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商业航天的未来是中型运载火箭

2018-07-10 09:24 来源:未知

商业航天的未来是中型运载火箭

7月5日,蓝箭航天在在北京发布了其自主研发的首款中型液氧甲烷运载火箭朱雀二号,同时发布的还有为火箭配套的80吨级液氧甲烷发动机“天鹊”。发布会上,蓝箭航天还提出了“商业航天的未来是中型运载火箭”以及发动机“黄金推力区间”的概念。发布会结束之后,观察者网专访了蓝箭航天创始人张昌武。

蓝箭航天创始于2015年,总部位于北京,两支研发团队分别位于北京总部和西安,火箭生产制造基地则位于浙江湖州。2014年中央提出推动军民融合发展战略,国务院明确鼓励民营资本进入研制、发射和运营商业遥感卫星,蓝箭航天在此背景下诞生。

国内第一,世界第三

朱雀二号是目前国内民营商业航天中最大的火箭,此前其他的民营商业航天公司的产品都局限于运载能力不超过1吨的小型运载火箭,比如零壹航天的OS-M1火箭,运载能力仅有205公斤/300公里轨道高度,而朱雀二号的最大运载能力达到4吨/200公里轨道高度。

与世界上其他国家的民营航天公司火箭产品对比,朱雀二号的运载能则排到世界第三。

对于自己的产品定义,蓝箭认为,只有中型以上的液体火箭才能在商业发射市场生存并盈利。蓝箭航天CTO康永来在发布会上表示,我国现有运载火箭共发射278次,其中近地轨道运载能力1.5吨-4吨的中型运载火箭发射次数最多,占到51%。国外运载火箭发射次数中,中型运载火箭的需求在60%左右。

低风险设计,首先保证把卫星送入轨道

蓝箭航天公布的数据:朱雀二号(ZQ-2)全长48.8米,箭体直径3.35米,起飞质量216吨,起飞推力268吨,200公里近地轨道运载能力4吨,400公里轨道运载能力2吨,500公里太阳同步轨道运力2吨,商业发射应用轨道高度为200-1500公里。朱雀二号是目前中国民用商业火箭中起飞质量和运载能力最大的。根据近地轨道运载能力4吨和起飞质量216吨计算,朱雀二号的运载系数为1.82%。

从运载系数上来看,朱雀二号整体设计比较保守,相比之下同级别采用同种燃料的甲烷版联盟-5火箭起飞质量290吨,近地轨道运力9吨,运载系数3.33%。朱雀二号运载系数低,主要原因在于箭体结构比较保守,没有采用诸如共底燃料箱等先进技术来实现较高的干质比,而是以低技术风险和经济性为首要保证。

朱雀二号火箭结构示意图

天鹊发动机则分为两个子型号,地面起飞版和二级用的真空版,地面版海平面推力67吨,真空推力78吨;真空版真空推力80吨。发动机结构为燃气循环,涡轮泵采用双泵同轴设计。推力室、涡轮泵和发动机支架使用模块化设计,发动机矢量方式为泵后摆。蓝箭方面表示,天鹊的推力调节范围为50-100%无极变速。

观察者网航天评论员认为,蓝箭航天的发动机研发思路,与SpaceX的梅林系列发动机类似,首先研发一款技术难度不高的主发动机,并且以不同的推力室设计取向来分别适应火箭起飞和真空飞行需求,通过一二级共享同型号发动机来降低成本。而初期发动机较为保守的技术状态,则以逐步迭代改进的方式来提升,最终实现增推、减重的目标。

天鹊系列发动机

无论是箭体设计,还是发动机选型,都体现了蓝箭的发展思路:首先保证能把卫星送入轨道,解决有无问题之后,再逐步着手改进提高火箭性能。蓝箭计划在未来将发动机推力提高50%,火箭重量降低30%,成本降低50%。

目前,朱雀二号已经完成全系统设计工作,计划于今年完成全部地面试验,2020年进行首次发射。天鹊发动机也将在今年下半年完成样机制造工作,年底进行全系统试车。

此外,蓝箭航天发动机里推力室负责人袁宇在发布会上表示,朱雀二号将在未来谋求一级回收能力,具体回收方式与SpaceX不同。

专访蓝箭创始人张昌武

在发布会结束之后,观察者网专访了蓝箭航天创始人张昌武,以下为专访整理概要。

观察者网:蓝箭航天今年下半年将进行首次发射,是一枚固体运载火箭,在目前蓝箭重心都在中型液体火箭的情况下,这枚火箭的发射对于你们有什么样的意思?

张昌武:这枚固体火箭,对于我们(蓝箭航天)来说在技术上不是重点,但是是对我们整体业务链条的一次考核。进行一次成功的航天发射,是向社会说明我们具备这样的能力,还要进行发射场的验证工作。

观察者网:火箭发射过程中的测控环节是蓝箭自己负责吗?

张昌武:测控环节将会依托社会资源来进行,目前我国无论是国有还是商业测控服务都比较完善,完全可以满足我们的需求。

观察者网:朱雀二号是目前国内民营商业火箭中运载能力最强的,相比其他家只能发射微型微型的小火箭大出不少,那么当时你们是为什么要选择这个级别的火箭作为自己的主要产品?

张昌武:并不是我们(蓝箭)做的事情大,而是别人做的都太小了。我认为朱雀二号是大小尺寸适当的运载火箭,决定火箭尺寸的不是蓝箭航天,而是整个市场需求,我们以此来反推。

目前无论是卫星还是火箭的发展,整个行业都在进行探索、迭代和试错。而卫星行业的发展,小型卫星进行一些有限的技术验证是没问题的,但是形成系统服务能力,还是需要相对比较大的卫星平台,满足各项服务功能的功率需求,同时大卫星也有利润空间保障。将来真正在市场能够立足的卫星运营用户,一定会选择50公斤到2吨的卫星,这些用户也是将来真正有能力付费的。

在我们国家面临的另外一个问题是,每年的发射窗口是比较固定的,如何在有限的发射窗口内向客户最大化地输出发射能力,节省客户的等待时间,让他们的卫星尽快上天形成服务能力,是我们要面对的核心问题。对于所有的卫星生产企业来说,时间比什么都重要。

观察者网:蓝箭目前的融资够用吗?

张昌武:造火箭相对其他领域来说,还是比较省钱的,整个投入规模是可控的。我们目前整个公司的团队规模不到200人,前期几乎所有的资金都投入到了研发中,目前我们累计研发投入4亿元。到明年上半年产品开始生产之后,蓝箭的资金需求会变大,到时候也有相应的融资计划。在那个阶段蓝箭能拿出具体的火箭和发动机产品,也比较容易获得资金。

观察者网:天鹊发动机与国有航天研发的某款甲烷发动机存在技术关联吗?

张昌武:我们的天鹊是全新研制的发动机,国家研发的甲烷发动机与我们的存在着结构上的差异(一种是双涡轮泵,一种是同轴涡轮泵)。天鹊这款发动机是蓝箭融合了北京和西安两个团队的能力而研发出来的,发动机采用了开式循环(燃气循环),发动机关键性部件比如涡轮泵、阀门、推力室的设计,是两个团队各取优势研发出的结果。这款发动机从设计到工艺,都是包含了蓝箭航天的创新思维。