费用昂贵。如果按实现降低成本并使美国可以如乘坐客机一样进入太空的目标来衡量,航天飞机计划是失败的。30多年来,有四架轨道飞行器在进行服务,但只有135次航天飞行任务,平均每12周一次,或者说每年每个飞行器的航天飞行次数低于4次。据美国宇航局统计,一次航天飞行的费用是4.5亿美元。一次性发射器的费用更低,但这种设计复杂的发射器致使2个轨道飞行器完全报废,并造成14名航天人员死亡。

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发射火箭的压力不可小觑。根据简单的物理原理,轨道飞行所需的能量是亚轨道飞行所需能量的70倍之多。在“新起源”轨道火箭项目经验会上,康奈尔表示,“新牧羊犬”亚轨道发射成本仅为将“新格伦”送入轨道所需费用的2%。

当然,如今的可复用发射器的设计是受益于航天飞机的经验以及四十年的后续技术发展,而且这些发射器的设计都没有航天飞机复杂。SpaceX总裁埃隆 · 马斯克(Elon Musk)认为,可复用性会降低成本并改变太空飞行。康奈尔也表示,可复用性会降低成本,从而增加需求。而且,她强调,不可否认的是,短期内,蓝色起源公司的目标就是帮助“数百万人到太空中生活和工作”。马斯克对此表示赞同,他称,SpaceX的使命宣言就是“革新空间技术,最终目标是使人们能够在其他行星上生存”。

但是,可复用性是否能够成为控制发射成本的重要因素仍有待观察,可能并不代表一定能实现成本效益,而且还存在其他控制成本的因素,暂且先不论可靠性最终是否能够与原始硬件相匹配。在展示艾德琳(Adeline)时,空客防务与航天公司(Airbus Defence & Space)认为,猎鹰9全面助推器的可复用性可以使有效载荷能力降低三分之一到一半(具体取决于飞行任务),以保持从太空边缘飞回地面所需的燃料,升起必要的起落装置,提供重新进入太空所需的热保护,还需要考虑与承受飞行相关的结构坚固性问题。Musk表示,尽管燃料价格便宜——发射6000万美元的“猎鹰”9需要不到20万美元的燃料——但飞行的火箭比所需要的更大,那么可能会造成燃料浪费,提高发射成本。如果特定任务要求发射器的最大性能,那么该发射器可能无法回收。

空客公司的工程师们认为,艾德林概念通过关注一个更小但价值更高的部件,即发动机,可以将运营成本降低约30%。他们认为,可复用性的另一个方面是在低地球轨道上放置可重新启动的液体燃料火箭。主运载火箭将向这种“空间拖船”提供有效载荷和送入更高位置——如果是电信卫星将到36,000千米(22,000英里)高的地球同步轨道,如此在不返回地球的情况下即可复用一级火箭。

通过将大部分火箭留在轨道上,空间拖船概念可以减少发射器的数量并降低成本。卫星将不再需要自行携带燃料进入最终轨道,这样可能降低成本并提高其性能。拖船可用于升级、整修、补给或重新放置现有的卫星。在卫星使用寿命结束时,拖船也可用于将有效载荷运送到深空或大气中安全燃烧。

话虽如此,尽管距离执行阿波罗月球任务时首次实现空间对接已经50年了,但这种操作仍然具有挑战性和危险性。2015年12月的“联盟号”运载火箭飞往国际空间站,出现自动对接系统故障,迫使宇航飞行员尤里 · 马林琴科(Yuri Malenchenko)手动关闭最后一段,才自己以及英国宇航员蒂姆 · 波克(Tim Peake)和美国蒂姆 · 科普拉(Tim Kopra)安全返回,这让俄罗斯的飞行控制系统非常不安。Google搜索“对接事故”会出现一连串的有关绝处逢生和损毁航天器的结果。

但是,SpaceX的可复用性考虑反映了除削减成本之外的一个重要目标,即加快运行速度。正如霍夫莱尔所说:“短期目标是在24小时内实现发射、补给燃料和重新启动。”在SpaceX的另一个项目中,对运行速度点的要求也是显而易见的。这个项目是在发射异常的情况下进行全自动自毁。霍夫莱尔表示,这个系统在很大程度上是在于减少发射所需的人员,从而降低对发射台基础设施的需要。

影响成本的因素很多,而且可复用性的贡献作用可能只是微乎其微。就“普罗米修斯”发动机而言,其成本从1000万欧元降低到100万欧元的话,阿丽亚娜6型火箭7000万欧元的成本将降低900万欧元,而且,在2030年首飞之前建造阿丽亚娜火箭的过程中,还可能有其他可以降低成本的措施。

如果这耗资100万欧元的发动机可以飞行五次,那么每次飞行的硬件成本就会降低到20万欧元,再加上整修费用。如此,只要发动机整修成本低于新发动机的80%,那么重复使用就可以节约成本。然而,目前尚不清楚可复用性的总成本损失。也就是说,除了燃料和整修成本之外,相比建造一个更轻便、复杂性更低的一次性发动机而言,建造能够承受重新进入太空以及多次使用的压力的组件到底能节约多少成本?

如果发射器行业能够实现像“普罗米修斯”这样的成本降低预期以及自动自毁等加快运行的创新程序,那么在未来十年左右,发射成本可能会得到大幅降低。可复用性可能会被证明只是实现成本变革的一个因素。(普林斯/编译)

责任编辑:实习编辑 王婵

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