蓝色起源公司“新谢泼德”飞行器及其未来发展分析

杨开 才满瑞（北京航天长征科技信息研究所）

2018年4月29日，蓝色起源公司（Blue Origin）的“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道飞行器完成第8次飞行试验，最大飞行高度为107km，达到未来太空旅游任务的标准高度，朝着商业化运营又迈出了重要一步。

1 技术理念

蓝色起源公司由网络零售商亚马逊创始人——杰夫·贝索斯于2000年创立，重点关注火箭垂直返回着陆技术，以此实现亚轨道飞行和轨道发射。“蓝色起源”意指人类生活的地球是未来航天活动的根源。

蓝色起源公司的理念是“坚实做好每一步”（Step by Step, Feriously），突出技术为本和朴实低调的风格，采用渐进式发展模式，从垂直起降技术验证和发动机研制起步，到成功试验亚轨道重复使用飞行器，再进一步挑战大推力液氧/甲烷发动机以及“新格伦”（New Glenn）大型运载火箭，秉持从易到难、从小到大的方案设计理念。蓝色起源公司的低调内敛和太空探索技术公司（SpaceX）的高调宣传形成鲜明对比，但是通过一步一个脚印地打好技术基础、做好每款产品，也成长为商业航天领域内的重要力量之一。

蓝色起源公司在2005年到2011年间设计制造了多个垂直返回着陆技术验证机，但是很少对外宣传。这种相对“传统”和保守的渐进式发展理念，使其在开始并未得到广泛关注，反而是更晚介入垂直返回着陆技术的SpaceX公司博取了更多眼球。不过蓝色起源公司的长期研发投入终于在2015年得到回报，“新谢泼德”飞行器在SpaceX公司的猎鹰－9（Falcon－9）火箭之前实现垂直返回着陆，实现里程碑式的跨越，也为后续发展计划奠定了基础。

2 发展历程

“新谢泼德”飞行器研制计划最早于2006年公布，该方案包括提供上升段推力的动力模块和搭载游客的乘员舱。乘员舱安装在动力模块上方，利用动力模块的火箭发动机顶推到一定高度（约40km）后，动力模块发动机关机，乘员舱分离，利用惯性自由滑行至100km左右的高空，让游客体验微重力环境、欣赏高空景象，最后乘员舱返回，利用降落伞减速着陆。动力模块下降到接近地面时，会重新启动发动机，通过动力反推实现垂直返回着陆。为保证发射起飞阶段的人员安全，乘员舱配备了逃逸系统。

前期技术验证

蓝色起源公司在2005年利用一架称为“卡戎”（Charon）的验证机启动了垂直返回着陆技术的验证。该验证机使用4台罗罗公司（Royce-Rolls）生产的航空喷气发动机，垂直安装到一个铝合金焊接的框架结构上，利用推力矢量控制实现机动。“卡戎”在2005年3月5日完成飞行试验，最大飞行高度96.3m，成功降落到地面上。蓝色起源公司利用“卡戎”初步了解垂直返回着陆技术的设计、制造和操作流程。

“卡戎”之后，蓝色起源公司启动了“新谢泼德”亚轨道旅游飞行器的规划，通过多型验证机从低空到高空循序渐进地开展垂直返回着陆技术的研发验证，同时开展试验、发射、测控等设施的建设，最后再对全尺寸的“新谢泼德”飞行器开展高空飞行试验。

在“新谢泼德”飞行器研制计划下的首个技术验证机名为“戈达德”（Goddard），也称为动力模块－1（Propulsion Module 1）。该飞行器采用了9台BE－1火箭发动机，于2006年11月13日进行首次垂直起降飞行试验，最大飞行高度为85m。2007年又完成了2次飞行试验，提升了飞行高度。通过动力模块－1的飞行试验，蓝色起源公司验证了其飞行软件的设计。该软件能够实现射前准备、发射、飞行和着陆的自动控制。BE－1是一台采用过氧化氢推进剂的单组元发动机，推力为8.9kN。

之后，蓝色起源公司开始研制动力模块－2（Propulsion Module 2）技术验证机，该验证机在外形上更加接近于现在的“新谢泼德”飞行器。动力模块－2采用5台BE－2火箭发动机，2011年5月6日进行首次飞行试验，飞行高度达到167m，完成低空垂直返回的验证。2011年8月14日在第2次飞行试验中，动力模块－2达到Ma 1.2的速度，最大飞行高度达到13.7km。不过由于飞行失稳，安全系统终止了推力，动力模块－2最终坠落到沙漠中。BE－2发动机采用过氧化氢/煤油推进剂，推力为140kN。

在开展动力模块验证的同时，蓝色起源公司通过参与“商业乘员开发”（CCDev）计划，在美国国家航空航天局（NASA）的资助下于2012年完成了乘员舱的逃逸试验。乘员舱采用一种推进器逃逸系统，在上升段出现紧急状态时，利用顶推的方式使乘员舱远离动力模块。而传统载人飞船的逃逸塔一般采用拉拽的方式使飞船远离火箭。

全尺寸飞行试验

从动力模块－1和动力模块－2分别采用BE－1、BE－2发动机可以看到，蓝色起源公司最初将发动机研制的重点放到了过氧化氢/煤油推进剂上。而且在2006年披露的设计方案中，“新谢泼德”飞行器原计划也采用过氧化氢/煤油火箭发动机。不过在2011年的动力模块－2飞行试验失败之后，蓝色起源公司对动力系统方案进行了重大调整。当时，该公司正在NASA的CCDev计划下开展BE－3液氢/液氧发动机研制（原计划用于发射载人飞船的重复使用助推系统），由于得到NASA的支持，研制进展非常顺利。BE－3发动机研制项目是在2011年提出的，2012年完成推力室试车，2013年进行首次发动机试车。

考虑液氢/液氧发动机在性能上的绝对优势以及BE－3发动机的研制进展，再加上动力模块－2飞行试验出现意外，蓝色起源公司决定将“新谢泼德”飞行器的过氧化氢/煤油火箭发动机替换为BE－3液氢/液氢发动机。

BE－3发动机采用抽气循环方式，具有结构简单、关机方便等优势，推力达到490kN，具有多次点火启动能力，而推力调节范围则达到了18%～100%，其设计方案非常符合垂直返回着陆技术的要求。

更换为BE－3发动机之后，蓝色起源公司在2015年完成了第1架“新谢泼德”飞行器的研制，开始进行全尺寸飞行器的飞行试验。同时，还公布了“新谢泼德”的部分设计细节。动力模块头部设计了环形翼和可展开的垂直翼，帮助在返回过程中调整压心，提高稳定性。环形翼上还有8块可展开的减速板，在返回过程中将动力模块的速度降低50%。尾翼利用液压作动装置操纵，在上升过程中提高飞行稳定性，在返回过程中控制方向，返回着陆点。乘员舱内部有15m3的空间，能够搭载6名乘客，设有大面积舷窗便于观赏景色。

截至2018年4月，蓝色起源公司共对3架“新谢泼德”飞行器进行了8次飞行试验。其中，第1架“新谢泼德”于2015年4月29日进行飞行试验时，乘员舱利用降落伞成功着陆，但是动力模块在返回过程中由于失控而坠毁。第2架“新谢泼德”于2015年11月23日首次完成了动力模块的垂直返回着陆，实现技术上的重大突破，同时还成功回收了乘员舱。“新谢泼德”飞行器通过8次试验飞行，正在逐步走向成熟和商业运营。蓝色起源公司计划从第4架“新谢泼德”飞行器开始进行载人飞行。另外，蓝色起源公司不仅利用“新谢泼德”飞行器开展太空旅游业务，还将利用飞行任务中3～4min的微重力环境，为各类微重力试验提供搭载机会。

3 未来规划

“新谢泼德”亚轨道飞行器不是蓝色起源公司发展的终点，而是其渐进式发展模式中的必要一环。蓝色起源公司将以亚轨道飞行器验证的动力系统技术和垂直返回着陆技术为基础，研制推力更大的BE－4液氧/甲烷发动机和“新格伦”大型运载火箭，为美国提供本土化的主动力系统，参与发射服务竞争。

BE－4发动机

2014年，美俄在乌克兰问题上出现冲突之后，美国政府为确保本国独立进入空间的能力，计划研制新一代主发动机。因为美国联合发射联盟公司（ULA）的主力运载火箭宇宙神－5（Atlas－5）采用的是从俄罗斯进口的RD－180发动机，蓝色起源公司借助这个机会，同联合发射联盟公司合作，快速推进BE－4发动机的研制。

BE－4发动机是首个采用液氧/甲烷推进剂的工程应用型号，采用分级燃烧循环，推力为2400kN，具备重复使用能力和推力调节能力，面向未来的重复使用运载器设计。蓝色起源公司通过BE－3发动机积累了技术和经验，在得到资金支持和政府技术支撑后，BE－4项目快速发展。到2015年，已经完成了包括预燃器、再生冷却推力室、喷注器在内多个组件的100多次试验，验证了关于喷注器性能、热传递、燃烧稳定性的理论模型，根据试验数据进一步优化了发动机设计。2017年3月，第1台BE－4发动机完成装配下线。同年10月，对BE－4发动机进行第1次试车，在50%的推力水平下，点火工作3s。2018年3月，BE－4发动机在65%的推力水平下，试车114s。尽管BE－4项目在2015年和2017年曾出现过2次推力室试车事故，不过蓝色起源公司在BE－4项目上投入了充足的资源，建设了新的试车台，保证了研制进度，预计在2018年底完成鉴定，2019年能够投入使用。

“新谢泼德”飞行器的8次飞行试验情况

“新格伦”火箭

在“新谢泼德”飞行试验不断取得成功，BE－4发动机得到快速发展之后，蓝色起源公司在2016年公布了“新格伦”大型运载火箭研制计划。该火箭基础构型的直径为7m，一子级采用7台BE－4发动机，二子级采用2台BE－3U发动机，整流罩直径达到7m，近地轨道运载能力45t，地球同步转移轨道运载能力13t。根据任务需求，可以选装三子级，采用1台BE－3U发动机。基础构型全长86m，三级构型全长99m。其中，BE－3U发动机在BE－3发动机的基础上针对真空环境进行改进，适用于火箭上面级。

“新格伦”火箭的一子级采用垂直返回着陆技术，利用海上平台实现回收和复用，充分继承“新谢泼德”飞行器的现有技术，形成该型火箭的核心竞争力。

蓝色起源公司计划在2020年 实现“新格伦”火箭的首飞，将与SpaceX公司、联合发射联盟公司、阿里安空间公司（Arianespace）等竞争大型载荷的发射任务。目前，“新格伦”火箭已经得到4份发射合同，包括欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）、泰国Mu航天公司、日本完美天空日星公司（Sky Perfect JSAT）的3颗同步轨道卫星发射任务，以及一网公司（ONEWEB）的4次近地轨道互联网星座发射任务。

蓝色起源公司曾表示，很多空间载荷受制于运载能力限制而不能做大，希望通过运载能力的提升来拉动发射需求的增长。例如，如果具备了更大的运载能力，卫星厂商可以开发直径更大的天线或者规模更大的商业空间站，研究机构也可以制造口径更大的天文望远镜。

重型火箭和月球着陆器

“新格伦”火箭是蓝色起源公司从亚轨道飞行向轨道发射迈出的重要一步，但不是其终点。该公司创始人杰夫·贝索斯在公布“新格伦”火箭方案时，还透露了未来将发展一型运载能力更大的火箭“新阿姆斯特朗”（New Amstrong），瞄准月球探索。而且，2017年蓝色起源公司还专门在美国国会航天分委会的听证会上，陈述了关于利用“蓝月”（Blue Moon）月球着陆器支撑月球探索任务的方案。“蓝月”着陆器可以携带质量为4.5t的载荷在月球表面着陆，为科研用月球车、资源探测开采、探索任务后勤补给甚至远期的月球居住站提供支持。

4 小结

蓝色起源公司在2000年成立之后，用了10多年的时间才在“新谢泼德”飞行器上取得了重要进展，其进度看上去非常“慢”，但就像杰夫·贝索斯曾经引用的一句话：“慢就会顺利，顺利就会快。”

蓝色起源公司目前披露的产品型号计划，包括“新格伦”大型火箭、“新阿姆斯特朗”重型火箭以及未来月球探索计划，都需要以垂直返回着陆技术和发动机技术为基础。所以“新谢泼德”项目需要在这两项技术上进行长时间的打磨，奠定能力基础。也正因如此，蓝色起源公司才能在BE－4发动机和“新格伦”火箭项目上实现快速发展。从“新谢泼德”项目可以看到，在基础技术上进行长期投入，形成核心竞争力，对于蓝色起源公司的长远发展具有重要意义。

另外，从“新谢泼德”的产品定位而言，亚轨道太空旅游市场还不成熟，涉足竞争的公司也很少，存在很大的不确定性。而蓝色起源公司其他几型产品也都是如此，例如“新格伦”火箭50吨级别的运载能力，也不是当下发射市场的需求。所以蓝色起源公司开展商业竞争的定位，可能更多地是瞄准航天领域的“蓝海”，而不是在已经竞争非常严重的大中型商业卫星和小型商业卫星方面发力。当然，这种定位和竞争策略可能存在很大的风险，要在需求分析和市场调研及预判上做好十足的准备。不过这样一种竞争策略值得我们思考和研究，随着航天技术越来越成熟，进入门槛越来越低，势必有更多的竞争者入局，依靠什么样的能力和产品才能形成优势，在航天领域占得一席之地？