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    航天小型运载火箭——发射的明日之星
    张小敏 许玥凡 张世其
    https://www.www.jmdth.com2018-04-20来源:解放军报
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      小型运载火箭是指近地轨道运载能力在1000公斤以内的运载火箭,具有发射成本低、反应速度快、适应能力强等特点。相比传统运载火箭,小型运载火箭发射准备时间明显缩短,不仅提升了发射效率,也有利于把握航天发射的先机。近年来,随着小卫星技术、火箭设计、复合材料、电子技术以及固体推进技术的快速发展,小型运载火箭受到各国青睐,逐步走到航天发射的舞台中央。

      卫星小型化大行其道

      如今,运载火箭大家族正进行更新换代。围绕低成本、快速反应这一发射需求,美国、俄罗斯、欧洲、日本等航天俱乐部成员纷纷推出自己的新一代运载火箭计划,并迅速将小型运载火箭推上了航天发射的大舞台。

      在这一领域,美国投入了巨大精力,其研制的“飞马座”“金牛座”等小型运载火箭早已投入使用。这些小型运载火箭已实现移动发射,操作简单,发射迅速。全套发射装置经铁路和飞机运输后,5天内就可完成各级火箭的组装和检测,进入倒计时后只需72小时就可完成发射,整个发射过程大约只需20人进行操作。

      进入新世纪以来,美国更是嗅到了小型运载火箭的巨大价值。2007年5月,美国国防部成立了快速响应空间办公室,旨在进一步强化美国的空间作战力量。在快速响应空间办公室的支持下,桑迪亚国家实验室提出“固体小型火箭方案”。2015年11月,该火箭曾携带十余颗立方体卫星进行首飞,虽然发射升空1分钟后爆炸,却掀起了小型运载火箭的研究热潮。目前,美国从事小型运载火箭研制设计的商业公司接近20家,有些已完成设计生产,即将开展试验。美国ARCA航天公司推出的Haas 2C火箭燃烧室和喷管全部采用复合材料,推力可达220千牛。向量空间系统公司研制的小型运载火箭,结构质量甚至只有685公斤。

      在小型运载火箭的竞技场上,其他航天俱乐部成员也不甘示弱。欧洲航天局从2003年就开始研制“织女星”号小型运载火箭,可实现1500公斤有效载荷700公里高度轨道的发射,也可单次发射从300公斤到2000公斤不同载荷的卫星。被称为“世界上最小运载火箭”的日本SS-520火箭全长仅9.54米,只有电线杆那么粗,是日本自主研发的三段式小型火箭。此外,俄罗斯也计划于2020年实现新型小型运载火箭“联盟”号2LK的首飞。

      个头虽小却是“短跑健将”

      别看小型运载火箭“个子小”,但绝对是个“短跑健将”。一般的大中型运载火箭发射准备时间动辄数月,小型运载火箭却是用天乃至小时来度量。由美国和新西兰联合研制的小型运载火箭,可实现每隔72小时进行 1 次航天发射的超高频率,堪称航天快速发射的“速射炮”。这么短的发射准备时间,意味着一旦遭遇突发事件,小型运载火箭可快速将侦察、通信等卫星发射升空,实现空间部署,及时获取相关信息,战略意义不言而喻。

      此外,小型运载火箭的发射升空方式可谓“多姿多彩”。除可像“老字号”运载火箭一样从地面及海上发射外,小型运载火箭还可直接开启空中发射模式,堪称航天发射领域的一大创举。美国自上个世纪50年代开始进行空中发射火箭的试验,世界上第一种实现空中发射的“飞马座”小型运载火箭就是搭载了B-52轰炸机上天的。

      进入新世纪以来,各航天俱乐部成员的新一代运载火箭都摆脱了以弹道导弹为基础衍生的复杂设计方案,从设计之初就开始考虑组合化、??榛屯ㄓ没?。通过不同的??榇钆渥楹?,实现覆盖更宽广的发射运力范围,进而满足主流航天发射的需求。小型运载火箭堪称??榛杓频摹跋刃芯?,美国轨际系统公司研制的“海王星”小型运载火箭通过捆绑不同数量的通用???,就可实现不同的运载能力。

      同时,为进一步降低航天发射成本,小型运载火箭也将“省钱模式”发挥到了极致。俄罗斯研制的“安尼娃”小型运载火箭就采取了重复使用的设计方案。日本SS-520运载火箭采用了用于家电的集成电路和线缆等民用零件,大大降低了总体成本,发射一次的相关费用只有现役H-2A火箭的二十分之一。

      新兴航天发射的“敲门砖”

      其实,小型运载火箭的研制并不复杂,尤其是火箭的发动机和结构规模要小很多,在制造、试验等方面更容易实现。美国、欧洲等工业基础相对较好的国家和地区早已掀起研制小型运载火箭的热潮。商业公司开展小型运载火箭研制的共同特点就是完全掌握发动机、结构、控制系统等核心技术,自建试验和制造设施,以便最大程度降低研制和生产成本,在新兴航天发射的激烈市场竞争中牢牢掌握主动权。

      新概念技术的大量涌入也将大大降低小型运载火箭的发射成本。美国Bagaveev公司研制的小型运载火箭一大特点就是采用了3D打印的发动机,小型运载火箭的许多重要零件都采用3D 打印,不仅能提高火箭的制造效率,也可大幅降低出现故障的概率,缩短了火箭发射的检测时间。

      当然,小型运载火箭在军事领域的应用前景不容小觑。小型运载火箭机动灵活、反应速度快,一旦在军事上遭遇突发事件,任务卫星的损失补充和应急发射等都需要小型运载火箭出来“大显身手”。海湾战争爆发后,美军就应急发射过两颗近地轨道小型通信卫星,确保了战时美军战场通信能力的畅通。

      此外,小型运载火箭的大量新技术还可用于开展高超音速武器的飞行试验。未来战争的通信、导航、侦察等都需要大量卫星组成天基辅助作战网络,卫星网络的任何一个环节出现缺失都会对打赢战争产生巨大威胁。美国曾提出过“卫星即插即用”概念,对于及时响应型卫星和一系列低成本快速发射型火箭的需求尤为迫切。从这个意义上讲,可快速发射、重复利用的小型运载火箭,有望成为未来战争的“明星”武器。

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