轨道科学公司的新秀

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2008年美国航宇局（NASA）和两家公司正式签订了商业补给服务合同，其中之一的太空探索公司先发制人，不仅率先完成了“猎鹰”9号火箭的研制和试飞，而且开始向国际空间站发射货运飞船，执行正式的货运补给任务。轨道科学公司虽然进度较为落后，但也并非庸手，今年4月21日，轨道科学公司“天蝎座a”（Antares）运载火箭也成功进行了首次试验飞行，将一个模拟“天鹅座”（Cygnus）飞船的载荷送入轨道，这次飞行将为后续的“天鹅座”货运飞船试验飞行和执行实际的货运补给发射合同铺平道路。

全球采购控制成本

“天蝎座Q”火箭原名“金牛座”II（Taurus II）型火箭，是一种设计上追求廉价可靠的运载火箭，主要用于执行发射“天鹅座”货运飞船的任务，它的基本型号使用二级运载火箭设计，也有扩展为三级运载火箭的设计。火箭长度约40.5米，箭体直径3.9米，起飞质量约240吨，地球低轨道运载能力超过5吨，是轨道科学公司研制的运载能力最大的运载火箭，不过仍属于典型的中型运载火箭。

“天蝎座a”火箭满足NASA运载火箭的第三类要求和美国国防部类似的标准，除了发射“天鹅座”货运飞船外，还可用于发射NASA的其他载荷并执行美国国防部的军用载荷发射任务，也试图挤入商业遥感卫星发射市场。

“天蝎座a”火箭无论是地球低轨道、太阳同步轨道还是逃逸轨道的运力，都类似于美国联合发射联盟的“德尔它”2火箭，堪称“德尔它”2火箭最佳的接班人。作为新型运载火箭，“天蝎座a”火箭运载系数并不出众，但设计上有很多特色：它适中的运力填补了美国小型的“米诺陶”4火箭与重型的“德尔它”4火箭之间的运力空白；其次它预计的发射报价比现有的中等运力火箭明显降低，如基本型号发射报价只有7500万～8000万美元，有利于降低航天项目的总成本；“天蝎座a”火箭的廉价并非建立在性能不足甚至偷工减料上，它采用全球采购策略，使用其他运载火箭上得到实际飞行验证的成熟技术和子系统，这样的措施不仅降低了火箭的研发成本，而且让新型的“天蝎座a”火箭实现了更高的可靠性。

轨道科学公司的“天蝎座a”火箭采取全球采购策略，并大量使用经过飞行验证的成熟子系统以降低成本，这种方式与竞争对手太空探索公司截然相反。太空探索公司研制的“猎鹰”9号火箭，发动机、推进剂箱、燃料输送系统、飞行控制系统、制导导航控制系统等诸多关键子系统都尽量自力更生，通过高度集成的研制和制造降低火箭的成本。两家公司都以火箭的低成本作为卖点，“猎鹰”9号火箭的研制成本约为3亿美元，“天蝎座a”火箭成本略高一点，考虑到通胀等多方面因素，两家公司各自火箭研制的成本控制能力难分高下。

复杂的火箭型号

2013年4月21日“天蝎座a”火箭的首次发射中，使用的火箭型号为“天蝎座a”110型号，它还规划了120、121、133和130、131、132等诸多不同型号的火箭设计。根据“天蝎座a”火箭的命名规则，版本号的第一位数字表示第一级箭体的配置，依次第二位数字表示第二级、第三位数字表示第三级箭体的配置。具体地说，第一位数字的1表示使用标准的第一级箭体，也就是使用两台AJ26-62型高压补燃液氧煤油发动机；第二位数字的1表示第二级箭体使用ATK公司的Castor 30A固体火箭发动机，第二位数字2表示使用ATK公司的Castor 30B固体火箭发动机，第二位数字3表示使用ATK公司加长型的Castor30×L固体火箭发动机；第三位数字O表示没有第三级发动机，第三位数字1表示使用3台日本IHI公司的BT-4液体火箭发动机，第三位数字2表示使用ATK公司的Star 48 BV固体火箭发动机。

“天蝎座a”火箭这种第一级不变，以上面级的不同配置区分型号的做法，与“猎鹰”9号火箭截然相反。“猎鹰”9号火箭只有1.0和1.1两个版本，但两种型号基本设计存在巨大的不同，使用不同的发动机和箭体，完全可以说是两种火箭。这种命名方式的区别，体现的是两家公司对发射市场的不同认识，轨道科学公司的“天蝎座a”火箭主要用于发射“天鹅座”飞船，并试图占领“德尔它”2火箭退役后的空缺，而太空探索公司的“猎鹰”9号火箭虽然也用于执行商业补给服务发射，但研制的主要目标是争夺商业通信卫星的发射订单。

俄罗斯血统的第一级

“天蝎座a”火箭的第一级箭体使用两台Aerojet公司的AJ26-62型高压补燃液氧煤油发动机，它实际上是苏联时代的遗产。虽然Aerojet公司是美国老牌火箭发动机研制生产厂商，但AJ-26火箭发动机并非Aerojet公司研制，而是俄罗斯NK-33火箭发动机的美国编号。Aerojet公司从俄罗斯以难以想象的低价购买到一批库存的NK-33发动机，对其控制系统进行适应性修改后，赋予AJ-26火箭发动机的编号。NK-33发动机是NK-15火箭发动机的改进版本，而NK-15恰恰是苏联当年计划用于载人登月的N-1巨型运载火箭的火箭发动机。虽然N-1火箭4次发射均以失败告终，但Aerojet公司多年测试后认为NK-33发动机的可靠性相当出色，NK-33/AJ-26发动机还是目前已经投入使用的推重比最高的火箭发动机，这对一种使用高压补燃设计的液体火箭发动机来说尤为难得。虽然研制时间早外加推重比高，NK-33/AJ-26火箭发动机的其他性能也相当出色，它的海平面推力约为166吨，真空推力约为185吨，海平面和真空比冲分别为297和331秒。性能强劲的AJ-26火箭发动机，是“天蝎座a”火箭设计的基石。

轨道科学公司成立于1981年，研制过包括“飞马座”、“米诺陶”、“金牛座”在内的多种固体运载火箭，还承揽了美国陆基中段防御系统中陆基拦截弹的推进段研制工作，但它缺乏大型液体火箭的设计经验，因此第一级箭体的设计制造大量分包给乌克兰的南方设计局，而轨道科学公司在已有成熟的模块化航电控制硬件的基础上，为“天蝎座a”火箭研制了合适的MACH飞行控制系统。“天蝎座a”火箭的第一级箭体大量应用了乌克兰南方局已有的天顶火箭的成熟设计和设计经验，火箭第一级的推进剂箱、增压储箱、输送管道、阀门等诸多硬件设备都出自乌克兰南方局之手，甚至箭体直径都是一样的3.9米。如果进一步探寻，我们还会发现3.9米的箭体直径还与更早的“能源”火箭助推器有着血缘关系，“天蝎座a”火箭与苏联两代巨型运载火箭的渊源，只能让人感慨命运的无常了。

美国制造的第二级

“天蝎座a”火箭的第一级技术上有着浓厚的苏联血统，那么它的第二级就是货真价实的美国制造了。“天蝎座a”火箭的第二级使用美国ATK公司的Castor 30系列固体火箭发动机，Castor30发动机是Castor 120固体火箭发动机的衍生型号，而Castor 120发动机就是大名鼎鼎的“和平卫士”大型固体洲际导弹的第一级发动机。Castor 30系列发动机使用高性能碳纤维壳体，外加高性能高可靠性的机电推力矢量控制装置，它的推进剂编号为TP—H8299，点火器直接使用了Castor IVB固体火箭发动机的设计。“天蝎座a”110型火箭第二级使用Castor 30A固体火箭发动机，Castor30A发动机直径2.36米，长度约3.6米，总质量约14吨，燃烧时间为136秒，最大推力约40吨，真空比冲高达302秒。两次试验发射后，正式用于执行商业补给服务任务的天蝎座a120型火箭将换用性能更好的Castor 30B固体火箭发动机，它的喷管面积比增加到76，以提高比冲指标。此后再执行两次“天鹅座”飞船的发射，“天蝎座a”火箭还将使用加长型的Castor 30XL固体火箭发动机，大大增强它的地球低轨道运载能力，用于发射增强版的“天鹅座”货运飞船。

“天蝎座a”火箭在设计之初，还曾考虑使用洛克达因公司PWR35M液氧甲烷发动机的增强型的液体火箭第二级设计，PWR35M发动机虽然推力只有147千牛门5吨，但比冲高得多，可以实现更大的运力。不过轨道科学公司与ATK公司关系极为密切，在技术路径依赖和商业关系的影响下，“天蝎座a”火箭最后还是选用了Castor 30XL等达到更高的性能的发动机。性能更强的Castor 30XL发动机显著提高了“天蝎座a”火箭的运载能力，但固体火箭发动机比冲低和结构质量大等固有缺陷，导致二级型“天蝎座a”火箭缺乏高轨道发射能力。为了将载荷送入轨道高度较高的地球低轨道，“天蝎座a”火箭可以选用IHI公司的3台BT-4液体火箭发动机或是ATK公司的1台STAR 48BV固体火箭发动机作为第三级发动机，“天蝎座a”121和131型号都可将载荷送入1000千米高度的地球低轨道或是太阳同步轨道，大大扩展了任务范围。与“天蝎座a”火箭设计上复杂相比，“猎鹰”9号火箭的设计相当简洁，它使用高比冲的液氧煤油发动机，通过大面积比喷管的引入，第二级发动机真空比冲可高达342秒，再加上第二级发动机的重复点火能力，虽然只是一种二级火箭，仍可灵活的执行地球低轨道、太阳同步轨道、同步转移轨道和深空探测发射任务。从设计水平上说，“猎鹰”9号火箭无疑技高一筹，不过做熟不做生，轨道科学公司作为传统的固体火箭研制生产厂商，为了保证研制进度和可靠性，没有冒险使用液体上面级也在情理之中。“天蝎座a”火箭的整流罩使用高性能轻质复合材料制造，虽然质量较轻，不过它的外形设计仍然比较中庸，没有跟风时髦的冯卡门曲线，而是有倾角分别为30度和15度的双椎体拼接出头部。火箭整流罩的直径为3.9米，长度9.9米，考虑到底部适配器占用了部分高度和空间，以及顶部锥体的高度，能容纳的卫星等载荷的实际高度要远小于9.9米，不过话说回来，它的内部容积为57.5立方米，仍比现有的中型运载火箭如“德尔它”2火箭整流罩的内部空间要大得多，方便发射尺寸和体积更大的载荷。

前景难测

“天蝎座a”火箭虽然首次发射成功，但并非一帆风顺。它的首次发射原定在2012年进行，由于各种测试问题最终推迟到2013年，发射前还进行了AJ-26发动机长达27秒的点火，火箭原定4月17日发射，但第一次发射尝试由于第二级连接问题发射中止，20日的第二次发射又由于高空风的原因被迫取消，好在21日的第三次尝试发射相当顺利。这次发射，除了模拟“天鹅座”飞船的载荷，还携带了4颗立方体卫星，发射的成功不仅是轨道科学公司运载火箭研制上的重要里程碑，而且洗刷了俄制NK-33发动机不吉利的恶名，说明N-1巨型火箭的悲剧主要是火箭研制中无视科学规律蛮干的结果。同时，这次成功发射，对于Aerojet公司研制引进大推力双室高压补燃液氧煤油发动机，参与SLS火箭的先进助推器竞争也是一个好消息。

遗憾的是，虽然AJ-26是一种得到实际发射检验的高性能火箭发动机，但Aerojet公司在俄罗斯扫货买到的NK-33发动机数量并不多，轨道科学公司更是只购买了20台AJ-26发动机，只能支持“天蝎座a”火箭10次发射的需要。轨道科学公司已经表示，如果未来得到更多的订单，将考虑研制AJ-26/NK-33发动机的替代品。不过轨道科学公司也曾表示如果研制类似性能的发动机，火箭研制费用将多支出至少5亿美元。大推力高压补燃液氧煤油发动机的研制非常烧钱，美国火箭发动机公司独立研制的可能性不大。如果不出意外的话，很可能仍然从俄罗斯引进液体火箭发动机，加上美国的控制系统使用，俄罗斯可能研制生产NK33—1发动机，但更大的可能是RD-191占据大部分市场，这两种发动机的推力都达到200吨级，虽然它们都具备节流能力，但“天蝎座a”第一级火箭箭体进行相应的修改也是无可避免的。

相比之下，太空探索公司自力更生研制燃气发生器循环的“灰背隼”液氧煤油发动机就要明智的多。“灰背隼”发动机虽然推力远低于Nk-33，比冲更是无法望其项背，但推力小外加燃气发生器循环的结构相对简单，发动机研制成本很低，独立研制的发动机也便于进行改进升级，目前“灰背隼”发动机的推力已经从最早的34.7吨增加到63.3吨，“猎鹰”系列火箭的性能也有了巨大的变化，可发射主流的大型通信卫星，这是轨道科学公司的“天蝎座a”火箭无法比拟的。

由于第一级发动机和未来任务量的不确定性，“天蝎座a”火箭的未来也有很大的变数。悲观地说，“天蝎座a”火箭很可能完成NASA的8次商业补给服务合同后就寿终正寝，乐观地说，“天蝎座a”火箭成为“德尔它”2火箭接班人，用于执行地球地轨道、太阳同步轨道、地球中轨道到各种小型星际探测器的发射任务。

总的说来，“天蝎座a”火箭在进度、性能和扩展潜力等各方面都落后于“猎鹰”9号火箭，技术上无疑是大为逊色的。但对轨道科学公司而言，“天蝎座a”火箭不仅是轨道科学公司运载火箭研制的里程碑，而且可以满足轨道科学公司执行商业补给服务合同的需要，同时填补了美国运载火箭运力的空白，并可参与航天发射市场的竞争。事实上，如果论研制成本和发射成本，“天蝎座a”火箭在世界范围内也是相当出色的，它不仅是轨道科学公司研制的合格产品，也是一种优秀的运载火箭。