联合发射公司的新一代火箭

□ 张雪松

2014年乌克兰危机，对美国航天工业也造成了巨大的冲击。美国在参议院麦凯恩推动下，要求研制国产的大推力碳氢燃料发动机取代俄罗斯进口的RD-180发动机，以摆脱现有“宇宙神”5火箭对俄罗斯发动机的依赖。经过几个月的讨论，加上联合发射联盟（ULA）面对太空探索技术公司（SpaceX）越来越强的竞争压力，最终产生了“宇宙神”5火箭的换代型号，2014年9月ULA非正式公开了新一代模块化火箭NGLS的消息。

NGLS的起因

年初的乌克兰危机后，面对美国的经济制裁和美国航宇局中断航天合作的动作，俄罗斯副总理罗戈津曾威胁禁止美国使用RD-180发动机发射军用载荷。罗戈津不过是虚张声势的复读，所谓禁止发射军用载荷，是美国引进RD-180发动机时就签订的协议，不过这个军用载荷的定义和我们多数人理解的不一样，它指的是天基激光器之类武器的狭义定义，连发射天基红外预警卫星也不在限制之列。尽管如此，俄国官方的非正式声明还是进一步引发了美国国内对使用俄国火箭发动机的担忧和指责：美国空军又一次开始讨论国产化RD-180的问题，但根据更早的研究报告，尽管美俄早就签订了相关合同，但美国进行RD-180发动机的国产化，仍然需要将近5年时间和约10亿美元的巨额费用。美国共和党参议院麦凯恩后来又提出并通过了一项决议，禁止美国继续进口RD-180发动机，更是把洛马公司使用该型发动机的“宇宙神”5火箭逼到墙角。与此同时，SpaceX公司高调宣传廉价全国产化“猎鹰”火箭的挤兑，也给ULA造成了很大的舆论和政治压力。

“德尔它”4运载火箭

面对政治上的不利形势，ULA只好以拖待变，一方面全力运回RD-180发动机，另一方面希望通过政治游说取消进口禁令，最后它们还承诺在未来的发射中降低成本和报价。2014年美俄关系并没有转暖，虽然俄罗斯没有禁止出口RD-180发动机的迹象，但美国国内日益要求摆脱“宇宙神”5火箭在发动机上对俄罗斯的依赖，ULA也只能做好无法继续采购的准备，精打细算把发射任务尽可能转交给“德尔它”4火箭，延长“宇宙神”5火箭的服役时间，同时将研制下一代渐进一次性运载火箭提上日程，于是诞生了下一代发射系统（NGLS），它正式服役时或许会被命名为“宇宙神”6火箭。

NGLS的出现

冰冻三尺非一日之寒，同样NGLS也不是突然出现在大家面前的。2014年9月17日，蓝色起源公司宣布它将与ULA建立合作关系，蓝色起源公司将为ULA的火箭研制发动机。

蓝色起源公司是亚马逊公司总裁杰夫·贝索斯创立的私营航天公司，虽然在美国商业货运和商业客运发射的竞争中没能脱颖而出，但蓝色起源公司也绝非泛泛之辈，它开发的“新谢帕德”（New Shepard）号垂直起降亚轨道航天器很早就进行了超音速飞行，2011年9月坠毁前新谢帕德号在14000米高空达到1.2马赫速度，而SpaceX公司的垂直起降试验飞行器蚱蜢的第一次试飞已经是一年后的事情了，直到现在蚱蜢2/F9R也没有突破新谢帕德号当初的记录。

“宇宙神”5运载火箭

ACES先进通用渐进上面级

蓝色起源公司在发动机研制上同样做出了很大的成绩，如果说BE-2发动机还有些稚嫩的话，BE-3发动机上已经显示出它强劲的实力。BE-2发动机使用过氧化氢/煤油推进剂，单发推力也只有15吨，新谢帕德飞行器不得不使用5台BE-2发动机并联推动，而BE-3发动机则是一种液氧液氢发动机，地面推力更是一跃增加到490千牛，这个指标和我国长征五号火箭芯级的主发动机YF-77非常相近。不仅如此，BE-3发动机还具有深度节流能力和重复使用能力，它的最低推力仅有110千牛，可以方便地用于垂直降落飞行器的着陆控制。截至2013年12月，BE-3发动机进行了160次热试车，试车时间累计达到了9100秒。蓝色起源公司还为运载火箭上面级研制了BE-3U发动机，它为真空环境进行了优化，是一种一次性使用的上面级发动机。

基于这样的背景，2014年9月17日蓝色起源公司宣布和ULA的合作关系，并将为其研制2450千牛的BE-4发动机时，虽然引起了轰动，但很少有人怀疑蓝色起源的实力。随着时间的推移，蓝色起源和ULA透露了更多的消息，BE-4发动机的细节也越发清晰起来。综合它们的声明和媒体报道，BE-4发动机是一种富氧分级燃烧循环的液氧甲烷发动机，它的混合比为3.5，燃烧室压强只有13兆帕，而喷管的膨胀比也仅有23。由于技术参数并不高，它的性能也谈不上出众，蓝色起源公司公布的数据显示，BE-4液氧甲烷发动机的推力为550千磅（249.8吨），可以节流到40%，发动机地面和真空比冲分别为307秒和342秒。据称BE-4发动机已经进行了缩比富氧预燃器研制试验，预燃器的分级燃烧试验以及主喷注器组装。下一个里程碑将是测试涡轮泵和主阀，预计可以在2016—2017年开始进行全尺寸发动机的测试，并在2019年进行首次发射。

公 示

根据新闻出版总署《2014年新闻记者证换发实施办法》的要求，我单位太空探索杂志社已对换发记者证人员及符合《新闻采编人员岗位培训考试》免考资格的人员进行严格审核，现将我单位通过新闻记者证换发资格审查的人员名单及符合《新闻采编人员岗位培训考试》免考资格的人员名单进行公示，公示期2015年1月7日—1月14日。

新闻出版总署举报电话:010-83138953

太空探索杂志社举报电话：010-68767130

通过新闻记者证换发资格审查的人员名单：周武、杨建、薛滔、陈彩连、夏丹

符合《新闻采编人员岗位培训考试》免考资格的人员名单：周武、杨建、薛滔

“宇宙神”5和NGLS火箭比较图

根据俄罗斯授权完成RD-180发动机的国产化需要至少5年时间，而全新的BE-4居然也只需要5年时间，而BE-4发动机的性能略高，这不能不说是令人称奇的。其实原因也很简单，BE-4发动机虽然是全新的设计，但也是倾向于低成本高可靠性的新设计：它使用富氧分级燃烧循环，最根本的原因就是这种设计可以降低燃料泵的出口压力，降低泵和阀门出现事故的可能性；它还是一种低室压的发动机，13兆帕的燃烧室压强不仅和RD-180发动机的25兆帕相去甚远，也比我国YF-100发动机的18兆帕低得多，甚至不如苏联第一代富氧高压补燃发动机NK-33的16兆帕压强。较低的燃烧室压强，也降低了从燃烧室到输送泵和涡轮泵的设计制造难度。BE-4发动机还通过使用更先进的设计和制造技术降低研制和生产成本，而RD-180发动机使用的是数十年前的技术，很多制造技术和工艺在美国工业界已经被淘汰，肯定要为此大费周章的使用新技术，反而增加了美国生产的难度和费用。BE-4发动机研制费用低进度快，还有一个重要原因是蓝色起源公司已经秘密研制了长达3年之久，它本来是蓝色起源为自己的运载工具研制的发动机，现在不过是签订合作协议后提供给ULA分摊成本。杰夫·贝索斯号称到2014年7月已经为蓝色起源公司投资5亿美元之多，其中很大一部分就投资于BE-4发动机及其测试设施的研制和建造上，2014年5月蓝色起源公司的液氧甲烷发动机地面测试设施已经建成，它可以测试最大推力450吨的发动机。

ULA确保BE-4发动机的研制和供应后，马上就提出了下一代渐进一次性运载火箭的设计方案。该公司副总裁佐沃2014年9月20日在著名的NASA太空飞行论坛上回答航天爱好者们的提问时，涉及了很多下一代火箭的细节，其中包括新火箭暂时不考虑重复使用能力，火箭最大起飞质量约430吨，芯级将从“德尔它”4火箭上衍生，不会使用更先进的复合材料储箱，当然推进剂使用液氧甲烷，选择甲烷推进剂主要原因是全系统的综合成本。此外他还提到新的火箭将保留“宇宙神”5的固体助推器捆绑模式，可能使用新的上面级和上面级发动机，但不会使用蓝色起源公司的BE-3发动机。2014年10月，ULA的新总裁托里·布鲁诺在接受采访时提到，新火箭的初始设计有望在年底前完成，而且它的发射费用将只有该公司现有火箭的一半左右，该公司打算以此为契机重新进军商业发射市场。

NGLS的基本设计

目前NGLS火箭尚未完成基本设计，但热心的NASA太空飞行论坛网友已经根据媒体报道和访谈建模做出了简单的火箭模型，如果后续不发生大的变化，火箭的基本性能也不会有多大变化。

NGLS火箭最大起飞质量约430吨，这个构型很可能是一个芯级捆绑6个固体助推器的设计，并将使用更新的上面级。火箭芯级目前确定使用两台蓝色起源公司的BE-4发动机，而固体助推器不出意外仍然使用航空喷气公司的产品。火箭芯级还将使用自生增压技术，降低使用成本，而甲烷推进剂的沸点较高，因此也无需液氢储箱那样使用复杂厚重的保温隔热措施，这将有利于火箭芯级提高质量比。火箭上面级如果使用改进型半人马座，它的同步转移轨道运力可达13吨以上，如果使用全新的类似先进通用渐进上面级（ACES）的设计，同步转移轨道运力更是可以达到16吨～18吨，其运力将仅次于SpaceX公司的猎鹰重型火箭。

NGLS火箭将使用“宇宙神”5火箭现有的位于卡纳维拉尔角基地的LC-41和位于范登堡空军基地的SLC-3E发射工位，无需新建新工位增加成本。由于NGLS火箭起飞质量更大，火箭运力也有了不小的提高，为此NGLS将取消“宇宙神”5火箭研制时曾提出的“宇宙神”5重型构型，但为了降低成本，捆绑不同数量助推器的芯级仍要求通用。NGLS的同步转移轨道运力将超过“德尔它”4重型火箭，根据目前的推测，NGLS首先将取代由于RD-180发动机问题的发射一枚少一枚的“宇宙神”5火箭，随后使用类似ACES上面级的设计后，可能进一步取代现有的“德尔它”4火箭。

BE-4 发动机测试

XCOR公司的XR-5H25发动机点火

NGLS火箭最初将沿用半人马座上面级，不过新上面级也开始露出风声。XCOR公司研制了山猫（Lynx）亚轨道飞机用于太空旅游，不过很少有人注意，XCOR公司还曾研制过全活塞泵的火箭发动机，XCOR公司还和ULA合作，计划以这项技术出发研制新的高性能氢氧发动机。根据NGLS出现前的报道，双方联合研制的缩比XR-5H25发动机曾在2013年11月首次热点火成功，这是第一种全活塞泵的液氧液氢发动机。虽然XR-5H25推力仅有2500磅/11.12千牛，但该公司还在研制推力更大的XR-8H21发动机，它仍将使用独特的热力循环和活塞泵技术，推力将达到111.2千牛，与现有的RL-10发动机相比，XCOR公司研制的氢氧发动机将具有更简单的结构和更廉价的生产成本。

2014年11月ULA总裁托里.布鲁诺进一步确认了和XCOR的合作，称NGLS将使用研制多年的新型上面级和XCOR公司的新型液氧液氢发动机，不出意外的话，新上面级将使用ACES的设计概念和XCOR公司XR-8H21发动机。ACES上面级除了气球共底储箱的设计外，最显著的特点是全新概念的推进剂管理系统，具体说是利用受热蒸发的氢气和氧气进行自生增压、姿态控制和发电，这样就完全取消了冷氦/超临界氦增压系统，省去了姿态控制系统所需的大部分推进剂和维持上面级活动所需的大部分电池，从而将上面级的质量比提高到一个前所未有的水平。2013年ULA对“德尔它”4火箭未来升级的介绍中，ACES达到了92%的质量系数，或者说质量比达到了12.5，使用ACES升级后“德尔它”4重型火箭的近地轨道运力将从28吨增加到37吨。虽然现在看来“德尔它”4火箭很可能被NGLS取代，但类似ACES设计的新型上面级对NGLS运力的提升，仍然可见一斑。不过去年的ACES上面级设计中，使用的是RL-10C发动机，而未来NGLS火箭使用的ACES上面级改进型，使用的将是推力和比冲相近的XR-8H21发动机。

BE-4发动机

NGLS火箭可以说是ULA被逼上梁山的产物，虽然NGLS火箭使用的技术并不是最新最好的，不过NGLS火箭使用低成本设计，同时运载能力上又有了进一步的提高，通过捆绑不同数量的固体助推器，还能灵活的应对不同的发射运力要求，很好的适应了新时代发射市场的需求。它不仅得到了美国空军航天部门领导的赞许，如果真能做到发射报价减半的话，也将重返商业发射市场，和SpaceX公司的“猎鹰”火箭一样成为商业发射市场的佼佼者。

BE-3 发动机试车