回顾2023年商业航天领域的大事件,美国太空探索技术公司SpaceX星舰无疑是全世界流量焦点。这不奇怪,星舰作为商业重型运载火箭,巨大的串联式箭体本身就足够“吸睛”,这样的设计目的很明确,达成大推力、大运载的星际航行目标。而观察世界各航天大国的中大型火箭,目前的主流则是选择采用捆绑型技术,以此满足高可靠、大运载的太空运力需求,如德尔塔、长征五号等。
事实上,在商业航天领域SpaceX同样也以捆绑式火箭执行面向中低轨道上的高载荷发射任务,比如其打造的猎鹰9号重型版。而在中国的商业航天领域,同样也诞生了中大型捆绑火箭,这就是东方空间的引力一号运载火箭。相比于其他捆绑火箭不同的是,引力一号采用固体捆绑、海上发射的技术路线,以满足高可靠、低成本、大载荷的中低轨道卫星组网需求。那么,引力一号技术路线背后有着怎样的现实考量呢?
捆绑技术,商业航天运力“倍增器”
早在100多年前,航天之父前苏联科学家齐奥尔科夫斯基提出了“火箭列车”概念,把两节以上火箭串联或并联起来,组成一列多级火箭提高第一宇宙速度,从而战胜地球引力,串联式和捆绑式火箭就是这一概念的技术延伸。
相比于串联式火箭,捆绑式火箭具有一定的技术难度,但优点也比较明显。难度在于,火箭在飞行中级间分离的安全可靠性,特别是不能因助推器分离,而影响芯级火箭的工作和飞行姿态;此外,捆绑式火箭一般采用侧向分离,相对串联式火箭的纵向分离,技术复杂性也较高。而优势在于,明显缩短整个火箭的长度,避免给结构制造和飞行带来必要的影响,并可适应陆海两种发射状态;更重要的,捆绑助推器能同时产生更大的推力,实现更大载荷飞行任务,有效提升经济性,目前国内运载能力达到10吨以上的火箭均为捆绑火箭。事实上,未来火箭能力大幅升只有两条路,一是提高发动机推力和性能,另外就是捆绑并联更多模块,因此火箭捆绑技术是研制更大运载能力火箭的关键技术,据了解,东方空间除引力一号外,也同期开展中大型火箭研制工作,将可以形成技术积累,为未来打造具有更高运载能力的重型火箭,打下坚实的基础。
除了捆绑构型,东方空间引力一号采用固体燃料推进技术,核心出发点就是寻求大载荷与经济性实现兼容,满足大运力、低成本、快发射的商业航天需求。据了解,由于燃料特性,固体火箭需要的零件数量更少、更加轻小,因此更具可靠性,且不需要发射前加注燃料从而极大的缩短了火箭发射准备周期,具备快速响应发射的特点。目前,固体火箭已经成为了国际上中、大型运载火箭助推器的重要选择,比如我国长征六号改、美国航天飞机及新一代登月火箭SLS、欧洲阿里安5/6等型号都使用了固体助推器。
国内外固体运载火箭的运载能力目前主要集中在300-500公斤、1吨、2吨左右量级,东方空间引力一号通过并联捆绑技术,创新突破了固体运载火箭大运力的瓶颈,达到6.5吨的近地轨道运载能力,并为中型运载火箭的快速应急发射的实现提供了解决方案,后续可以应用在应急卫星组网、空间站应急运输方面。
海上发射,推进商业航天发展的重要“平台”
东方空间引力一号的另一大特色是在海上发射首飞,这相比陆上发射技术难度更上一个台阶。中国在2008年就开始了海上发射技术的研究,在2019年使用“长征11号”运载火箭从黄海海域进行了国内首次海上发射,当年的发射成功将中国与美国、俄罗斯、欧洲并列为世界上能够实现海上发射的四大航天强国。
海上发射之所以受重视,是因为相比于陆地发射,在商业航天发射领域具有诸多优势。海上发射可以根据卫星轨道和气象条件灵活挑选发射地点和时间,提高发射效率;避免陆地发射场的限制和干扰,减少对环境和人口密集区的影响;增加火箭的有效载荷和轨道倾角范畴,扩大卫星应用领域;不受内陆铁路等运输条件限制,大尺寸结构件可海运;此外,国际化运营潜力大,使我国运载火箭逐步具备实施全球海域发射能力,使国际发射服务不再局限于国内发射场,为开展“上门服务”、“合作发射”等新合作模式提供技术基础;同时,运载火箭海上发射采用的发射平台及保障船均可与民用资源有效结合,打造更具有优势的全流程使用成本。
突破海上发射技术,可以说为中国商业航天实现“发射航班化”、“任务定制化”提供了更多可能。引力一号了实现我国中型捆绑运载火箭的机动发射,进一步提升我国海上发射技术水平和能力,扩充了我国中型运载火箭海上机动发射能力。
中国的商业航天之路任重道远,需要更多更实用的技术方案,更脚踏实地的科学精神、以及未雨绸缪的商业判断,才能实现更为长效、可持续的发展,真正筑就“坚如磐石”的航天强国事业。