藍色起源公司「新謝潑德」飛行器及其未來發展分析

2018年4月29日，藍色起源公司（Blue Origin）的「新謝潑德」（New Shepard）亞軌道飛行器完成第8次飛行試驗，最大飛行高度為107km，達到未來太空旅遊任務的標準高度，朝著商業化運營又邁出重要一步。

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發展歷程

「新謝潑德」飛行器研製計劃最早於2006年公布，該方案包括提供上升段推力的動力模塊和搭載遊客的乘員艙。乘員艙安裝在動力模塊上方，利用動力模塊的火箭發動機頂推到一定高度（大約是40km）後，動力模塊發動機關機，乘員艙分離，利用慣性自由滑行至100km左右的高空，讓遊客體驗微重力環境、欣賞高空景象，最後乘員艙返回，利用降落傘減速著陸。動力模塊下降到接近地面時，會重新啟動發動機，通過動力反推實現垂直返回著陸。為保證發射起飛階段的人員安全，乘員艙配備了逃逸系統。

前期技術驗證

藍色起源公司在2005年利用一架稱為「卡戎」（Charon）驗證機啟動了垂直返回著陸技術的驗證。該驗證機使用4台羅羅公司（Royce-Rolls）生產的航空噴氣發動機，垂直安裝到一個鋁合金焊接的框架結構上，利用推力矢量控制實現機動。「卡戎」在2005年3月5日完成飛行試驗，最大飛行高度96.3m，成功降落到地面上。藍色起源公司利用「卡戎」初步了解垂直返回著陸技術的設計、製造和操作流程。

「卡戎」之後，藍色起源公司啟動「新謝潑德」亞軌道旅遊飛行器的規劃，通過多型驗證機從低空到高空循序漸進地開展垂直返回著陸技術的研發驗證，同時開展試驗、發射、測控等設施的建設，最後再對全尺寸的「新謝潑德」飛行器開展高空飛行試驗。

「新謝潑德」飛行器設計方案的任務剖面

在「新謝潑德」飛行器研製計划下的首個技術驗證機名為「戈達德」（Goddard），也稱為動力模塊－1（Propulsion Module 1）。該飛行器採用了9台BE－1火箭發動機，於2006年11月13日進行首次垂直起降飛行試驗，最大飛行高度為85m。2007年又完成了2次飛行試驗，提升了飛行高度。通過動力模塊－1的飛行試驗，藍色起源公司驗證了其飛行軟體的設計。該軟體能夠實現射前準備、發射、飛行和著陸的自動控制。BE－1是一台採用過氧化氫推進劑的單組元發動機，推力為8.9kN。

之後，藍色起源公司開始研製動力模塊－2（Propulsion Module 2）技術驗證機，該驗證機在外形上更加接近於現在的「新謝潑德」飛行器。動力模塊－2採用5台BE－2火箭發動機，在2011年5月6日進行首次飛行試驗，飛行高度達到167m，完成低空垂直返回的驗證。2011年8月14日在第2次飛行試驗中，動力模塊－2達到Ma1.2的速度，最大高度達到13.7km。不過由於飛行失穩，安全系統終止了推力，動力模塊－2最終墜落到沙漠中。BE－2採用過氧化氫/煤油推進劑，推力為140kN。

在開展動力模塊驗證的同時，藍色起源公司通過參與「商業乘員研發計劃」（CCDev），在NASA的資助下於2012年完成了乘員艙的逃逸試驗。乘員艙採用一種推進器逃逸系統，在上升段出現緊急狀態時，利用頂推的方式使乘員艙遠離動力模塊。而傳統載人飛船的逃逸塔一般採用拉拽的方式使飛船遠離火箭。

全尺寸飛行試驗

2011年，藍色起源公司在美國國家航空航天局（NASA）的CCDev計划下開展BE－3液氫/液氧發動機研製（原計劃用於發射載人飛船的重複使用助推系統），由於得到NASA的支持，研製進展非常順利。BE－3發動機研製項目是在2011年提出的，2012年完成推力室試車，2013年進行首次發動機試車。考慮液氫/液氧發動機在性能上的絕對優勢以及BE－3的研製進展，再加上動力模塊－2飛行試驗出現意外，藍色起源公司決定將「新謝潑德」飛行器的過氧化氫/煤油火箭發動機替換為BE－3液氫/液氫發動機。

BE－3發動機採用抽氣循環方式，具有結構簡單、關機方便等優勢，推力達到490kN，具有多次點火啟動能力，而推力調節範圍則達到了18%～100%。其設計方案非常符合垂直返回著陸技術的要求。

更換為BE－3發動機之後，藍色起源公司在2015年完成了第1架「新謝潑德」飛行器的研製，開始進行全尺寸飛行器的飛行試驗。同時，還公布了「新謝潑德」的部分設計細節。動力模塊頭部設計了環形翼和可展開的垂直翼，幫助在返回過程中調整壓心，提高穩定性。環形翼上還有8塊可展開的減速板，在返回過程中將動力模塊的速度降低50%。尾翼利用液壓作動裝置操縱，在上升過程中提高飛行穩定性，在返回過程中控制方向，返回著陸點。乘員艙內部有15m3的空間，能夠搭載6名乘客，設有大面積舷窗便於觀賞景色。

截至2018年4月，藍色起源公司共對3架「新謝潑德」飛行器進行了8次飛行試驗。其中，第1架「新謝潑德」在2015年4月29日進行飛行試驗時，乘員艙利用降落傘成功著陸，但是動力模塊在返回過程中由於失控而墜毀。第2架「新謝潑德」在2015年11月23日首次完成了動力模塊的垂直返回著陸，實現技術上的重大突破，同時還成功回收了乘員艙。

「新謝潑德」飛行器通過8次試驗飛行，正在逐步走向成熟和商業運營。藍色起源公司計劃從第4架「新謝潑德」飛行器開始進行載人飛行。另外，藍色起源公司不僅利用「新謝潑德」飛行器開展太空旅遊業務，還將利用飛行任務中3～4min的微重力環境，為各類微重力試驗提供搭載機會。

「新謝潑德」飛行器

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未來規劃

「新謝潑德」亞軌道飛行器不是藍色起源公司發展的終點，而是其漸進式發展模式中的必要一環。藍色起源公司將以亞軌道飛行器驗證的動力系統技術和垂直返回著陸技術為基礎，研製推力更大的BE－4液氧/甲烷發動機和「新格倫」大型運載火箭，為美國提供本土化的主動力系統，參與發射服務競爭。

BE－4發動機

2014年，美俄在烏克蘭問題上出現衝突之後，美國政府為確保本國獨立進入空間的能力，計劃研製新一代主發動機。因為美國聯合發射聯盟公司（ULA）的主力運載火箭宇宙神－5（Atlas－5）採用的是從俄羅斯進口的RD－180發動機。藍色起源公司藉助這個機會，同聯合發射聯盟公司合作，快速推進BE－4發動機的研製。

BE－4發動機是首個採用液氧/甲烷推進劑的工程應用型號，採用分級燃燒循環，推力為2400kN，具備重複使用能力和推力調節能力，面向未來的重複使用運載器設計。

BE－4發動機

藍色起源公司通過BE－3發動機積累了技術和經驗，在得到資金支持和政府技術支撐後，BE－4項目得以快速發展。到2015年，已經完成了包括預燃器、再生冷卻推力室、噴注器在內多個組件的100多次試驗，驗證了關於噴注器性能、熱傳遞、燃燒穩定性的理論模型，根據試驗數據進一步優化了發動機設計。

2017年3月，第1台BE－4發動機完成裝配下線。2017年10月，藍色起源公司對BE－4發動機進行第1次試車，在50%的推力水平下，點火工作3s。2018年3月，BE－4在65%的推力水平下，試車114s。儘管BE－4項目在2015年和2017年曾出現過2次推力室試車事故，不過藍色起源公司在BE－4上投入了充足的資源，建設新的試車台，保證了研製進度，預計在2018年底完成鑒定，2019年能夠投入使用。

「新格倫」火箭

在「新謝潑德」飛行試驗不斷取得成功，BE－4發動機得到快速發展之後，藍色起源公司在2016年公布了「新格倫」大型運載火箭研製計劃。該火箭基礎構型的直徑為7m，一子級採用7台BE－4發動機，二子級採用2台BE－3U發動機，整流罩直徑也達到7m，近地軌道運載能力45t，地球同步轉移軌道運載能力13t。根據任務需求，可以選裝三子級，採用1台BE－3U發動機。基礎構型全長86m，三級構型全長99m。其中，BE－3U在BE－3的基礎上針對真空環境進行改進，適用於火箭上面級。

「新格倫」火箭的一子級採用垂直返回著陸技術，利用海上平台實現回收和復用，充分繼承「新謝潑德」飛行器的現有技術，形成該型火箭的核心競爭力。

「新格倫」火箭示意圖

藍色起源公司計劃在2020年實現「新格倫」火箭的首飛，將與SpaceX公司、聯合發射聯盟公司、阿里安空間公司（Arianespace）等競爭大型載荷的發射任務。目前，「新格倫」火箭已經得到4份發射合同，包括歐洲通信衛星公司（Eutelsat）、泰國Mu航天公司、日本完美天空日星公司（Sky Perfect JSAT）的3顆同步軌道衛星發射任務，以及一網公司（OneWeb）的4次近地軌道互聯網星座發射任務。

作者：楊開 才滿瑞

來源：《國際太空》2018年第7期

「藍色起源」獲取全文PDF

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