国外新型商业小型运载火箭成本控制措施简析

'国外新型商业小型运载火箭成本控制措施简析刘立东北京宇航系统工程研宄所AReviewoftheCostEfficiencyMeasuresonInternationalSmallLaunchers一个健全的行业不仅仅能够得到发展或获得创新，同时还能发现市场发展的机会并巧妙利用。在小卫星蓬勃发展的同时，国际上掀起一股商业小型运载火箭的热潮。日前，国外多家小型卫星发射公司就很好地证明了这点。商业航天发射小卫星的需求牵引着小型运载的研制和生产，“快速、机动、灵活、廉价”正成为商业小型运载火箭新的发展趋势，诸如萤火虫空间系统公司(FSS)、英国维珍银河公司(VirginGalactic)、美国火箭实验室公司(RocketLab)等私人航天公司，正是凭借其低成本、快速响应的商业运作模式获得了小卫星发射市场的青睐。外商业小型运载火箭介绍“织女星”小型运载火箭为丫向卫星运营商提供诸多特色服务，迅速占领市场，国外运载火箭研制商均结合自身的技术优势，打造具有明显自身技术特点的低成本商业小火箭。“织女星”运载火箭“织女星”(Vega)运载火箭是欧洲航天局(ESA)从2003年开始启动研制、以意大利固体推进技术为基础、多个欧洲国家参与研制的一种小型运载火箭，0的 是作为阿里安-5(Ariane-5)火箭和“联盟”(Soyuz)火箭的补充，用于发射政府和商用小型有效载荷。“织女星”为小型单体三级固体燃料火箭，外加一个液体推进上面级模块和有效载荷整流罩，全箭最大直径3m、全长30m。0前，“织女星”火箭的运载能力可把质量1450kg的有效载荷发射到400km高的太阳同步轨道，也可把1430kg的有效载荷发射到700km高的极轨道。火箭第一级使用P80固体发动机，第二级和第三级发动机为Zefiro-23和Zefiro-9固体发动机，外加使用常规液体推进剂的上面级模块。“艾普斯龙”运载火箭“艾普斯龙”(Epsilon)运载火箭为口本宇宙航空研宄开发机构(JAXA)研发的固体运载火箭。“艾普斯龙”是日本M-5固体火箭的后继型号，己于2013年成功完成了1次发射。“艾普斯龙”包括两种构型，基本型为三级固体火箭，全长24m、最大直径2.6m，能够将1200kg的有效载荷送入250kmX500km的低地球轨道;扩展型是在基本型的基础上增加了一个小型液体推进系统作为第四级，全长24m、直径2.6m,质量稍大于棊本型火箭，能够将700kg有效载荷送入500km近地圆轨道，或将450kg有效载荷送入500km的太阳同步轨道。“萤火虫”运载火箭“莹火虫”(FireFly)运载火箭由2013年成立的新兴商业航天公司萤火虫空间系统公司开展研制，0前仍处于研制中状态，预计于2018年为美国国家航空航天局(NASA)发射立方体卫星，在2022-2023年达到每年50次的发射频度。“艾普斯龙”运载火箭“萤火虫”为两级液体火箭，前期釆用液氧/煤油作为推进剂，后期将逐渐改为液氧/甲烷发动机。全箭最大直径1.8m、长23.5m，0标太阳同步轨道运载能力为200kg。火箭的一级采用8台气动塞式(Aerospike)喷管的挤压式液氧/甲烷发动机，二级采用1台传统喷管式发动机。其液氧/甲烷储箱使用碳纤维增强复合材料制造，采用自生增压的方式。甲烷和液氧作为其发动机推进剂，这在近地轨道卫星发射器中属于首例。“电子”运载火箭“电子”(Electron)是美国火箭实验室公司研制的新型小型运载火箭，该公司成立于2006年，在新四兰拥有分部。“电子”火箭己经获得行星公司(Planet)、月球快车公司(MoonExpress)等的订单。2017年开展首次商业发射，但由于发射程序错误，首飞失利。第二次发射计划于2018年底开展。“电子”火箭为两级液体运载火箭，使用“卢瑟福”(Rutherford)液氧/煤油发动机，目标500km的太阳同步轨道运载能力为150kg。全箭最大直径为1.2m、长16m。该火箭预计发射成本仅为490万美元，规划在未来实现每年100次发射。 “电子”小型运载火箭采用电池驱动发动机，其发动机制造工艺采用电子束熔炼3D打印技术。“电子”小型运载火箭外商业小型运载火箭成本控制分析注重模块化、通用化设计火箭上产品模块化、通用化已经成为丫一种广泛获得认可的成本控制措施。“萤火虫”火箭的一、二子级发动机虽然分别采用的是气动塞式喷管和钟形喷管,但2台发动机使用的是完全相同的燃烧室，2台发动机除喷管选择外基本相同。选择使用和同的发动机能有效减少研发、测试和制造成本。“米诺陶”(Minotaur)系列运载火箭就使用了大量通用的航电设备和结构，不仅降低了成本而II优化了质量。“织女星”火箭上同样使用了大量的通用化产品，这些产品都可以使用在“阿里安”系列火箭上，例如飞控系统、安全防护系统等。一种新的通用化思路是对液体发动机的通用化。“电子”火箭各级电气系统采用了模块化硬件结构，采用现场可编程门阵列及实时传输系统技术，以增强运载系统适应性。据报道只需对其编程就可以完成不同的功能定制，可以大幅减少硬件改动，缩短生产制造周期。在达到较为理想的响应速度和高可靠性的同时，电气系统质量仅为8.6kg。动力系统采用通用化、模块化的设计理念，火箭共采用10台“卢瑟福”液氧/煤油发动机，其中一级采用的9台“卢瑟福”发动机完全相同，二级采用真空型“卢瑟福”发动机，换装大扩张比喷管，这与采用多发同等状态发动机并联的美国太空探索技术公司(SpaceX)不谋而合:均是利用自身技术优势，将其效能发挥到最大。米诺陶”系列运载火箭“电子”火箭的“卢瑟福”液氧/煤油发动机充分利用成熟火箭部件和技术对于美M轨道科学公司（osc）、欧洲航天局等机构来说，由于拥有过往成熟固体导弹或火箭的技术储备，在研发制造新型运载火箭时可以大量借用成熟固体火箭的部件和技术，在增加可靠性的同时也有效减少丫研发和制造成本。 “艾普斯龙”运载火箭同样大量使用丫过往口本宇宙航空研究开发机构的成熟部件和技术。“艾普斯龙”火箭一子级采用的是H-2A火箭的固体助推器，二、三子级则由退役的M-5火箭改进获得。“织女星”火箭的一子级P80固体发动机由阿里安-5的固体助推器改进获得，而针对P80的后续技术发展将会反过来应用于“阿里安”系列后续火箭的固体助推器。通过将“织女星”项0与“阿里安”系列火箭的结合发展，欧洲航天局可以在逐步推进新技术研制的同时降低整体研发成本。釆用新材料、新技术减少发射成本“艾普斯龙”火箭在发射控制方面进行了多项创新，具有高度智能的自主检测系统及发射控制系统。箭上计算机可在发射前对火箭上各系统的状态进行自主监控、故障诊断，并实施故障隔离及恢复，甚至包括箭上点火系统的检查。在发射控制过程中，仅需耍配备便携式电脑的少量操作人员，通过互联网在世界的任何地方检查和控制火箭发射，未来将有可能实现发射场不再需要发射控制系统。随着计算机和电子技术的发展，电子产品在逐渐往小型化发展，计算机系统也在向简易化、智能化发展，因此优化电子系统也是一个重要的新技术采用方向。“电子”火箭采用丫基于通用硬件的分布式计算架构，计算模块分布在每级箭体上。计算节点采用了当前最高水平的现场可编程门阵列架构，允许在保证硬件通用性的基础上，实现海量的功能定制。经过优化，“电子”火箭上的航电系统总质量仅8.6kg，在降低火箭总质量的同时节约了研发时间与成木，从而实现了高频率与低成本发射的目的。“电子”火箭的“卢瑟福”发动机则采用丫新的动力模式。利用新型锂电池驱动的无刷直流电机来驱动泵。使用电泵让发动机结构更为简洁，为发动机哲去了许多管路和阀门，有效减轻了发动机的总质量。新型锂电池的能量密度更高，加上电泵的能量利用效率可以高达95%，与传统泵相比使用电泵有效减少了所需燃料的质量。除此之外，“电子”火箭所使用的“卢瑟福”发动机，其主要部件均采用3D打印制造而成，每台发动机的再生冷却燃烧室、喷注器、泵和主推进剂阀门等最快可在24h内完成打印，便于发动机低成本、快速和批量制造，相比传统工艺减少了制造成本。根据美国火箭实验室公司的估算，“卢瑟福”发动机为“电子”火箭降低成本做出了最大贡献。“电子”小型运载火箭的单台发动机新材料使用的一个典型例子是新型碳复合材料。通过采用复合材料代替金属材料可以有效减轻火箭的结构质量，提升有效载荷的运载能力，降低每千克载荷的发射成本。“织女星”火箭的一级发动机壳体采用IM7碳纤维材料，这也是目前试验过的最大的整体式高质量比、高性能碳纤维材料壳体;其二、三级火箭发动机壳体则采用T1000G与UF3325树脂的复合材料。2种小型液体运载火箭则采用全碳复合材料作为结构材料，其屮美国火箭实验室公司已经投入丫大量精力研 宄将碳复合材料应用于液氧贮箱制造上。“电子”火箭整流罩采用碳纤维复合材料，总质量只有30kg。新技术、新材料的大胆使用带来了实实在在的效益。高度智能的自主检测系统及发射控制系统的利用，提升了火箭的快速响应能力，大大缩短了火箭射前准备时间;碳纤维整流罩的使用提高/运载效率;3D打印的规模化应用以及简化测发控流程等，显著降低了发射成本。3国外商业小型运载火箭的启发小卫星发射商业化运营是大势所趋针对小卫星发射市场，商业模式日趋灵活，从欧美0前的市场分析看，商业小卫星发射已成为不可逆转的长期趋势。商业小卫星发射业务在产品、投资、服务和生产制造等方而与传统航天发展思路不同，快速响应、用户需求和以低廉价格赢得市场是小型运载商业航天快速崛起的根本。正如，萤火虫空间系统公司、美国火箭实验室公司等正是凭借其低成木发射获得了小卫星发射航天市场的青睞。但是，航天一直都是高技术、高投入、高风险的事业。伴随着巨人成就的取得，其风险问题也口益凸显。如何把握商业航天低成本、快速响应与传统航天高质量、高可靠性之间的平衡点，成为了当前小卫星发射商业化服务面临的重耍问题。但是无论如何，商业航天己成为不可逆转的长期趋势。强化管理降低成本是关键之举低成本是新一代的商业小型运载公司低价战略得以实施的关键因素，其在成本控制方面的优势主要体现在4个方面。(1)扁平化的组织结构例如萤火虫空间系统公司，只有极少数中间管理层，在总裁罗伯特•海因莱茵(RobertHeinlein)和底层员工之间绝不会超过两级，领导层和员工可以毫无降阻地交流，他和所有的员工一样在格子间工作。这种管理模式极人地激发了公司内部沟通和运行效率，同时也减少了庞大的中间层级人员的开支。(2)一站式生产商业小型运载公司走的是“转包+总装”之路。拿到订单后，发射公司将组件订单分发到组件生产商，组件交付后由发射公司进行总装集成。这一模式避免了由于单一供应商所导致的木桶效应，并加强了公司在质量、成本和计划调度管理等多方面的竞争力0(3)简约化设计设计简约化是众多信息技术公司近年来的发展趋势，商业小运载公司也将这一理念植入到小型运载火箭中，极力主张产品线的简约以及部件的可重用和模块化。例如，“萤火虫”小型运载火箭的二级贮箱在结构上是一级贮箱的缩短版，釆用相同的工具、材料以及加工技术;模块化设计使得生产周期大大缩短，并提高了材料和部件使用效率。 (4)装备现代化得益于企业小型化、年轻化的优势，小卫星发射公司，如美国火箭实验室公司的小型运载火箭，从建立之初就走上了现代化先进制造之路，从CAD设计到数字化生产管理再到3D打印，一系列现代技术和工具使这些商业公司能够以最少的成木制造出质量有保证的产品。与那些发射界的老大哥们不同，这些新晋公司员工不用对付或者维护旧软件、旧设计标准，也不用为了迁移到新系统而费钱费力,再一次体现丫年轻企业的活力。商业小运载政策开放増强市场竞争与活力在商业小卫星发射市场上，美WW家航空航天局、欧洲航天局在政策上支持私营企业的发展，旨在培育一个竞争的市场，使其稳固商业航天市场的领先地位，并最终实现整个航天工业的繁荣发展。在“简单、低成本和高可靠”的经营理念下，小卫星进入低轨道的费用、研制费用和研制时间也大幅降低。国家和政府从原来的服务提供方变成了服务的直接购买方，与私营企业的合作完全按照商业化的模式运行。这种商业竞争模式有力地促进了资源的最佳配罝和商业航天工作的转型发展。虽然这些私营小型卫星发射公司羽翼尚未丰满，但它们的发展拉近了航天工业与社会的距离，其创新的管理模式和技术模式使得这个市场更加具有活力和竞争力。4结语“天下大势，分久必合，合久必分”。运载火箭的技术发展也经历了由小到大再由大到小的变革，放眼国际发射服务市场，何止三足鼎立!在这样一个群雄争斗、新贵并起的时代，如何在变化屮谋求发展，在发展屮寻找机会，是每一个有责任、有理想、有信念的航天人都应该时刻拷问自己的命题。在国家实施各项改革措施、经济更加开放的大格局、大环境下，我们更应该积极主动跳出体制之囿,拥抱自由市场，用市场的力量锤炼出扎实的技术体系和健全的组织架构。利剑在手，逐鹿中原，一代代航天人几十年孜孜不倦拼搏积累下来的扎实技术基础和丰富开发经验，必能支撑着我们在国际运载服务的舞台上摘下最亮的一颗星。发展小型运载火箭技术和能力，符合当下商业发射技术发展的潮流，是我们朝着商业化道路迈出一小步，却也是从中国真正走向世界的一大步。这一刻，我们的肩头，机遇与挑战并存，使命与责任并重。'