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導(dǎo)語：2024年1月11日，東方空間公司研制的“引力一號(hào)”遙一運(yùn)載火箭從“東方航天港”號(hào)發(fā)射船上發(fā)射。姿軌控系統(tǒng)完成末修后，“廊坊空間一號(hào)”“三峽遙感一號(hào)”“聯(lián)信盈達(dá)一號(hào)”三顆云遙一號(hào)氣象空間遙感衛(wèi)星進(jìn)入軌道�！耙σ惶�(hào)”運(yùn)載火箭是國(guó)內(nèi)運(yùn)載能力最大的民商運(yùn)載火箭和世界上最大的固體運(yùn)載火箭。

一、跟其他固體運(yùn)載火箭不一樣的外觀

“引力一號(hào)”運(yùn)載火箭的外觀很有特點(diǎn)，不同于世界上絕大部分的固體運(yùn)載火箭只有一個(gè)光桿，該運(yùn)載火箭采用了相同直徑的助推器和一級(jí)捆綁設(shè)計(jì)，導(dǎo)致火箭整體比例相比M-V，谷神星一號(hào)，Vega等細(xì)長(zhǎng)的火箭看起來不那么協(xié)調(diào)。甚至被戲稱為“你剛玩KSP的時(shí)候會(huì)捏出來的火箭”。

但這絕對(duì)不是一拍腦袋想出來的構(gòu)型。引力一號(hào)采用這種設(shè)計(jì)是體現(xiàn)了對(duì)海上發(fā)射的優(yōu)化。2.65m固體火箭做到600噸推力在原理上沒有任何問題。但這會(huì)帶來多個(gè)問題，第一就是讓火箭高度直接翻倍。想實(shí)現(xiàn)這么長(zhǎng)的一級(jí)，必須使用分段澆筑固體火箭技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)。增加了技術(shù)難度和投入，并且分段式固體火箭帶來了額外的風(fēng)險(xiǎn)。

第二，由于“引力一號(hào)”并未在審核管理較為嚴(yán)格的內(nèi)陸基地發(fā)射，而是選擇了審批較為寬松的海陽進(jìn)行海上發(fā)射，這就需要面對(duì)搖晃不定的海面了。如果做一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的固體火箭，那么對(duì)海面波高的要求會(huì)很高，不然火箭在不大的浪下就會(huì)產(chǎn)生極大的橫搖。如果這個(gè)值過大有可能超出遙測(cè)和控制系統(tǒng)的測(cè)量能力，導(dǎo)致火箭出現(xiàn)起飛后橫飛等一系列毀滅性結(jié)果。

第三，雖然2.65米直徑固體理論上可以做到600噸推力，但由于它的直徑過小，一方面導(dǎo)致工作時(shí)間不足，另一方面大燃?xì)饬髁繒?huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)喉部尺寸會(huì)很大，因此噴管的擴(kuò)張比不會(huì)很大，火箭性能也會(huì)受到影響，而更大直徑的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在火箭研發(fā)的時(shí)候并未出現(xiàn)，且價(jià)格會(huì)更高。因此“引力一號(hào)”火箭最終使用了更為合理且可靠的助推捆綁+芯級(jí)高空點(diǎn)火方案。

“引力一號(hào)”運(yùn)載火箭采用偽四級(jí)固體方案，其固體助推器，芯一級(jí)和芯二級(jí)采用2.65m直徑碳纖維纏繞復(fù)合材料（CFRP）殼體，裝填被稱為“中能推進(jìn)劑”的，采用端羥基聚丁二烯（HTPB）作為粘合劑的固體推進(jìn)劑。這種推進(jìn)劑的海平面比沖可以達(dá)到255秒以上，真空比沖290秒以上。三級(jí)采用碳纖維纏繞復(fù)合材料殼體的高精度高空固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，搭配由東方空間自研的雙組元姿軌控系統(tǒng)。姿軌控發(fā)動(dòng)機(jī)采用一甲基肼-綠色四氧化二氮組合。在發(fā)射期間，海陽海上溫度達(dá)到零下5℃，考慮到低溫會(huì)對(duì)固體燃料產(chǎn)生影響，可能損害其力學(xué)特性等，“引力一號(hào)”被厚厚的保溫層所覆蓋，以免重蹈STS-51-L任務(wù)的悲劇。保溫層在發(fā)射前6小時(shí)被取下。

“引力一號(hào)”運(yùn)載火箭的助推器、一級(jí)和二級(jí)火箭均配備有推力矢量裝置（TVC）以控制固體火箭擺動(dòng)，驅(qū)動(dòng)火箭進(jìn)行偏航、俯仰和滾轉(zhuǎn)三個(gè)通道上的控制�！耙σ惶�(hào)”采用25kW超大功率電動(dòng)伺服以驅(qū)動(dòng)搖擺噴管，這項(xiàng)技術(shù)也在長(zhǎng)征六號(hào)甲運(yùn)載火箭助推器FG-112上用過，對(duì)標(biāo)歐洲“阿麗亞娜6”火箭的P-120C固體火箭助推器。早期固體運(yùn)載火箭，如Thiokol公司為Titan-3運(yùn)載火箭配備SRM采用噴射高氯酸鍶，高氯酸銨溶液等進(jìn)行推力方向控制。長(zhǎng)征11號(hào)運(yùn)載火箭通過使用一個(gè)小的APU產(chǎn)生燃?xì)夤┙oTVC，這兩者都存在著效率較低和可用工質(zhì)有限的缺點(diǎn)。而電伺服是更先進(jìn)的技術(shù)，擁有價(jià)格低廉和響應(yīng)速度快，行程長(zhǎng)的特點(diǎn)，但驅(qū)動(dòng)力較小，因此在國(guó)內(nèi)大型運(yùn)載火箭上的使用有限�！耙σ惶�(hào)”的成功發(fā)射將極大的拓寬電伺服的應(yīng)用邊界，為其在以后更大的固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SC150）和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上使用鋪平了道路。

“引力一號(hào)”采用固體捆綁火箭也會(huì)遇到一些問題，一個(gè)顯著的問題在于，由于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃速和燃面并不恒定，導(dǎo)致固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力相比液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，會(huì)產(chǎn)生一定變化。而固體助推器裝藥的不均勻性會(huì)導(dǎo)致四根助推器產(chǎn)生的推力會(huì)存在略微變化。因此火箭需要針對(duì)這一項(xiàng)誤差進(jìn)行修正。這種技術(shù)最早用在“長(zhǎng)征六號(hào)A”上，但“引力一號(hào)”完全依靠固體助推器提供控制力，因此對(duì)固體助推器控制的精度需求更大。通過采取大量模擬，優(yōu)化軟件邏輯，提升固體火箭助推器內(nèi)彈道一致性，并且提前點(diǎn)燃第一級(jí)火箭以在助推器推力下降的時(shí)候獲得足夠的控制力等手段，東方空間已經(jīng)成功克服了困難，實(shí)現(xiàn)了火箭首飛圓滿成功。

“引力一號(hào)”火箭起飛質(zhì)量為405噸，近地軌道運(yùn)載能力6.5噸，500km太陽同步軌道運(yùn)載能力4.2噸，700km太陽同步軌道運(yùn)載能力3.7噸，未來換裝液體末級(jí)的引力一號(hào)甲運(yùn)載火箭500km太陽同步軌道運(yùn)載能力計(jì)劃為5.9噸。這個(gè)數(shù)字遠(yuǎn)大于目前“織女星C”的2.5噸，但其首飛考慮到可靠性原因，火箭并未完全向運(yùn)載能力方面優(yōu)化，而是增添了冗余，最終首飛載荷為3噸。

二、全球最大的固體運(yùn)載火箭

作為世界上最大的固體運(yùn)載火箭，它并不同于之前民營(yíng)航天初創(chuàng)研發(fā)大多選擇的200-300kg級(jí)小型運(yùn)載火箭，或是和1噸級(jí)區(qū)間的“快舟11”，“捷龍三號(hào)”“中科一號(hào)甲”固體火箭競(jìng)爭(zhēng)，而是選擇直接和“朱雀二號(hào)”，“智神星一號(hào)”等4-6噸級(jí)運(yùn)載能力的中型液體運(yùn)載火箭同臺(tái)競(jìng)技，甚至運(yùn)載能力還要高一點(diǎn)，這也是不同尋常的。

“引力一號(hào)”的研發(fā)和首飛晚于目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在的小型固體運(yùn)載火箭，而國(guó)內(nèi)在這個(gè)運(yùn)力區(qū)間市場(chǎng)下的競(jìng)爭(zhēng)十分激烈，東方空間如果在第一款運(yùn)載火箭上采用小型火箭方案，競(jìng)爭(zhēng)過“谷神星一號(hào)”等成熟高性能固體運(yùn)載火箭想必是不太容易的。

而固體運(yùn)載火箭擁有研發(fā)周期短、研發(fā)成本低、場(chǎng)區(qū)周期短的特點(diǎn)，再加上東方空間從四院獲得了2.65米直徑固體運(yùn)載火箭技術(shù)，再加上目前跟他運(yùn)力范圍重疊的“朱雀2”仍然處在痛苦的變革階段，“智神星一號(hào)”因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)可靠性原因持續(xù)推遲，反而讓固體的“引力一號(hào)”后來居上，瞄準(zhǔn)目前正在推進(jìn)的一系列中小型衛(wèi)星星座研制。由于目前國(guó)內(nèi)運(yùn)力不足，運(yùn)載能力形成的早，就能早撈訂單，因此采用固體大型火箭方案反而是在市場(chǎng)環(huán)境下的一種智慧�！耙σ惶�(hào)”從提出到發(fā)射只過了三年。東方空間表示，目前該火箭已經(jīng)接到包括長(zhǎng)光衛(wèi)星在內(nèi)的大量訂單，數(shù)量和質(zhì)量均居于國(guó)內(nèi)民營(yíng)首位。該火箭目前計(jì)劃在2024年第三季度和第四季度再各發(fā)射一次。

一系列中大型低軌道互聯(lián)網(wǎng)/通導(dǎo)/遙感星座的提出對(duì)目前民營(yíng)航天運(yùn)載火箭的性能產(chǎn)生了較高的需求，如星網(wǎng)工程和G60“滬聯(lián)網(wǎng)”。而大批量發(fā)射這種衛(wèi)星的話，目前3.35m級(jí)別的中型運(yùn)載火箭并不夠看，需要更大的低成本10-20噸級(jí)運(yùn)力的運(yùn)載火箭，如“朱雀3”“天龍3”等，但這些火箭首飛都要到2024-2025年以后。事實(shí)上一款中高性能液體運(yùn)載火箭的研發(fā)需要至少2-3年的時(shí)間和較大的資金投入。入局較晚的公司必須形成一種快速產(chǎn)生較大運(yùn)力的方案。因此東方空間借助“引力一號(hào)”運(yùn)載火箭較大的運(yùn)載能力仍然可以奪得先機(jī)，提前開始批量化發(fā)射。為此“引力一號(hào)”配置了4200mm大直徑整流罩，以適合低軌道星座的堆疊或者側(cè)掛發(fā)射方案，也可以發(fā)射中小型的貨運(yùn)飛船或商業(yè)衛(wèi)星拼車發(fā)射等載荷。

但是我們?nèi)匀恍枰靼�，固體運(yùn)載火箭受制于燃料成本和較高價(jià)值的殼體等限制，單位成本一般不會(huì)低于7萬人民幣每公斤（得益于規(guī)模較大，“引力一號(hào)”運(yùn)載火箭的單位成本低于5萬人民幣），而液體運(yùn)載火箭可以達(dá)到更低的價(jià)格。先進(jìn)高性能重復(fù)使用液體火箭更能大幅度降低發(fā)射成本，是實(shí)現(xiàn)大型星座建設(shè)必不可少的項(xiàng)目。東方空間也在推進(jìn)屬于自己的大型液體運(yùn)載火箭“引力2號(hào)”的研制，該運(yùn)載火箭使用的“原力-85”液氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)在2023年底實(shí)現(xiàn)了半系統(tǒng)試車（即燃?xì)獍l(fā)生器-渦輪泵聯(lián)合試驗(yàn)）。為攻克重復(fù)使用的技術(shù)難點(diǎn)，東方空間計(jì)劃在1年內(nèi)實(shí)現(xiàn)垂直起降演示任務(wù)。目前該公司已經(jīng)宣布攻克了先進(jìn)箭上計(jì)算機(jī)，凸優(yōu)化算法等，計(jì)劃在2025年首飛“引力2號(hào)”大型液體運(yùn)載火箭。東方空間CEO表示該火箭單位成本能夠接近一次性“獵鷹9”。

結(jié)語：另外，此次發(fā)射使用的“東方航天港”號(hào)發(fā)射船是國(guó)內(nèi)首條專用發(fā)射船。該船排水量22000噸，采用全電推進(jìn)并且配備自動(dòng)定位維持系統(tǒng)，可以在海浪沖擊的情況下依靠船體側(cè)面的螺旋槳推進(jìn)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定。但自動(dòng)定位系統(tǒng)并未在本次發(fā)射中使用，而是采用了四個(gè)錨分別固定船的四角。“東方航天港”號(hào)還能執(zhí)行遠(yuǎn)海發(fā)射，并且實(shí)現(xiàn)液體運(yùn)載火箭的發(fā)射和回收。在閑暇時(shí)刻還能充當(dāng)運(yùn)輸船進(jìn)行大件貨物運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)了一船多用。