电子号火箭：为小卫星而生

2018-08-08文/

太空探索 2018年8期

关键词：液氧发射场新西兰

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▲ 第三枚电子号火箭在发射台上

6月28日，美国火箭实验室宣布，由于电子号火箭一子级九台“卢瑟福”发动机其中之一的电机控制器重复出现问题，决定关闭本次发射窗口，发射时间择机而定。

本次发射的是第三枚电子号火箭，这也是该型号火箭首次进行商业发射。此前火箭实验室已经于2017年5月25日和2018年1月20日完成两次试飞，第一次发射失败，第二次发射成功。

▲ 很有艺术感觉的“电子号”躺在厂房内

▲ 没有加注的电子号火箭

▲ “卢瑟福”液氧煤油发动机

电子号火箭不是电火箭

“电子号”是美国小型火箭研制公司——火箭实验室自主研制的两级液氧/煤油运载火箭，主要进行微/小型卫星的发射，面向的客户群体是商业客户。电子号火箭长17米，直径1.2米，质量10.5吨，太阳同步轨道运载能力为150千克，单次发射价格为490万美元。火箭的外壳和内部很多结构件是由碳纤维复合材料制造而成，使用这种材料可以大幅降低火箭结构质量，从而提升有效载荷运载能力。

动力系统

“电子号”采用全新的电动推进循环（单台发动机配置2台电动机），依靠无刷直流电机和高性能锂聚合物电池来驱动推进剂泵。火箭本身仍使用液氧/煤油燃料作为推进剂，只是火箭发动机的推进剂泵并没有采用传统的燃气驱动方式，而是采用电机驱动，这也是该火箭命名为“电子号”的原因。

火箭使用的10台液氧/煤油发动机均基于相近的设计来制造。火箭一子级采用完全相同的9台“卢瑟福”液氧/煤油发动机，火箭二子级采用1台真空型“卢瑟福”液氧/煤油发动机。“卢瑟福”发动机采用电动泵实现推进剂增压输送，省去了大量复杂的推进剂管路与阀门、燃气发生器等装置，降低了复杂度，提高了可靠性，降低了制造成本。

▲ 火箭实验室首席执行官彼得·贝克与“卢瑟福”液氧煤油发动机

▲ “卢瑟福”发动机点火试车

此外，“卢瑟福”发动机的主要部件（包括发动机腔室、再生冷却燃烧室、喷注器、泵和主推进剂阀门等）均采用3D打印技术制造而成，这有利于降低发动机成本，实现快速批量生产。

电子系统

箭上电子系统采用火箭实验室公司自行研制的微型电子设备和箭载计算机系统，采用先进的现场可编程门阵列（FPGA）及实时系统技术，具有快速响应速度和高可靠性，电子系统质量仅为8.6千克。火箭各级电子系统采用模块化硬件结构，只需对其进行编程就可根据不同功能完成定制，大幅减少硬件改动，缩减生产制造周期，确保火箭快速发射需求。

发射场

电子号火箭拥有一座完全由私人公司建造的发射场——玛西亚半岛发射场。该发射场位于新西兰北岛东海岸，面向太平洋。该发射场的1号综合发射设施已获得美国联邦航空管理局批准认证。未来，火箭实验室计划逐步提高发射频率，2018年底将发射频率提高到每月1次，2019年实现每2周发射一次。公司最终的目标是实现每72小时进行1次发射。

为避开复杂的有效载荷处理工作，缩短在发射场的发射准备时间，火箭实验室公司采用“集装箱”理念，即：用户自行把卫星封装到由该公司提供的有效载荷整流罩内。整流罩装载卫星后可存放起来，在发射前期再将该整流罩与火箭进行组装。

发射任务一波三折

第一次试飞未能入轨

2017年5月25日，第一枚电子号火箭从位于新西兰北部的玛西亚半岛发射场顺利升空，但在起飞4分钟后，遥测信号中断，无法对火箭进行遥测，当时火箭飞行的高度是224公里。火箭仅搭载了一个验证型有效载荷（模拟卫星），并在火箭上面级上安装了各种仪器设备，用来对火箭性能进行评定。首飞计划进入高度在300-500公里，倾角为83°的太阳同步轨道（SSO）。

▲ 电子号火箭在发射台上

▲ 第一枚电子号火箭从新西兰玛西亚半岛发射场升空

▲ 新西兰玛西亚半岛发射场

在飞行中，“电子号”按原计划完成了一子级点火、级间分离、二子级点火和整流罩分离，但在二子级飞行过程中遥测信号中断。导致遥测信号中断的原因是：公司的第三方发射支持商对地面设备的配置有误，该设备是用来将火箭的无线电信号转换成靶场安全员专用数据的。这个问题造成接收位置数据大面积损坏，导致数据丢失。最终，该事故引发了靶场安全员触发火箭飞行中止系统，发射实验被迫终止。火箭最终成为了“太空垃圾”。

▲ 成功点火升空

第二次试飞取得成功

火箭实验室公司在2017年12月6日开启了为期10天的发射窗口，但因为天气原因和箭体出现零星故障，发射一度推迟，最终导致第一次发射窗口关闭。2018年1月11日，“火箭实验室”宣布为电子号火箭开放新的发射窗口，持续9天，每天开放4个小时。

在起飞前一天，火箭实验室曾尝试进行发射，但由于两艘私营船只误入管制航区和发射天气转差，发射取消。最终，在新西兰当地时间2018年1月20日晚上20：43（美国东部时间1月21日下午14：43），电子号火箭顺利升空。运行状态良好，并收到了卫星回传信号。

第三次发射遭遇延迟

本次发射窗口原定在新西兰当地时间4月20日中午12：30开启，为期2周，每天开放4小时。但在2018年4月17日，公司宣布发射推迟，原因是在测试中，工程师发现火箭一子级的九台“卢瑟福”发动机之一的电机控制器“性能异常”，中间经过多次反复，决定在6月底重启发射，发射窗口开启时间不早于6月22日，每天开放4小时，持续至7月5日。

但在新西兰当地时间2018年6月23日中午12：30，火箭实验室按照预期开启发射窗口后，在倒计时过程中跟踪天线出现故障，且故障未能在4小时发射窗口开启时间内得到解决，发射再次被取消。

随后，火箭实验室公司在新西兰当地时间6月27日中午12∶30再次尝试发射。但1小时后，发射取消，原因是发动机的电机控制器出现问题。同类故障早前在4月份的时候就曾出现过。看样子，这个老问题，始终没有得到有效解决。最终，在6月28日，火箭实验室宣布，由于电机控制器重复出现问题，因此决定关闭本次发射窗口。

本次发射携带的有效载荷包括：顶尖公司的2颗“狐猴-2”立方星，用于海洋船舶跟踪；1颗泰瓦克纳卫星系统公司的地球光学卫星；1颗 “尔湾-01”教学卫星（由南加州六所高中在“尔湾立方星理工科研计划”项目中研制）；1个 “NABEO”航天技术演示器（由德国高性能空间结构系统有限责任公司研制，将测试一种可用于卫星脱离轨道的展开式制动帆）。本次任务中，全部有效载荷计划被送入250公里×500公里，倾角为85°的椭圆形轨道上，随后由火箭实验室自主研制的变轨级对轨道进行圆化。变轨级使用的“居里”发动机也是由公司自主研制的。