給火箭減負，用氣球帶火箭臨空發射？

作者：黃宛寧（中國科學院光電研究院）

2018年初，航天圈子不乏大新聞，重中之重就是spaceX的重型獵鷹，相比之下，日本JAXA用當今最小火箭發射微小型衛星的消息有些微不足道，不過看到火箭的總重只有2.6噸，筆者萌生了一個不成熟的想法。

「電線杆」火箭

2018年2月3日，日本航天局證實，一枚最初設計用於在高空亞軌道上搭載科學儀器的改進型探空火箭SS-520-5，於星期六從日本南部的Uchinoura航天中心發射升空，順利進入軌道 。該火箭僅有9.5米高，直徑約52厘米，總重量2.6噸 ，被戲稱為「電線杆」火箭，如今成為有史以來能將一個物體放入地球軌道的最小火箭。

「電線杆」火箭蓄勢待發

SS-520-5火箭頂部安裝了一個鞋盒般大小的立方星，名為TRICOM 1R，重約10磅（3公斤）。小衛星的日文昵稱叫「窗扇」。由東京大學研發的TRICOM 1R CubeSat攜帶了存儲和轉發的通信無線電和地球成像的攝像機。

綽號「窗扇」的小衛星

載有TRICOM 1R載荷的SS-520-5型火箭從Uchinoura經太平洋向東升空

作為實驗性試飛，2月3日的發射是該火箭的第二次試射。2017年1月14日，SS-520-4型火箭曾進行過一次發射，但載荷並未成功進入軌道，地面隊在發射後20秒左右便與它失去了聯繫，當時助推器的第一級仍在運行。調查人員初步鑒定該問題源於火箭的遙測和指揮系統中的電源故障，這可能是由於短路的電線造成的。

SS-520-5助推器是基於日本的SS-520探空火箭，由IHI航空公司和JAXA空間和宇宙科學研究所研製的兩級飛行器，它曾於1998和2000年先後兩次在挪威的Uchinoura和Svalbard完成亞軌道飛行任務。

SS-520探空火箭的最初設計目的是在墜入地球前的幾分鐘內，將超過140公斤的科學研究儀器推送到接近800公里的高度，這是一個典型的亞軌道火箭的飛行任務。工程師在SS-520助推器的基礎上又增加了第三級，使其能夠超過7.9km/s的軌道速度。

根據JAXA文件，SS-520-5在發射時重約2.6噸，其中約2.2噸由預裝固體推進劑組成。SS-520-5的第一級裝有尾翼，載有近1587公斤的HTPB固體燃料。它還設計了一種氣態氮氣推進器組件，用以在發射器的第一和第二灼燒階段之間的一分半鐘的間隔內保持SS-520-5火箭的正確指向。第二和第三階段分別消耗了325公斤和78公斤的推進劑。

SS-520-5發射的目標 是讓TRICOM 1R號衛星運行在近地點180公里、遠地點1500公里、傾角31度的橢圓軌道，它將在運行1～3個月後再入大氣層並被燒毀。

SS-520三級型火箭由JAXA在佳能電子和石川島播磨重工公司航空宇宙事業本部的幫助下建造，通過採用手機等消費品所用部件來壓縮成本。

微納衛星發射市場

全世界有多家公司也在發展相似的小型衛星發射火箭，其中一個已經成功地將有效載荷送入軌道。

美國私企Rocketlab的「電子」火箭是一個能夠在500公里（衛星載荷150千克）高度的圓形太陽同步軌道上運轉的火箭，並於2018年1月份首次成功地飛行。

「電子」火箭轉場

就在1月21日，火箭實驗室公司的「電子」小型火箭從紐西蘭北島瑪希亞半島歐尼努伊站的1號發射平台的第二次試射取得成功，並為行星公司和Spire公司發射了3顆立方星——「鴿子先驅者」（Dove Pioneer/ Dove 0F1C）和「狐猿2（72～73）」（Lemur-2 72、Lemur-2 73），它的500km太陽同步軌道的載重能力是150公斤，成本500萬美元，所以每公斤成本3.3萬美元。

「電線杆」火箭的研發成本360萬美元，則每公斤約120萬美元。當然「電線杆」火箭我們可以看作是日本科學家對機動靈活發放微小衛星的一次嘗試，所用的技術並不是非常的先進，既然「電線杆」火箭的性價比並不高，我們有沒有什麼辦法大幅度提高一下性價比呢？

其實主要問題就是有效載荷3公斤是在太少了，作為一個浮空飛行器的研究人員，看到該火箭總重量2.6噸，筆者萌生了一個不成熟的想法：能否用高空科學氣球把電線杆火箭拉到35公里高度發射，這樣不就能節省一些用於克服低空稠密大氣阻力使用的燃料嗎？要知道一枚火箭大部分的重量都是燃料。

Rockoon

用氣球帶火箭臨空發射的概念叫Rockoon，就是rocket+balloon,這並不是什麼新概念，早在1949年就有人提出過。

早期Rockoon實驗照片

Rockoon是一種固體燃料探測火箭，不是在地面立即點燃，而是先被高空科學氣球帶入高層大氣，然後與氣球分離，火箭點火。 這使得火箭能夠達到更高的高度，因為火箭不需要通過大氣層底部的空氣稠密區（飛行阻力較大），而且由氣球本身也提供了一部分勢能，所以可以為火箭節省部分燃料，讓其飛得更高。

最初的概念是由Cmdr. Lee Lewis, Cmdr. G. Halvorson, S. F. Singer, 和 James A. Van Allen，在1949年3月1日在美國海軍的諾頓聲音號試驗船上發射Aerobee火箭時共同提出的。

根據時代雜誌1959年的報道，范.艾倫說服了海岸警衛隊，允許其在一艘開往格林蘭島的破冰船上發射Rockoon。第一次氣球飛到了70000英尺高度，但是下面掛的火箭沒有點火成功；第二次依然如此。理論上，平流層的極低溫度會影響火箭點火，於是范.艾倫在第三次的氣球吊艙內增加了加熱措施，火箭點火成功了。

范.艾倫手持Loki探空火箭 Credit: JPL

美國海軍研究辦公室在Loki火箭的一些發射中使用了Rockoon方式，在發射前將Loki放在氦氣球帶上高空，用於高空大氣研究。 Loki的第一次Rockoon發射是在1955年7月1日，從格陵蘭海岸附近的船上發射。

在1955年7月到10月期間，愛荷華大學研究小組在宇宙射線研究中從格陵蘭海岸的船上成功地發射了Loki I和Deacon火箭（使用Rockoon的方式）。 陸軍軍械公司提供了JPL開發的Loki火箭，美國海軍研究辦公室（ONR）贊助了這個項目。

1957年9月，作為美國國際地球物理年貢獻的一部分，美國海軍的破冰船U.S.S發射了36顆Rockoon（氣球發射的火箭）。 這是由愛荷華大學的James A.Van Allen和Lawrence J. Cahill領導的科學計劃的一部分，大西洋、太平洋和南極地區的冰川覆蓋範圍從南緯75度到南緯72度，這是南極地區第一個已知的高空火箭探測。所以1957年應該看作是Rockoon概念發展最鼎盛的時期。

Rockoon的概念在上世紀50年代得到了充分的實踐，達到了它的設計目的，當然基於當時的一個重要背景，用於科學研究的固體燃料探空火箭飛行的高度並不高，而使用了氣球搭載之後確實能夠明顯提高探空火箭的飛行高度。

當然隨著火箭技術的發展，從地面直接起飛的探空火箭的飛行高度也可以高達500-800km，這對於大氣科學研究來說已經足夠了，所以Rockoon的概念在後來似乎被淘汰了。

但是近些年來，Rockoon的概念又有了死灰復燃的跡象，全世界範圍有多家商業公司拿了個新瓶裝Rockoon的老酒，這個新瓶子就是使用Rockoon來發射微小衛星入軌，這當然也得益於近些年來微小衛星技術的迅速發展。這些公司的名單包括：JP太空公司，愛荷華州立大學和普渡大學（Purdue Orbital），洛杉磯的Leo Aerospace公司，羅馬尼亞的太空公司ARCASPACE，西班牙的zero2infinity，英國的B2Space，Stofiel航空航天公司等等。

但是以上這些商業公司的所有計劃目前基本都在概念階段，很少有實質性進展。僅有西班牙的zero2infinity公司在2017年5月進行了一次高空氣球的臨空火箭發射，但是僅僅是為了測試一級火箭，並沒有公布火箭飛行的高度，達到的速度等等關鍵數據。

Bloostar空射視頻截圖

空射火箭

Rockoon發射微小衛星的概念肯定是可行的，關鍵是性價比，因為同樣的高空發射的概念，美國的飛馬座火箭已經非常成熟了（目前唯一一款正式商業運營的空射運載火箭）。它可以使用洛克希德馬丁公司的L-1011客機把18.9噸重的飛馬座火箭帶到在12公里高空進行發射，已經成功發射了43次，僅失敗過3次。

飛馬座空射概念

制約空中發射概念的一個最大因素就是飛行平台的載重能力。18.9噸的飛馬座火箭對於民航客機來說已經是相當可觀的重量了，但是對於陸基發射的火箭來說，18.9噸只能算是微小火箭，軌道運輸能力相對有限，只有345kg。

而對於Rockoon的概念來說，氣球平台的載重能力就是最大的約束條件，那麼目前人類發放過的載重最大的高空氣球是多少噸呢？

NASA的LDSD（Low-Density Supersonic Decelerator?低密度超音速減速器）計劃，使用了一個高空科學氣球搭載了Satr-48火箭在35公里點火，把火星著陸減速器加速到4馬赫，然後火箭關機，使用減速器減速，並測試降落傘的性能。它的載荷總重達到了3.6噸，已經是目前最重的高空科學氣球載荷了。

LDSD項目的火箭發動機及減速器

LDSD的任務剖面

所以，無論是「飛馬座」還是「電子」火箭，對不起，高空氣球沒有那麼大的能力把它送上高空。有人說把氣球做大點不就行了嗎？LDSD計劃的高空氣球已經達到了100萬立方米，寬140米，高120米，已經比兩個足球場大了！你用心感受一下。

大型高空科學氣球示意圖

那麼我們能不能計算出來，把這個電線杆子火箭弄到35公里高度臨空發放，能夠節省出多少燃料重量給衛星呢？

Rockoon發射電線杆火箭，收益幾何？

首先需要明確，我們在35公里高度直接發射火箭，能夠節省出哪一部分能量呢？

第一部分就是勢能，這個很好理解，也很容易計算，大約400兆焦耳。

第二部分就是火箭在0-35公里運行時的空氣阻力做功，因為35公里以下是相對稠密的大氣，而火箭飛行時受到的阻力跟速度和大氣密度都相關：

只要計算出35公里以下火箭阻力做功的大小，將其換算到軌道高度上的動能和勢能，就能得出增加的有效載荷重量了。這一部分如何計算呢？幸好SS-520火箭的一些數據是公開的，我們可以窺豹一斑。

SS-520-5的飛行過程數據

第一級火箭在飛行到26公里高度的時候，速度達到2km/s，所用的時間是32秒。

之前我們說了，第一級火箭的燃料總重是1500公斤，雖然我們只知道是HTPB固體燃料，並不知道比沖多少，但是按照經驗，固體燃料火箭發動機比沖大約在250s左右，每公斤燃料提供的能量是3兆焦耳。

總的化石能源能量假設為E0；

Ez，表示上升階段空氣稠密區阻力做功大小，m1為一級火箭燃燒完畢剩餘質量；V即一級火箭燃料燃燒完畢達到的速度，即2000m/s。

Er表示一級火箭上升的過程中，所攜帶的燃料被隨火箭一塊加速做的功，實際上這一部分能量消耗是不可避免的，一級火箭燃料從速度0開始加速度2km/s，但總質量從1500公斤減少到0，總用時32秒，這裡省略大量微積分計算的過程，給出估算的結果，大約為3000兆焦耳。

由公式（1）可計算出Ez的大小約325兆焦耳，我們在Rockoon方案中就可以省去此部分能量用於給更大的衛星載荷加速。

好了，到目前為止，採用Rockoon方式發射衛星，我們已經有了兩部分能量可以節省了：

高空帶來的勢能Eh，低空阻力做功耗能Ez。

之前地面發射獲得的在軌能量Ec為：99.015兆焦耳，

理想條件下，這些節省的能量全部轉化為衛星的動能和勢能，那衛星的載荷重量能提高多少呢？

M=15.28kg

呵呵，好像也不是很樂觀，單位成本還是很高，氣球發射成本就算增加20萬美元，地面發射系統減少10萬美元，總的發射成本為370萬，那每公斤成本也要24.21萬美元，對於電子火箭的3.3萬每公斤，依然是天價呀。

挖掘潛力

細心的讀者可能會發現一個小問題，前面說了我們氣球的最大載重是3.6噸嘛，"電線杆」火箭的總重才2.6噸，不是還有1噸的載荷能力可以用來裝燃料嗎？

當然可以，而且考慮到35公里以上大氣已經非常稀薄，僅有海平面的2.5%左右，空氣阻力的影響就很小了，我們完全可以把火箭設計成短粗型的，發揮高空科學氣球最大能力，多裝一些燃料（雖然1噸燃料對於火箭也是微不足道的），而且設計成短粗型對於高空科學氣球的發放也是比較有利的。

就是這樣的短粗型火箭（西班牙bloostar）

1噸燃料能夠提供的能量為3000兆焦，但是同樣上升過程必須把燃料一塊加速，最終載荷能夠獲取的能量大約只有1000兆焦左右，當然1噸燃料的成本我們就按照10萬美元計算，總成本變為380萬美元。

換算成衛星的載荷重量之後，可以獲得總共45.9kg的重量！

我們驚奇地發現，竟然跟西班牙zero2infinity公司宣傳的能力是很接近的，近地軌道50kg載荷！原來這家公司是良心企業，給出的數據還是挺靠譜的。

當然45公斤的載荷比起「飛馬座」的345公斤還是有很大差距。除了L-1011客機的載重能力較大外，另外一個重要因素是運輸機給火箭也提拱了較高的初速度，而這一部分燃料是算在飛行平台上的。對於想要進入軌道運行的小衛星來說，7.9km/s的速度是最重要的條件，所以用高空氣球提高的勢能，相對於500km的軌道高度和7.9km/s的速度來說就有點微不足道了。

結語

雖然日本的SS-520-5號稱追求的是低成本機動靈活發射的方案，但我們遺憾的看到，目前它僅限於能發射而已，使用的技術是在現有探空火箭的基礎上改裝的，僅僅是勉強可用而已，而且單位成本非常高，即使是使用Rockoon方案把它帶到35公里去發射，成本還是達到了16.68萬美元/公斤，遠高於電子火箭的3.3萬/公斤，要知道我國的快舟11火箭的報價是1萬/公斤。「飛馬座」空射方案的報價是5630萬美元，載荷345公斤，單位報價達到了16萬/公斤。

主流固體火箭發射小衛星方案報價及載荷能力對比

從上表可以看出，固體火箭的載重能力越強，它的單位成本就越低。但是空射和Rockoon方案的載重能力受到平台載重的嚴重製約，「飛馬座」空射最大載重18.9噸，Rockoon只有3.6噸，所以衛星載荷重量分別限制在了345公斤和45公斤以下。

固體小火箭發射的優勢在於機動靈活，不用像搭車發射一樣，要看別人大衛星的時間窗口，在商業航天發展如火如荼的今天，各種互聯網，物聯網微小衛星星座組網的方案層出不窮，也許時間成本也是最大的成本。

編者註：本文計算依據的參數均來源於網路，僅供參考。

參考文獻：

[1]空中發射運載火箭能夠節省多少能量？微信公眾號：小火箭

[2]"Chronology - Quarter 2 1951". Archived from the original on January 18, 2010.

[3]"Chronology - Quarter 3 1955". Archived from the original on December 2, 2008.

[4]"Aeronautics and Astronautics Chronology, 1955-57".

[5]"Chronology - Quarter 3 1952". Archived from the original on January 18, 2010.

[6]"Chronology - Quarter 3 1953". Archived from the original on December 2, 2008.

[8]"Archived copy". Archived from the original on 2009-09-27. Retrieved 2010-02-27.. Retrieved 27 Feb 2010

[10]http://www.b2-space.com. Retrieved 01 Oct 2017

[11]"Encyclopedia Astronautica - Rockoon". Archived from the original on 2017-11-11.

[12]Leland Goodwin, Harold (1963). The Flying Stingaree. Rick Brant Science-Adventure Series.

[13]百度百科詞條：SS-520-4號機

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！