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世界最小低轨运载火箭发射成功,我有一个大胆的想法 精选

已有 5505 次阅读 2018-3-5 10:46 |个人分类:浮空器|系统分类:科普集锦| 火箭, 高空气球, rockoon, 空射

    2018年初,航天圈子不乏大新闻,重中之重就是spaceX的重型猎鹰,相比之下,日本JAXA用当今最小火箭发射微小型卫星的消息有些微不足道,不过看到火箭的总重只有2.6吨,我萌生了一个大胆的想法。

1、电线杆火箭

2018年2月3日,日本航天局证实,一枚最初设计用于在高空亚轨道上搭载科学仪器的改进型探空火箭SS-520-5,于星期六从日本南部的Uchinoura航天中心发射升空,顺利进入轨道 。该火箭仅有9.5米高,直径约52厘米,总重量2.6吨 ,被戏称为电线杆”火箭,如今成为有史以来能将一个物体放入地球轨道的最小火箭。

 

“电线杆”火箭蓄势待发

SS-520-5火箭顶部安装了一个鞋盒般大小的立方星,名为TRICOM 1R,重约10磅(3公斤)。小卫星的日文昵称叫“窗扇”。由东京大学研发的TRICOM 1R CubeSat携带了存储和转发的通信无线电和地球成像的摄像机。

绰号“窗扇”的小卫星

  

载有TRICOM 1R载荷的SS-520-5型火箭从Uchinoura经太平洋向东升空

作为实验性试飞,2月3日的发射是该火箭的第二次试射,2017年1月14日,SS-520-4型火箭曾进行过一次发射,但载荷并未成功进入轨道,地面队在发射后20秒左右便与它失去了联系,当时助推器的第一级仍在运行。调查人员初步鉴定该问题源于火箭的遥测和指挥系统中的电源故障,这可能是由于短路的电线造成的。

SS-520-5助推器是基于日本的SS-520探空火箭,由IHI航空公司和JAXA空间和宇宙科学研究所研制的两级飞行器,它曾于1998和2000年先后两次在挪威的Uchinoura和Svalbard完成亚轨道飞行任务。

SS-520探空火箭的最初设计目的是在坠入地球前的几分钟内,将超过140公斤的科学研究仪器推送到接近800公里的高度,这是一个典型的亚轨道火箭的飞行任务。工程师在SS-520助推器的基础上又增加了第三级,使其能够超过7.9km/s的轨道速度。

根据JAXA文件,SS-520-5在发射时重达近2.6吨,其中约2.2吨由预装固体推进剂组成。SS-520-5的第一级装有尾翼,载有近1587公斤的HTPB固体燃料。它还设计了一种气态氮气推进器组件,用以在发射器的第一和第二灼烧阶段之间的一分半钟的间隔内保持SS-520-5火箭的正确指向。第二和第三阶段分别消耗了325公斤和78公斤的推进剂。

 

SS-520-5发射的目标 是让TRICOM 1R号卫星运行在近地点180公里、远地点1500公里、倾角31度的椭圆轨道,它将在运行1~3个月后再入大气层并被烧毁。

SS-520三级型火箭由JAXA在佳能电子和石川岛播磨重工公司航空宇宙事业本部的帮助下建造,通过采用手机等消费品所用部件来压缩成本。

日本政府官员表示,虽然目前还没有计划将升级的SS-520作为卫星发射器进行商业化,但该项目旨在验证低成本技术,并启动未来“纳米卫星发射器”的计划,以便在专用的轨道上部署微小型卫星。

2、微纳卫星发射市场

全世界有多家公司也在发展相似的小型卫星发射火箭,其中一个已经成功地将有效载荷送入轨道。

美国私企“Rocketlab”的“电子”火箭是一个能够在500公里(卫星载荷150千克)高度的圆形太阳同步轨道上运转的火箭,并于2018年1月份首次成功地飞行。

 

 

电子火箭转场

 

就在1月21日,火箭实验室公司的“电子”小型火箭从新西兰北岛玛希亚半岛欧尼努伊站的1号发射平台的第二次试射取得成功,并为行星公司和Spire公司发射了3颗立方星——“鸽子先驱者”(Dove Pioneer/ Dove 0F1C)和“狐猿2(72~73)”(Lemur-2 72、Lemur-2 73),它的500km太阳同步轨道的载重能力是150公斤,成本500万美元,所以每公斤成本3.3万美元。

 

“电线杆”火箭的研发成本360万美元,则每公斤120万美元。当然电线杆火箭我们可以看作是日本科学家对机动灵活发放微小卫星的一次尝试,所用的技术并不是非常的先进,既然电线杆火箭的性价比并不高,我们有没有什么办法大幅度提高一下性价比呢?

其实主要问题就是有效载荷3公斤是在太少了,作为一个浮空飞行器的研究人员,看到该火箭总重量2.6吨,我萌生了一个不成熟的想法,能否用高空科学气球把电线杆火箭拉到35公里高度发射,这样不就能节省一些用于克服低空稠密大气阻力使用的燃料吗?要知道一枚火箭大部分的重量都是燃料。

 

2.1 Rockoon

用气球带火箭临空发射的概念叫rockoon,就是rocket+balloon,这并不是什么新概念,早在1949年就有人提出过。

 

早期rockoon实验照片

rockoon是一种固体燃料探测火箭,不是在地面立即点燃,而是先被高空科学气球带入高层大气,然后与气球分离,火箭点火。 这使得火箭能够达到更高的高度,因为火箭不需要通过大气层底部的空气稠密区(飞行阻力较大),而且由气球本身也提供了一部分势能,所以可以为火箭节省部分燃料,让其飞得更高。

最初的概念是由Cmdr. Lee Lewis, Cmdr. G. Halvorson, S. F. Singer, 和 James A. Van Allen,在1949年3月1日在美国海军的诺顿声音号试验船上发射Aerobee火箭时共同开发的。

根据时代杂志1959年的报道,范.艾伦说服了海岸警卫队,允许其在一艘开往格林兰岛的破冰船上发射rockoon。第一次气球飞到了70000英尺高度,但是下面挂的火箭没有点火成功;第二次依然如此。理论上,平流层的极低温度会影响火箭点火,于是范.艾伦在第三次的气球吊舱内增加了加热措施,火箭点火成功了。

 

.艾伦手持Loki探空火箭 Credit: JPL

美国海军研究办公室在Loki火箭的一些发射中使用了rockoon方式,在发射前将Loki放在氦气球带上高空,用于高空大气研究。 Loki的第一次Rockoon发射是在1955年7月1日,从格陵兰海岸附近的船上发射。

在1955年7月到10月期间,爱荷华大学研究小组在宇宙射线研究中从格陵兰海岸的船上成功地发射了Loki I和Deacon火箭(使用Rockoon的方式)。 陆军军械公司提供了JPL开发的Loki火箭,美国海军研究办公室(ONR)赞助了这个项目。

1957年9月,作为美国国际地球物理年贡献的一部分,美国海军的破冰船U.S.S发射了36颗Rockoon(气球发射的火箭)。 这是由爱荷华大学的James A.Van Allen和Lawrence J. Cahill领导的科学计划的一部分,大西洋,太平洋和南极地区的冰川覆盖范围从南纬75度到南纬72度,这是南极地区第一个已知的高空火箭探测。所以1957年应该看作是rockoon概念发展最鼎盛的时期。

Rockoon的概念在上世纪50年代得到了充分的实践,达到了它的设计目的,当然基于当时的一个重要背景,用于科学研究的固体燃料探空火箭飞行的高度并不高,而使用了气球搭载之后确实能够明显提高探空火箭的飞行高度。

当然随着火箭技术的发展,从地面直接起飞的探空火箭的飞行高度也可以高达500-800km,这对于大气科学研究来说已经足够了,所以rockoon的概念在后来似乎被淘汰了。

但是近些年来,Rockoon的概念又有了死灰复燃的迹象,全世界范围有多家商业公司拿了个新瓶装rockoon的老酒,这个新瓶子就是使用Rockoon来发射微小卫星入轨,这当然也得益于近些年来微小卫星技术的迅速发展。这些公司的名单包括:JP太空公司,爱荷华州立大学和普渡大学(Purdue Orbital),洛杉矶的Leo Aerospace公司,罗马尼亚的太空公司ARCASPACE,西班牙的zero2infinity,英国的B2Space,Stofiel航空航天公司等等。

    但是以上这些商业公司的所有计划目前基本都在概念阶段,很少有实质性进展。仅有西班牙的zero2infinity公司在2017年5月进行了一次高空气球的临空火箭发射,但是仅仅是为了测试一级火箭,并没有公布火箭飞行的高度,达到的速度等等关键数据。

 

Bloostar空射视频截图

2.2空射火箭

Rockoon发射微小卫星的概念肯定是可行的,关键是性价比,因为同样的高空发射的概念,美国的飞马座火箭已经非常成熟了(目前唯一一款正式商业运营的空射运载火箭)。它可以使用洛克希德马丁公司的L-1011客机把18.9吨重的飞马座火箭带到在12公里高空进行发射,已经成功发射了43次,仅失败过3次。

 

飞马座空射概念

制约空中发射概念的一个最大因素就是飞行平台的载重能力。18.9吨的飞马座火箭对于民航客机来说已经是相当可观的重量了,但是对于陆基发射的火箭来说,18.9吨只能算是微小火箭,轨道运输能力相对有限,只有345kg。

而对于Rockoon的概念来说,气球平台的载重能力就是最大的约束条件,那么目前人类发放过的载重最大的高空气球是多少吨呢?

NASA的LDSD(Low-Density Supersonic Decelerator 低密度超音速减速器)计划,使用了一个高空科学气球搭载了Satr-48火箭在35公里点火,把火星着陆减速器加速到4马赫,然后火箭关机,使用减速器减速,并测试降落伞的性能。它的载荷总重达到了3.6吨,已经是目前最重的高空科学气球载荷了。

  

 

LDSD项目的火箭发动机及减速器

 

 

 

LDSD的任务剖面

所以,无论是“飞马座”还是“电子”火箭,对不起,高空气球没有那么大的能力把它送上高空。有人说把气球做大点不就行了吗?LDSD计划的高空气球已经达到了100万立方米,宽140米,高120米,已经比两个足球场大了!你用心感受一下。

 

 

大型高空科学气球示意图

  好了,我们不管那些提出rockoon发射小卫星的商业公司能够做出来多大载重的气球吧,就按现役高限35公里最大载重3.6吨计算,我们会惊喜地发现,除了“电线杆”火箭,我们好像别无选择。弱是弱了点,就它吧,至少确实能入轨,虽然载荷小的惊人。

 

那么我们能不能计算出来,把这个电线杆子火箭弄到35公里高度临空发放,能够节省出多少燃料重量给卫星呢?

3、Rockoon发射电线杆火箭,收益几何?

首先需要明确,我们在35公里高度直接发射火箭,能够节省出哪一部分能量呢?

第一部分就是势能,这个很好理解,也很容易计算,大约400兆焦耳。

第二部分就是火箭再0-35公里运行时的空气阻力做功,因为35公里以下是相对稠密的大气,而火箭飞行时受到的阻力跟速度和大气密度都相关:

F=1/2CxρSV2

只要计算出35公里以下火箭阻力做功的大小,将其换算到轨道高度上的动能和势能,就能得出增加的有效载荷重量了。这一部分如何计算呢?幸好SS-520火箭的一些数据是公开的,我们可以窥豹一斑。

 

SS-520-5的飞行过程数据

第一级火箭在飞行到26公里高度的时候,速度达到2km/s,所用的时间是32秒。

之前我们说了,第一级火箭的燃料总重是1500公斤,虽然我们只知道是HTPB固体燃料,并不知道比冲多少,但是按照经验,固体燃料火箭发动机比冲大约在250s左右,每公斤燃料提供的能量是3兆焦耳。

总的化石能源能量假设为E0

E0=m1gh+1/2m1V2+Ez+Er    1)

Ez,表示上升阶段空气稠密区阻力做功大小,m1为一级火箭燃烧完毕剩余质量;V即一级火箭燃料燃烧完毕达到的速度,即2000m/s。

Er表示一级火箭上升的过程中,所携带的燃料被随火箭一块加速做的功,实际上这一部分能量消耗是不可避免的,一级火箭燃料从速度0开始加速度2km/s,但总质量从1500公斤减少到0,总用时32秒,这里省略大量微积分计算的过程,给出估算的结果,大约为3000兆焦耳。

由公式(1)可计算出Ez的大小约325兆焦耳,我们在rockoon方案中就可以省去此部分能量用于给更大的卫星载荷加速。

好了,到目前为止,采用rockoon方式发射卫星,我们已经有了两部分能量可以节省了:

高空带来的势能Eh,低空阻力做功耗能Ez。之前地面发射获得的在轨能量Ec为:99.015兆焦耳,

   Eh+Ez+Ec=mgh+1/2mV2

  理想条件下,这些节省的能量全部转化为卫星的动能和势能,那卫星的载荷重量能提高多少呢?

   M=15.28kg

 呵呵,好像也不是很乐观,单位成本还是很高,气球发射成本就算增加20万美元,地面发射系统减少10万美元,总的发射成本为370万,那每公斤成本也要24.21万美元,对于电子火箭的3.3万每公斤,依然是天价呀。

4、挖掘潜力

细心的读者可能会发现一个小问题,前面说了我们气球的最大载重是3.6吨嘛,电线杆火箭的总重才2.6吨,不是还有1吨的载荷能力可以用来装燃料吗?

当然可以,而且考虑到35公里以上大气已经非常稀薄,仅有海平面的2.5%左右,空气阻力的影响就很小了,我们完全可以把火箭设计成短粗型的,发挥高空科学气球最大能力,多装一些燃料(虽然1吨燃料对于火箭也是微不足道的),而且设计成短粗型对于高空科学气球的发放也是比较有利的。

 

就是这样的短粗型火箭(西班牙bloostar)

 

1吨燃料能够提供的能量为3000兆焦,但是同样上升过程必须把燃料一块加速,最终载荷能够获取的能量大约只有1000兆焦左右,当然1吨燃料的成本我们就按照10万美元计算,总成本变为380万美元。

换算成卫星的载荷重量之后,可以获得总共45.9kg的重量!

我们惊奇地发现,竟然跟西班牙zero2infinity公司宣传的能力是很接近的,近地轨道50kg载荷!原来这家公司是良心企业,给出的数据还是挺靠谱的。

 

当然45公斤的载荷比起飞马座的345公斤还是有很大差距,除了L-1011客机的载重能力较大外,另外一个重要因素是运输机给火箭也提拱了较高的初速度,而这一部分燃料是算在飞行平台上的。对于想要进入轨道运行的小卫星来说,7.9km/s的速度是最重要的条件,所以用高空气球提高的势能,相对于500km的轨道高度和7.9km/s的速度来说就有点微不足道了。

5、结语

虽然日本的SS-520-5号称追求的是低成本机动灵活发射的方案,但我们遗憾的看到,目前它仅限于能发射而已,使用的技术是在现有探空火箭的基础上改装的,仅仅是勉强可用而已,而且单位成本非常高,即使是使用rockoon方案把它带到35公里去发射,成本还是达到了16.68万美元/公斤,远高于电子火箭的3.3万/公斤,要知道我国的快舟11火箭的报价是1万/公斤。飞马座空射方案的报价是5630万美元,载荷345公斤,单位报价达到了16万/公斤。

主流固体火箭发射小卫星方案报价及载荷能力对比

型号

单位报价(万美元)

载荷能力(公斤)

总重(吨)

快舟11

1

1500

78

电子火箭

3.3

150

10.5

飞马座

16

345

18.9

rockoon+电线杆

24

15

2.6

 火力全开版rockoon+电线杆

8

45

3.6

电线杆

120

3

2.6

 

从上表可以看出,固体火箭的载重能力越强,它的单位成本就越低。但是空射和rockoon方案的载重能力受到平台载重的严重制约,飞马座空射最大载重18.9吨,rockoon只有3.6吨,所以卫星载荷重量分别限制在了345公斤和45公斤以下。

固体小火箭发射的优势在于机动灵活,不用像搭车发射一样,要看别人大卫星的时间窗口,在商业航天发展如火如荼的今天,各种互联网,物联网微小卫星星座组网的方案层出不穷,也许时间成本也是最大的成本。至于rockoon发射小卫星,呵呵,果然是不成熟的想法!怪不得所有的公司到目前为止几乎都在纸上谈兵呢。

 




编者注:

   本文计算依据的参数均来源于网络,仅供参考。

参考文献

1. 空中发射运载火箭能够节省多少能量?微信公众号:小火箭

2. "Chronology - Quarter 2 1951". Archived from the original on January 18, 2010.

3. "Chronology - Quarter 3 1955". Archived from the original on December 2, 2008.

4. "Aeronautics and Astronautics Chronology, 1955-57".

5. "Chronology - Quarter 3 1952". Archived from the original on January 18, 2010.

6. "Chronology - Quarter 3 1953". Archived from the original on December 2, 2008.

7. http://www.jpaerospace.com/rockoons.html. Retrieved 27 Feb 2010

8. "Archived copy". Archived from the original on 2009-09-27. Retrieved 2010-02-27.. Retrieved 27 Feb 2010

9. http://www.purdueorbital.com. Retrieved 01 Sep 2016

10. http://www.b2-space.com. Retrieved 01 Oct 2017

11. "Encyclopedia Astronautica - Rockoon". Archived from the original on 2017-11-11.

12. Leland Goodwin, Harold (1963). The Flying Stingaree. Rick Brant Science-Adventure Series.

13. 百度百科词条:SS-520-4号机

 




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2 黄永义 徐令予

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