在 2025 年 3 月 7 日的星艦發射任務中,星艦飛船(上面級)在大西洋上空經歷了 " 快速且非計劃 " 解體,高度大約為 150 公里,最終墜入巴哈馬群島附近海域,星艦的助推器則返回發射場。
現在,又一匹黑馬出現了,也借鑒了助推器回收的思路,有著相似的技術路線,這就是藍色起源公司研發的 " 新格倫 " 重型火箭。在 1 月份的發射中," 新格倫 " 火箭完成首飛,航天界認為,這次發射被認為是藍色起源與馬斯克的 SpaceX 展開全面競爭的關鍵一步,也標志著太空商業化時代的競爭趨勢已非常顯著。
值得注意的是,藍色起源公司的創始人是杰夫 · 貝佐斯,他也是互聯網巨頭亞馬遜公司的創始人,從互聯網轉戰商業火箭領域,可見商業火箭的市場前景是非常誘人的,也是馬斯克的競爭對手之一。近兩年,貝佐斯在商業太空領域競爭中獲利:藍色起源公司旗下的 " 新謝潑德 "(New Shepard)商業火箭已經開始收取門票,每個座位售價 125 萬美元,乘客可體驗短時間的失重和在約 100 公里的高度俯視地球,迄今獲利上千萬美元。
" 新格倫 " 火箭的特點
名不見經傳的 " 新格倫 " 火箭在設計上也是一款以 " 可重復使用 " 為目標的運載火箭,其助推器的回收方式與 SpaceX 的獵鷹火箭相似,具體過程是:" 新格倫 " 火箭的助推器在與第二級分離后,以軟著陸的方式降落在大西洋的一艘駁船上。但是在這次發射中," 新格倫 " 火箭的助推器卻丟失信號,原計劃的軟著陸以失敗告終。
在火箭家族中," 新格倫 " 火箭的定位與獵鷹火箭的升級版 " 獵鷹重型 " 相當,可以認為兩者是競爭對手的關系,且都使用了第一級軟著陸回收設計,也同樣使用著陸腿支撐的方式降落在海上駁船上,具有可比性。為了便于在下降過程中調整姿態," 新格倫 " 火箭還增加了尺寸較大的 " 邊條 " 和 " 小翼 ",用于控制降落時的姿態。獵鷹火箭的助推器則使用氣動格柵技術,以控制降落時的姿態。
從尺寸上看,獵鷹重型火箭的高度為 70 米,低地球軌道運載能力為 60 噸左右(助推器回收與不回收的運載能力有差異);" 新格倫 " 火箭高度為 98 米,低地球軌道運載能力為 45 噸。為什么 " 新格倫 " 火箭個頭更高,但是運載能力會相對低一些呢?
主要是因為獵鷹重型火箭的 " 底盤 " 比較有力,由三個助推器并聯,一共 27 臺梅林 1D(Merlin 1D)火箭發動機,每臺海平面推力約為 845 千牛。而 " 新格倫 " 火箭的第一級是由 7 臺 BE-4 發動機并聯,每臺發動機海平面推力為 2400 千牛。
由此看出,BE-4 發動機雖然單臺推力表現比梅林 1D 更強大,但是獵鷹重型火箭卻有 27 臺之多," 新格倫 " 火箭 7 米的超大直徑也只能容納下 7 臺發動機。獵鷹重型火箭的單個助推器則安裝了 9 臺體積偏小一些的梅林 1D 發動機,通過并聯助推器來實現推力增加。
從兩者的設計路線可以看出,獵鷹重型火箭通過并聯助推器,安裝更多體積相對偏小的發動機來提升運載能力,而" 新格倫 " 火箭則是通過提高單臺發動機的尺寸,實現增大推力。設計上的差異性會導致 " 新格倫 " 火箭第一級發動機數量只有 7 臺,獵鷹重型算上左右兩個助推器后卻有 27 臺之多,這也引來了當初外界對獵鷹重型提出的質疑:如何確保 27 臺發動機都處于良好的工作狀態?
" 新格倫 " 火箭則避免了面對這個質疑,將第一級發動機數量減少到 7 臺,相比于控制 27 臺發動機,顯然確保 7 臺都處于良好的工作狀態的概率會更大一些,或者說會相對更有把握一些。
從商業運力角度看,SpaceX 有獵鷹火箭和獵鷹重型兩款產品,低地球軌道運載能力分別約為 22 噸和 60 噸," 新格倫 " 火箭低地球軌道運載能力為 45 噸,剛好避開了這兩個數值,取中間值。這說明 " 新格倫 " 火箭的出現,對 SpaceX 的產品會形成一定程度的沖擊,不僅能鎖住需要 22 噸至 45 噸運力區間的客戶,還能向下兼容,對獵鷹 9 號固有的市場形成沖擊。從側面也可以看出,商業航天市場的競爭是非常激烈的,火箭運力出現了進一步細分,以搶占市場。
液氧甲烷發動機是核心
研發火箭與航空器有著相似的路線——發動機先行,有了動力系統做支撐,后續研發相應的型號才有保障。
藍色起源公司研發 " 新格倫 " 火箭已經有近十年的時間,但起步要晚于獵鷹火箭。" 新格倫 " 火箭所使用的 BE-4 發動機研發可追溯到 2011 年左右,這款發動機在 2014 年還被賦予了另一個目的,即取代從俄羅斯進口的 RD-180 火箭發動機,當時 " 聯合發射聯盟 "(ULA)介入并選擇 BE-4 發動機作為 " 火神半人馬座 " 火箭的動力系統。BE-4 發動機的特點是使用液氧甲烷作為燃料,是目前世界上比較流行的綠色推進劑,甲烷燃燒效率高、成本可控,有較大的應用范圍。
相比于煤油等碳氫化合物燃料,后者會形成大量的副產物,多次重復使用可能會導致發動機內部的管路堵塞,液化的甲烷則沒有這方面的問題。同時,液化甲烷所需的燃料箱尺寸更小,比煤油燃料更有優勢。此外,液化甲烷不易蒸發,安全性更高,適合長期在太空環境中儲存,當然也適合長時間深空飛行使用。
液化甲烷還有一個特點,儲存溫度與液氧比較接近,某些相似的物理性質意味著推進劑閥門、罐體等設備和制造可以實現標準化,從而降低生產成本。可重復使用火箭之所以成為當前航天界的熱門,一方面是進入軌道需要降低成本,重復使用的發射單價會顯著降低;另一方面則是長時間深空飛行也需要可重復使用的甲烷發動機。
" 新格倫 " 火箭正式研發時間在 2016 年對外宣布,確定了第一級攜帶 7 臺 BE-4 發動機軟著陸回收的方案。當時,SpaceX 的獵鷹火箭已經完成了第一次回收,從技術角度講,獵鷹火箭已驗證了該方案的可行性。從長遠看,軟著陸回收設計還有一個目的:這種方法適合在地外天體上登陸,比如登陸月球或者火星,只需要尋找一塊相對平整的地方,就可以實施軟著陸,該方法甚至可能推廣到登陸其他巖質天體。
從運載能力方面看," 新格倫 " 火箭的數據要強于當時的獵鷹火箭。到了 2018 年,商業火箭競爭開始更加激烈,SpaceX 推出了三個助推器并聯的獵鷹重型,大幅度提升了運載能力。即便如此," 新格倫 " 火箭所定位的低地球軌道 45 噸運載能力,仍然很有吸引力,錯開了獵鷹火箭和獵鷹重型火箭的運力區間。
" 新格倫 " 火箭第二級回收難度較大
" 新格倫 " 火箭定位為可重復使用火箭,設計人員便打算將成本降低到極致:第一級和第二級計劃全部回收使用。目前 " 新格倫 " 火箭只能回收第一級,即 7 臺 BE-4 發動機,著陸方案與獵鷹火箭相似,都是利用發動機反推的方式降落在駁船上。這艘駁船的名稱叫 LPV-1 或者是杰奎琳(Jacklyn)號,杰奎琳是貝佐斯母親的名字。這一點與獵鷹火箭所使用的著陸駁船命名有些不同,馬斯克以科幻小說中出現的名稱為回收助推器的駁船命名。
藍色起源公司對于發射成本控制表現出更高的要求,僅僅回收第一級的 7 臺發動機顯然不夠,從 2021 年開始,該公司宣布著手對火箭的第二級收回方案進行研究。第二級安裝了兩臺昂貴的 BE-3U 發動機,如果能回收,那么發射成本還能進一步降低,目前獵鷹系列火箭還無法實現第二級的回收。
第二級回收有多個難點,為此,藍色起源啟動了 " 賈維斯計劃 ",目的是開發出完全可重復使用的第二級,但這個計劃面臨巨大的挑戰。SpaceX 的策略是轉入星艦火箭的研發,讓星艦返回地面,助推器則用筷子回收裝置夾住。
對藍色起源的 " 新格倫 " 火箭而言,第二級推進器回收的難度主要體現在:
第一,著陸方案無法確定。火箭第二級工作高度超出地球大氣層,這意味著回收需要重新再入大氣層。目前提出過的著陸方案包括安裝類似航天飛機的機翼,通過滑翔的方式返回,還包括垂直著陸、降落傘等方案,由于不同方案所面對的問題不同,到目前為止都還未確定。
第二,著陸發動機可能需要更換。火箭第二級發動機主要工作環境是真空,如果返回地面,可能需要增加一種能夠在稠密大氣環境中工作的發動機,動力系統新增發動機又會導致運載能力下降。同時,這也意味著需要搭載不同的燃料,這顯然不是個好消息。
第三,再入大氣層需要安裝隔熱裝置,也會導致發射質量增加,運載能力降低。
第四,燃料箱需要特別定制。" 新格倫 " 火箭第二級如果要實現多次重復使用,燃料箱就要承受多次發射和再入大氣層的工作環境。星艦之所以選擇不銹鋼作為材料,一方面是因為不銹鋼可耐高溫,另一方面是因為不銹鋼的價格更便宜,但缺點是不銹鋼重量是復合材料的數倍以上。
對太空商業化的影響
藍色起源的 " 新格倫 " 火箭這次完成首次發射,無疑加劇了商業太空發射領域的競爭。藍色起源公司的策略是 " 兩手抓 ":一只手抓亞軌道商業太空旅游,另一只手抓商業火箭發射,開始與 SpaceX 展開全面競爭。
在亞軌道商業太空旅游方面,由于 SpaceX 沒有相關的競品,藍色起源公司基本處于壟斷的局面,可以認為在這個方面貝佐斯是全面超越了馬斯克,這也是太空商業化的一個重要細分領域。藍色起源研發了 " 新謝潑德 " 號火箭,這是一種完全可重復使用的 " 小 " 火箭,攜帶一個載人艙,可容納 4 至 6 名乘客。火箭將載人艙送到 100 公里左右的高度,讓乘客體驗一段時間的失重后落回地面,火箭本身則通過軟著陸的方式返回。藍色起源以每個座位 125 萬美元出售,從 2021 年首次載人飛行至今,已經完成了近 10 次載人飛行,還有多次 NASA 的無人微重力研究任務,獲得了上億美元的收入。
" 新格倫 " 火箭則是藍色起源公司的另一只手,低地球軌道運載能力達到 45 噸,可以勝任許多發射任務,與 SpaceX 的獵鷹系列火箭形成競爭關系。
接下來,亞馬遜將使用 " 新格倫 " 火箭發射互聯網衛星星座,以及建立商業空間站,參與 NASA 的空間發射任務,甚至還有可能加入阿爾忒彌斯計劃。根據藍色起源的運營策略,該公司不僅打造適合普通人的太空失重體驗項目,還開發發射航天器的重型火箭,同時在這兩個方向布局說明太空商業化時代正在悄然到來。
大規模開發太空,就需要比以往更嚴格地降低入軌成本。目前,全球范圍內,有多款可重復使用火箭正處于研發之中,競爭也會趨于激烈,尤其是在亞軌道失重體驗方面,門票單價相對較低,有較大的獲利空間,是太空商業化競爭的又一個重要領域。
策劃制作
出品丨科普中國
作者丨川陀太空 科普創作者
監制丨中國科普博覽
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審校丨徐來、林林
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