火箭未飞，订单到手——简析用于柯伊伯星座建设的3种新火箭

文/汤川学

▲ 宇宙神5火箭被选择发射最初9组柯伊伯卫星

▲ “柯伊伯”计划签订的3款新运载火箭

亚马逊，这个名字对于大多数人来说可能是一个专注于电商平台的公司，但是亚马逊公司作为美国互联网科技企业五巨头之一，世界上最大的跨国科技企业之一，其产业布局相当广泛，云计算、人工智能等科技前沿产业，“亚马逊”也一直有所研究。

亚马逊公司的创始人，杰夫·贝索斯早在世纪初便成立了蓝色起源公司，布局了航天产业，面对着互联网卫星星座这一片蓝海，他当然不会放过。2019年，“亚马逊”提出了其自有的星座计划，命名为柯伊伯，名字来源于知名荷兰裔美国天文学家杰拉德·柯伊伯，他的名字也被用于命名在海王星轨道附近的小行星带。

“亚马逊”希望柯伊伯卫星星座能为世界各地未得到网络或当地互联网服务不足的社区提供低延迟、高速互联网。“一网”“星链”等互联网星座已经开始逐步铺开，相比于同时期的竞争者，“柯伊伯”的起步较晚，进度明显落后。

2022年4月5日，亚马逊公司宣布，将会从联合发射联盟、蓝色起源公司、阿里安空间公司购买发射服务，签下了大约80个发射合同，以发射其搭建互联网卫星星座所需要的3236颗卫星，造就了有史以来最贵的商业航天发射合同。接下来我们按80发来计算，分别来看一下这3家公司占总发射数量的比例（数字精确到个位数）。

其中联合发射联盟将提供38发火神火箭和之前就已经被定下的9发宇宙神5火箭，占比约为59%；“蓝色起源”将提供12发新格伦火箭，若有需要可以再加上3发，若按15发来算，占比约为19%；“阿里安”将提供18发阿里安6火箭，占比约为22%。

▲ 柯伊伯卫星星座发射合同分布饼状图

“火神”“新格伦”和阿里安6火箭都是尚未飞行过的火箭。而另一家公司，美国ABL空间公司在2021年11月宣布与亚马逊公司达成合作，该公司的首飞火箭RS-1将会携带柯伊伯星座的实验星KuiperSat-1和KuiperSat-2计划在2022年的第四季度升空，不过这型火箭将不在本文介绍，而“宇宙神5”作为老火箭也不参与讨论。除开其夸张的合同价格外，其将使用的3种新火箭也颇引人关注。

ULA的下一代当家火箭——火神

火神（Vulcan）火箭由美国联合发射联盟研发，是用于接替其金牌火箭——“宇宙神5号”的下一代新型火箭。其一级发动机采用“蓝色起源”开发的BE-4液氧甲烷发动机，上面级采用联合发射联盟最新研制的半人马V，可使用的固体助推器为诺格创新公司与联合发射联盟共同研制的GEM-63XL。2014年爆发的乌克兰危机是推动火神火箭研发的重要契机，由于美国和俄罗斯之间的关系骤然紧张，采用俄罗斯RD180发动机的宇宙神5火箭引发了美国政府的担忧，因为联合发射联盟承担了相当多的高度敏感的国防机密业务，发射了大量极为重要的载荷。随着剩余的“宇宙神5”的全部卖出，联合发射联盟对下一代能接过“宇宙神5”接力棒的新型火箭的需求也变得十分迫切。

除了安全问题，来自太空探索技术公司的强力挑战也是推动火神火箭开发的重要推手之一，其猎鹰9号火箭的成本优势已经不容忽视。在不断抢夺联合发射联盟的主要收入来源国防订单的同时，该公司的猎鹰重型火箭直接挑战了联合发射联盟长期以来对大型载荷发射的近乎垄断的地位。为了能够降低成本以面对强力竞争，研发一款成本相比于“宇宙神5”更低的高性能火箭势在必行，而火神项目也就在2014年左右迈入正轨。

▲ “火神2.1”引擎试车

火神火箭一级直径5.4米，高33.3米，使用2台由蓝色起源公司研发的BE-4液氧甲烷发动机，采用分级燃烧循环。该发动机曾经与美国洛克达因公司的AR-1液氧煤油发动机相竞争，并最终取得胜利。

BE-4的开发从2011年时便已经开始，但是直到现在，“蓝色起源”也没有将可飞行版本的BE-4交付给联合发射联盟。该发动机的研发进度一直比较缓慢，火箭的首飞时间也不断受到影响。单台BE-4发动机的官方宣传海平面推力为2.4兆牛，两台加起来的性能比单台RD180的4.15兆牛要高。“火神”一级在研发时考虑过可回收方案，“蓝色起源”CEO鲍勃·史密斯曾对媒体表示，BE-4最多可以使用100次。对于可复用，联合发射联盟曾经提出过一个叫“SMART”的方案：在一级分离后，一级的火箭发动机将切断与一级的联系，然后使用隔热罩重返大气层并在合适高度开伞，由接应的直升机用挂钩勾住降落伞在空中接走返回。这个方法与美国早期间谍卫星将拍摄后的胶卷传回地面的方法几乎如出一辙，但是联合发射联盟对该火箭的复用方案尚未官宣。据称首飞时将使用的两台BE-4正在进行组装。5月5日，联合发射联盟CEO在其社交媒体账号上放出了已经进行涂装的火神燃料储箱照片。

“火神”所使用的半人马V上面级由联合发射联盟研发，直径5.4米，长11.7米，使用两台洛克达因公司生产的RL10C液氢液氧发动机。作为久经征战的半人马系列的最新一员，其性能相比于本来就优秀的前辈有了更进一步的提升。据称用于结构测试的上面级已经接近完成，首飞用的上面级正在制造中。而采用了3D打印技术的RL10CX预计将在2023年被使用。

“火神”所使用的GEM-63XL固体助推器由诺格创新公司与联合发射联盟共同研发。助推器直径约1.6米，高21.9米。根据诺格创新公司推进系统副总裁查理·普雷考特所说，GEM-63XL的性能相比于“宇宙神5”目前使用的GEM-63提高了15%到20%。该火箭与“宇宙神5”相似，可以根据载荷的重量和载荷需要进入的轨道灵活地选择助推器数量，助推器数量有0、2、4、6四种方案可供选择。该助推器在2020年8月13日进行了第一次测试。诺格创新公司总裁兼首席执行官凯西·沃登在4月28日对媒体表示，该公司预计将与联合发射联盟签订一份价值20亿美元的固体火箭助推器合同。

火神火箭使用不同整流罩和固体助推器的型号的命名方式与宇宙神5系列不同。火神火箭每一个型号都由四个字符构成。比如VC4L，第一个字母V指代其火箭一级；C指代Centaur，指代其使用的半人马V上面级；后面的数字指代其所使用的固体助推器数量，这里的4则代表该型号使用了4根固体助推器；L指代其所使用的整流罩长度。“火神”拥有两种长度、同等宽度的整流罩，标准版整流罩高度为15.5米，直径为5.4米，名称代号S；加长版整流罩长度为21.3米，宽度为5.4米，名称代号L。这个名字可解读为采用了Vulcan一级，半人马V上面级，使用了4根固体助推器，使用了加长整流罩的火箭。火箭若使用标准整流罩高约61.6米，若使用加长版高约67.4米。

火神火箭的加长版整流罩中还可以加入一个可以高效利用整流罩内部空间的模块，其官方名称是Multi-Manifest。其本质上是一种可以在整流罩中提供更大固定点，以存放更多卫星的装置，这种装置对于需求量大但是体积较小的立方星卫星来说十分友好。“火神”的整流罩将由赫赫有名的原RUAG空间，现Beyond Space提供，他们也为“宇宙神5”生产整流罩。

根据目前的官方资料，火神火箭运载能力近地轨道（200千米高度，倾角28.7度）为10.8～27.2吨，地球同步轨道（高度35786千米，倾角0度）为2.6～7吨，地球转移轨道（高度35786千米，倾角27度）为3.5～14.5吨，中地球轨道（高度20368千米，倾角55度）为3.9～8.1吨，地月转移轨道为2.3～11.5吨。

命途多舛的新格伦火箭

新格伦火箭是由蓝色起源公司所研发的一款火箭。新格伦火箭相对于同样使用BE-4发动机作为火箭一级发动机的火神火箭，其研发进度缓慢，首飞时间不断推迟。而最新的消息是，“新格伦”至少要到2023年才能进行第一次发射，推迟到2024年甚至远的可能性也有，其数据上的不确定性较大。甚至在外形上，与刚发布时相比，现在的新格伦火箭的外形也有很大的变化。根据其官网在2020年发布的视频，其高度达到了98米，宽7米，相当高大。

新格伦火箭项目启动的时间较早，据称早在2012年便已经开始，但是直到2016年才正式公布了“新格伦”这个名字。这个名字来源于美国首位进入到轨道的航天员约翰·格伦。宽达7米的火箭直径，使得其整流罩内能装载更大的载荷。

新格伦火箭在设计上是一种可重复使用火箭，其一级可以像“猎鹰9号”一样在其专用回收船上着陆。一级上有6条着陆腿。其一级的设计有许多特点，中部有两条如同机翼一般的横条，官方称它们可以为返回时的一级提供更多的升力；用于控制一级的四个气动舵面与“猎鹰9号”上的四个格栅舵不同，更类似于鱼鳍。其一级上安装了7台BE-4发动机，海平面推力约为17兆牛。

▲ BE-4发动机引擎

新格伦火箭二级的方案曾做过修改，在之前的方案中，“新格伦”将使用一台BE-4U发动机作为二级，但是在2018年改成了现在方案中的使用两台BE-3U液氢液氧发动机，即现有的新谢泼德火箭在使用的发动机的改造版，原因可能是原方案需要的研发时间不足。如果载荷有需要，新格伦火箭还可以增加一个上面级。

进入2022年，来自新格伦火箭的最新消息是其所使用的7米整流罩进行了分离测试，但是火箭其他部件截至笔者写作本文时仍然没有实物画面，整体进展如何仍然未知。这款火箭也是这3种火箭中不确定性最大的一种。

根据目前的官方资料，新格伦火箭近地轨道运力可以达到45吨，地球转移轨道运力可以达到13吨。

扛起欧洲航天的未来新星——阿里安6

阿里安6火箭是阿里安空间公司所研制的，准备用于取代现有的“阿里安5”的新一代火箭，整个欧洲都对其寄予厚望。这种火箭是3种火箭里面唯一不可回收的火箭，这与其当初选择可扩展性优先相关。其研制初衷是希望可以尽可能降低发射成本，所以在其发展的过程中成本控制始终是重点。

由于欧洲火箭工业分布在欧洲多国，其研制也是由十几个国家共同完成，所以其发展也不断地受到各种因素的影响。2021年7月，根据媒体报道，法国和德国签署了一项临时协议，通过每年额外提供1.4亿欧元的资金来保护“阿里安6”的未来，其中涉及到一些部件的生产地问题，比如将“阿里安6”的上面级——芬奇引擎的生产从位于弗农的法国工厂转移到位于兰波茨豪森的德国工厂，由此引发了一些劳动纠纷和利益争夺，还被提交到了欧洲议会上进行讨论。

“阿里安6”在2012年刚开始提出时使用了一种叫“PPH”的方案，它的一级，二级和助推器全部由固体发动机组成，而上面级则使用了原本打算用于阿里安5ME的芬奇发动机提供动力，成本确实明显降低，设计目标是每次发射价格为7000万欧元。不过这个方案并没有被采用，而是在2014年被替换为阿里安6.1和6.2方案，并在几年中不断完善，外型也有了改变，逐渐成为了如今我们看到的两种阿里安6构型，阿里安62和阿里安64。

“阿里安6”的一级直径5.4米，整个火箭的全长约为62米。阿里安6火箭的一级只有一台发动机，该发动机由“阿里安5”的一级发动机，火神2液氢液氧发动机改进而来，名为火神2.1发动机。该发动机由法国赛峰公司作为总承包商，欧洲多家企业共同开发。该发动机采用燃气发生器原理，相比于“火神2”性能并没多大提升，海平面推力约1.3兆牛。主要改进在于简化生产工艺，降低生产成本，许多部件为3D打印制造，对喷嘴进行了重新设计，简化了生产流程。该引擎2018年1月在德国兰波茨豪森进行了首次试车。

▲ 新格伦火箭

▲ 阿里安62与64火箭对比图

▲ RS-1小运载将在2022年后两个季度发射两颗Kuiper-Sat试验卫星

“阿里安6”的固体助推器是一大重点。相比于“阿里安5”的两个大型固体助推器，“阿里安6”可以灵活按照任务的需要，使用2个或者4个的搭配，其使用的P120C固体助推器由意大利阿维欧公司和阿里安公司联合研发，C代表通用，宽3.4米，长11.7米。它也是阿维欧公司的织女星C火箭的一级，这种通用形式也是降低成本的方法之一。其单个推力约为4.5兆牛，在给“亚马逊”的18次发射中，将有16次发射会使用P120C的改进型P120C+，这一改进型将助推器的长度拉长了1米，这将使“阿里安64”的有效载荷性能提高约2吨。该助推器在2018年7月完成了第一次试车。

“阿里安6”所使用的上面级直径5.4米，采用由阿里安公司研制的芬奇引擎。该引擎为液氢液氧引擎，采用了膨胀循环，与目前仍在“阿里安5”上服役的HM7B相比，最大的特点是可以在关机后重新启动达5次，性能上更是全面占优。其真空推力约为180千牛，是HM7B的近3倍，比冲也比HM7B更高。

“阿里安6”的整流罩直径5.4米，高20米，比“阿里安5”的还要高3米。它也为商业任务进行了特别定制，更大的整流罩能装得下更多的卫星，载荷搭配也可以更加灵活，从大型科学载荷到各种微小卫星再到星座布置，“阿里安6”所使用的卫星适配器都可以满足需求。“阿里安6”的整流罩也将由瑞士RUAG空间公司提供，他们也为“阿里安5”生产整流罩。

“阿里安6”对于阿里安公司来说不仅仅只是阿里安5的下一代火箭，更是决定了阿里安公司能否立足于未来航天发射市场的救命稻草。

根据目前的官方资料，阿里安62的运载能力近地轨道为10.3吨，太阳同步轨道为6.5吨，地球转移轨道为4.5～5吨，中地球轨道性能为1.7吨，地月转移轨道性能为2.8～3吨。阿里安64的运载能力近地轨道为20吨，太阳同步轨道为15吨，地球转移轨道为12吨，地月转移轨道为8.2～8.5吨。

柯伊伯星座建设的3型新火箭情况差异较大，各自的项目进展也各不相同。但是作为全新诞生的火箭，我们也可以一窥目前火箭的发展趋势，那便是想尽办法压低成本，或者靠回收技术，或者靠降低各个部件的生产成本，以迎合逐渐壮大的商业航天市场。

现在回过头来分析一下柯伊伯星座发射合同的分布饼状图，其实不难看出，虽然联合发射联盟占的百分比最多，但是“蓝色起源”也能在其中得到大量利益。关键就在于火神火箭和新格伦火箭的一级发动机，“蓝色起源”的掌上明珠——BE-4发动机。此前曾经有传闻称联合发射联盟由于不满BE-4的进度，准备转向原来落选的AR-1，但是后来其CEO在媒体上发表声明说火神的发动机已经不会更改，他们仍然相信“蓝色起源”可以顺利完成BE-4发动机的研发工作，联合发射联盟和“蓝色起源”之间的合作仍然紧密。BE-4驱动了大部分发射柯伊伯星座的火箭，重要性不言而喻。从变种角度来说，这个史诗级火箭发射大单本身也算是一种“亚马逊”对“蓝色起源”的变相投资。

“亚马逊”在2020年7月获得了柯伊伯星座的美国联邦通信委员会认证，如果想要得到保留，那么必须在2026年之前发射至少50%的卫星，也就是1618颗卫星，距离现在还有不到4年的时间。其后，在2029年之前“柯伊伯”剩余的卫星必须全部发射升空。想要实现这个目标，这3家得加快他们的脚步了，尤其是“蓝色起源”。