火箭三大核心系统，这个中国民企竟能自研自制

原标题：火箭三大核心系统，这个中国民企竟能自研自制

随着“天舟二号”与天和核心舱成功对接,中国人在太空的家离完全建成又进了一步,而且神舟十二号飞船会为这个家带去第一批住客。近些年,中国在航天领域壮举不断,火星和月球都有了我们身影,能做到这些,很大程度源于我们的航天技术越来越强大。

一、火箭主要技术组成

火箭从原理上讲就是将燃料点燃并喷射出去,以此获得巨大的反作用力,然后被加速到极快的速度,飞向太空。

原理虽然看着简单,但是想要这么个大家伙顺利起飞,并且飞到指定位置,并不简单,需要火箭上的结构系统、动力装置系统和控制系统紧密配合才行。

箭体结构是运载火箭的基体,就好比人类的躯体,它用来维持火箭的外形,承受火箭在地面运输、发射操作和在飞行中作用在火箭上的各种载荷,安装连接火箭各系统的所有仪器、设备,把箭上所有系统、组件连接组合成一个整体。需要综合考虑气动外形、结构设计、结构强度、内部空间、工艺成本等等因素。可想而知,其技术门槛有多高。

动力装置系统中最主要的装置就是发动机,是火箭的心脏,提供澎湃的动力,按照推进剂类型分为固体和液体两种,其利用冲量原理,通过推进剂在燃烧室中高压燃烧产生燃气,并靠排出高温高速燃气来获得推力,推动火箭高速飞行。固体火箭发动机的燃料和氧化剂是以固体状态直接保存在火箭发动机里面,燃料作用后推力恒定,近年来因其具有低成本和高发射机动性等优点,受到军事用户和低轨小卫星发射商的重视,研究渐热。液态火箭发动机,是一种采用液态的燃料和氧化剂作为能源和工质的火箭发动机。具有比冲大,容易实现流量控制,可机动或变轨,可随意熄火等优点。

控制系统在火箭上的地位,有如眼耳、大脑和手脚。由箭上系统和地面系统两部分组成,箭上系统叫飞行控制系统,地面系统称测试发射控制系统。

箭上计算机,它是火箭的大脑,一旦接到测量仪表发来的火箭飞行路线和姿态变化的信号,就立即进行计算,并进行综合处理,将信号放大,传给执行系统,并控制执行系统进行工作。

这些都是火箭上最主要的系统装置,当然还有一些其他的组成部分,只是不能直接影响本次飞行的成败。

二、中国民营火箭技术的发展

国外近况

火箭的上每个系统都有较高的技术门槛,所以通常只有国家力量才能独立完成全部的设计研发和制造。随着技术和需求的双增长,这领域也逐渐出现了民营企业的身影,在美国,SpaceX以民营火箭企业的身份,在2016就完成火箭回收,实现了历史性突破,其猎鹰9火箭已经连续成功飞行超过100次。除此之外,蓝色起源、维珍银河等企业也紧跟其后,这两家公司致力于开展太空旅游,就在近日,蓝色起源进行了一场线上拍卖直播,在不到10分钟的时间内就将与贝佐斯同舱的首张太空船票480万美元的起拍价提高到了2800万美元。今年7月20日,蓝色起源的火箭“新谢泼德号”将从西德克萨斯州发射,载着首批旅客驶向太空,开启人类的太空旅游纪元。

国内现状

国内相关企业起步较晚,但是随着政策的开放,中国民营商业航天企业呈井喷式增长,迅速形成了零壹空间、蓝箭航天、星际荣耀、星河动力等一批头部企业。这几家公司在成立几年内,相继发射了自己的火箭。

虽然其中的星际荣耀和星河动力,都有成功发射入轨固体运载火箭的经历,但是它们的技术大多集中在总体设计上,其余两个部分多为采购,只是近两年才在液体发动机上开始投入。然而零壹空间却是个特例。零壹空间自2015年成立,一直坚持火箭技术垂直一体化研发,从底层技术到总体级的产品全部自研自制,自建工厂,完全消除供应链“卡脖子”风险,其模式与SpaceX非常相似。

各有各长

仔细浏览各家官网,可以发现在火箭总体设计上,零壹空间、蓝箭航天、星际荣耀、星河动力都推出了自家研发设计的火箭产品,大小有所差异,体现了各家公司不同的战略定位。目前而言,零壹空间是行业内发射次数最多的一家,先后发射了4款火箭。今年初发射的OS-X6B,据其官方信息,实现了火箭智能飞行和智能控制,并且创新性采用车载发射技术,自主建设地面移动遥测站、测发站等,首次实现民营火箭“五个一”发射,即“一箭一车一站一机一PAD”,用一个火箭,一个发射车,一个地面站、一个无人机,一个PAD就能完成火箭发射任务,实现10分钟内快速发射。还有就是主打智能、机动、快响的灵龙系列运载火箭也在紧锣密鼓的研制当中。

固液之争

在动力系统方面,行业内目前有两种技术路线,固体火箭发动机和液体火箭发动机。据了解,零壹空间深耕固体火箭发动机技术,几年来已经自主研发的鸿鸣系列发动机,形成了高同轴度结构工艺和设计技术、小型高精细化和高装填比装药、超高振动环境适应技术、大型多管自由装填发动机技术等创新成果,已应用于航天科技、科工、兵器等多个军工院所以及多个试验基地。并且4月宣布在西安建设国内最大的民营航天固体发动机研发生产总装基地——“零壹空间动力总部项目”和“陕西商业航天动力推进技术研制基地”。另据业内人士透露,零壹空间采取液体紧密跟随的战略,后续会投身到液体发动机行列。

其余各家,前期都是采取购买成熟的固体发动机的模式,蓝箭航天的首发固体火箭发射失败后,直接放弃该路线,星际荣耀和星河动力成功发射的也都是固体火箭。目前这三家企业都已经转向液体火箭发动机路线,星际荣耀宣传有焦点系列两款液体发动机,蓝箭航天宣传有TQ11和TQ12两款发动机,星河动力宣传有苍穹发动机,每一家都表示自家发动机将会是中国的梅林。但是目前各家都还只是阶段性试验成功,并未真正在火箭上得到验证。液体火箭发动机的研发时间往往需要数年,SpaceX也是经过五年的研发才第一次成功,用在猎鹰9号上的可重复使用的梅林1D,更是2013年才成功在火箭上得到验证。如此看来,可以说各家的液体发动机研发之路还有很长,前路荆棘颇多。

因为发动机的不同,行业内一直都存有“固液之争”,相对应的固体火箭和液体火箭各有优劣。

从发射周期来看,液体火箭准备时间较长,其燃料和氧化剂分子活性强,化学稳定性低,必须低温贮存,发射前要进行转场和多轮测试,要加注推进剂,整个流程走完需要20天左右的准备时间。而固体火箭的发动机推进剂可以预先混合好,可在24小时内完成发射准备,相比液体火箭,准备周期大大缩短。

从储存周期看,液体火箭因其燃料特性,存在易挥发、腐蚀等风险,储存周期短。固体火箭则不像液体燃料一样会挥发,因此可存储数年之久。

再从运载能力看,液体火箭展示了它在这方面的优势。因其发动机燃烧效率很高,能提供强大推动力,运载能力更强,因此液体火箭的运载对象大多在一吨以上,比如通信卫星、载人飞船、空间站等。相比之下,固体火箭运载能力较弱,但对于全球范围内500公斤以下小卫星市场的需求,其运载能力完全足够,具有很大的优势。

正因为固体火箭和液体火箭各自有各自的特点,所以它们二者都有对方无法取代的优势。目前,国际上的主要航天强国都是“固液并存”,部分火箭也采用了“固液混合”的方式。因为只有兼顾,才能满足更多的任务要求。

一枝独秀

在控制系统上,零壹空间一家独秀,其开发出了玄珠和玄鹊两个系列的产品,不但实现了国产化替代,而且其各项性能参数还优于同类产品。不但如此,上图中的发射车也是零壹空间自行研发生产的望舒系列火箭发射车,能实现火箭的安全运输与快速发射。

统一来看,零壹空间在火箭、动力、电子这三大核心系统上都有一定建树,而且火箭总体设计、发射车、无线通信、智能控制、固体发动机这些底层技术上切切实实开发出了市场认可的产品,并用自家产品完成了整个OS-X6B火箭的发射,可说其技术体系是目前几家中最为全面的。

三、结语

各企业虽时常传出技术突破的消息,但最终还是要回归到火箭发射上,星际荣耀年初“双曲线一号”发射失败,暂无发射计划;蓝箭航天曾宣布2020年发射“朱雀二号”,不过一再跳票,2021年六月过半还未见到准确的发射信息;星河动力的“智神星一号”要到2022年底～2023年才尝试首次发射;零壹空间年初成功发射OS-X6B后,也暂无发射计划。可以看到是技术还是规模,各家距离业界标杆SpaceX都还有一段较远的距离,如何迎头赶上,是摆在所有中国的民营火箭公司面前的一道难题。