瞄准可重复使用的中子号火箭

文/李晨风

▲ 中子号火箭想象图

作为航天发射的后起之秀，火箭实验室公司也瞄准了可重复使用火箭研发。

2021年12月2日，商业空间公司火箭实验室首次公开了新一代可重复使用火箭的详细结构，这种火箭绰号“中子号”，计划于2024年发射。根据该公司的说法，中子号火箭就是为了超大规模星座发射而研制的。

大块头“中子号”

中子号火箭在很大程度上是在电子号火箭基础上研制出来的。电子号火箭自从2017年首次亮相以来，已经成为业界新星了。电子号火箭的特点是采用两级发动机，用轻质碳复合材料构成壳体，它的燃料泵独树一帜，采用锂电池驱动电动机，向发动机提供液氧煤油。电子号火箭迄今为止已经发射22次，入轨卫星107颗。

公司老板贝克是个有野心的人，很早就明确表示，自己也要进军可重复使用火箭技术。在2020年的夏秋两季，火箭实验室开始通过直升机和绳网，尝试着回收电子号火箭的第一级，进行可重复使用性试验。在这个基础上，火箭实验室开始研发一种可重复使用的火箭，它同样采用碳纤维壳体，但是更大、更复杂。2021年3月1日，贝克初步向业界公布了中子号火箭的参数，这可不是电子号那种小火箭了，而是一种运载能力达到8吨的大型火箭。

当时，贝克介绍说，中子号火箭长度达到40米，采用两级，都可以重复使用。除了可以携带8000千克载荷到达近地轨道（LEO），其还能把1500千克载荷送到去往火星或金星的轨道。

火箭细节

2021年12月2日，贝克提供了火箭的最新细节，包括气动外形、发动机、壳体和一些非传统的设计特征。其中包括：

新型的“阿基米德”火箭发动机，具有高可靠性和重复使用能力。

独特的四瓣式整流罩设计，贝克叫它“饥饿河马”，可以实现一级火箭和整流罩的重复使用，无需翻新。

碳复合材料结构，使“中子号”成为世界上第一个碳复合材料大型运载火箭通过反推减速返回发射场。

火箭实验室公司还表示，8吨仅仅是中子号火箭的标准载荷，通过扩展设计，能够把这个数字提高到15吨。贝克还表示：“‘中子号’不是传统的火箭。它是一种新型的运载火箭，在设计的一开始，就考虑了可靠性、可重复使用性和成本降低。‘中子号’结合了过去的最佳创新，并将其与尖端技术和材料结合起来。未来10年将发射的卫星中，预计有80%以上将是星座，星座具有独特的部署需求，‘中子号’是第一个专门解决这一需求的运载器。正如我们对电子号火箭所做的那样，我们没有从传统的火箭设计开始，而是专注于客户的需求，火箭的尺寸适合市场需求，能够快速、频繁、经济地发射。”

新型壳体和发动机

如前所述，火箭实验室公司在全球率先将碳复合材料用于火箭的壳体。“中子号”第一级也将采用碳复合材料壳体，但它是由一种新的、特殊配方的碳复合材料制成的，重量轻、强度高、坚固耐用，足以承受反复太空飞行和再入造成的高温和压力。

“中子号”的碳复合材料结构将使用自动纤维铺设系统制造，据说可以在几分钟内建造数米长的碳火箭壳体。这将实现快速制造和可重复使用性，使“中子号”成为世界上第一个大型碳复合材料可重复使用运载火箭。

“阿基米德”是一种可重复使用的液氧（LOX）和甲烷气体发生器循环发动机，可产生1兆牛顿的推力和320秒的比冲。与传统火箭发动机相比，“阿基米德”发动机设计不那么复杂，所需要实现的推力也更小。这样，发动机开发起来更容易，生产过程也更加经济高效、速度更快。

“中子号”火箭第一级打算采用七台“阿基米德”发动机，第二级采用一台真空优化的“阿基米德”。

▲ 火箭实验室公司用降落伞回收电子号火箭第一级

▲ 电子号火箭与中子号火箭的对比

▲ 贝克展示中子号火箭的整流罩结构

新概念的二级火箭与整流罩

通常，整流罩由安装在第二级助推器顶部的两个锥形半体组成，在发射过程中密闭起来，保护有效载荷。一旦一级和二级火箭分离，达到展开高度，就要抛掉整流罩，让有效载荷暴露出来，整流罩则坠入大气层烧毁。

太空探索技术公司对整流罩回收做了一定的努力。但是，在海上“捕获”整流罩难度极大。这家公司的两艘回收船只能实现不到20%的回收成功率。所以到2021年底，太空探索技术公司宣布完全放弃这个想法，改为从海里打捞。

相比之下，“中子号”采用了一种花瓣式展开和收拢的新设计，就是所谓“饥饿河马”，整流罩连接在火箭第一级上，第二级和载荷完全包裹在整流罩当中。当一级火箭到达指定高度，整流罩不会脱落，而是展开。第二级和有效载荷从整流罩中飞出，然后整流罩关闭，与第一级一起返回着陆。着陆后，集成新的二级火箭和载荷重新发射。

火箭实验室目前正在使用由碳复合材料制成的一次性第二级设计，长度为6米，使用单台真空优化“阿基米德”发动机。这使第二级免于在发射和再入过程中经历的许多极端条件，这意味着它们可以变得更轻、更便宜。

这种设计消除了在海上捕获整流罩的困难方法，在提高发射频率和灵活性的同时，全面降低了成本。

▲ 中子号火箭释放第二级的想象图

▲ 中子号火箭释放第二级的想象图

发射和着陆

“电子号”的第一级回收多少有点试验性质，但“中子号”的整个设计和开发过程都是定制化的，以确保可重复使用。首先，“中子号”并不是传统的细长圆柱体，而是锥形的，底部更宽，为着陆提供了一个稳定的平台，因此也不需要复杂的着陆系统或支腿。

这种平衡的结构意味着，在发射前和发射过程中，“中子号”可以安全地用支腿站立住。返回时，火箭通过反推方式返回发射场，受控着陆。这样就不需要昂贵的基础设施，如舷梯、发射塔和海洋着陆平台，也不需要把火箭运输回发射场。

最近几年，火箭实验室公司已经在弗吉尼亚海岸的美国宇航局沃洛普斯基地建设新的发射场，火箭实验室希望在2024年在这里进行“中子号”首次发射。至于在哪里生产火箭本体和“阿基米德”发动机，还没有选定。