小型运载火箭：航天发射的明日之星

张乃千

小型运载火箭是指近地轨道运载能力在1000千克左右的运载火箭，具有发射成本低、反应速度快、适应能力强等突出特点。近年来，随着小卫星技术的快速发展和火箭设计、复合材料、电子技术以及固体推进技术的发展，将小型运载火箭推上了航天发射的大舞台。未来，可实现快速有效航天发射的小型运载火箭具有巨大的军用和民用价值，将成为人类开展太空活动的明日之星。

小型运载火箭的前世今生

时光流逝，岁月如梭，运载火箭大家族也正经历着更新换代的如火如荼进程。目前，围绕低成本、快速反应这一发射需求，美国、俄罗斯、欧洲、日本等航天大国可谓“八仙过海，各显神通”，纷纷推出了自己的新一代运载火箭计划，并迅速将小型运载火箭推向航天发射的大舞台。

在小型运载火箭领域，航天技术大国美国投入了较大精力。美国研制的飞马座、金牛座等小型运载火箭早已投入使用。这些小型运载火箭的“老前辈”已经实现了移动发射，不仅操作简单、发射迅速，发射设备也较为简单，全套发射装置由铁路和飞机运输后，5天内就可完成各级火箭的组装和检测，进入倒计时后只需72小时就可完成发射，整个发射过程只需要20个人进行操作。

进入21世纪以来，美国更是充分嗅到了小型运载火箭的巨大军民用价值。2007年5月，美国国防部成立了快速响应空间办公室，旨在进一步增强和充分利用美国的空间作战力量。在快速响应空间办公室的支持下，桑迪亚国家实验室提出Super-Strypi固体小型火箭方案。该火箭长18米，直径仅1.32米，采用地基导轨发射，近地轨道的运载能力达到300千克。2015年11月，Super-Strypi曾携带10余颗立方体卫星进行首飞，虽然发射升空1分钟后爆炸，却掀起了小型运载火箭的研究热潮。目前，美国从事小型运载火箭研制设计的商业公司接近20家，其中有部分“急先锋”甚至已经完成了设计生产，即将开展飞行试验。美国ARCA航天公司推出的Haas 2C火箭燃烧室和喷管全部采用复合材料，推力可达220千牛，而向量空间系统公司研制的小型运载火箭，结构质量甚至只有685千克。

在小型运载火箭的“竞技场”上，其他航天俱乐部成员也不甘示弱。欧洲航天局从2003年就开始研制织女星号小型运载火箭，可实现将1500千克有效载荷发射到700千米高度的轨道，也可一次发射300～2000千克不同载荷的卫星，同时还能让微小卫星搭上顺风车。被称为“世界上最小”运载火箭的日本SS520火箭全长仅9.54米，只有电线杆那么粗，是日本自主研发的三段式小型火箭。此外，俄罗斯也计划于2020年实现新型小型運载火箭“联盟”号2LK的首飞。

小身板担当使命重担

与大推力火箭发射成本高、准备时间长、缺乏快速反应能力相比，小型运载火箭制造技术先进、发射成本低、反应速度快、适应能力强，尤其在卫星小型化大行其道的今天，小型运载火箭更是担负起这类简单成熟卫星发射的重任，同时更因自身独特的技术特点而备受青睐。

别看小型运载火箭个子小，但绝对是个“短跑健将”。一般的大中型运载火箭发射准备时间动辄数月，小型运载火箭却是用天乃至小时来计算。法国的阿里安火箭发射准备时间长达两个月，而美国的Super-Strypi小型运载火箭发射时间只有21天，飞马座火箭发射准备时间为14天，金牛座火箭更只有短短72小时。由美国和新西兰联合研制的电子小型运载火箭，可实现每隔72小时进行1次航天发射的超高频率，堪称世界航天领域快速发射的代表作。这么短的发射准备时间，意味着一旦遭遇自然灾害、战争爆发等突发事件，小型运载火箭可快速将侦察、通信等用途的卫星发射升空，实现卫星的快速发射和空间部署，及时获取相关重要信息，战略意义相当重要。

此外，小型运载火箭的发射升空方式可谓多姿多彩。除可以像“老字号”运载火箭一样从地面及海上发射外，小型运载火箭还可直接开启空中发射模式，堪称航天发射领域的一个伟大创举。美国自20世纪50年代就开始空中发射火箭的试验工作，飞马座小型运载火箭利用B-52轰炸机携带到空中，是世界上第一种实现空中发射的运载火箭。在空中发射领域，美国的维珍银河公司可算是情有独钟，不但研发设计的太空船2号亚轨道飞行旅游飞船采用空中发射升空，专门设计的运载器1号小型运载火箭也采取了通过波音747-400民用航空飞机发射的方案。

进入21世纪以来，世界各航天大国的新一代运载火箭都摆脱了研制初期以弹道导弹为基础衍生的复杂设计方案，从设计之初就开始考虑组合化、模块化和通用化，通过不同的模块搭配组合，实现覆盖更加宽广发射运力范围，从而满足主流航天发射的需求。小型运载火箭更是模块化设计的先行军，美国轨际系统公司研制的NEPTUNE小型运载火箭通过捆绑不同数量的通用模块，就可实现不同的运载能力，目前已经完成了通用模块的飞行试验。同时，为进一步降低航天发射成本，小型运载火箭也将“省钱模式”发挥到了极致。

新兴航天发射的敲门砖

天下武功，惟快不破。相比于传统运载火箭漫长的吊装对接、状态监测和加注燃料时间，小型运载火箭发射准备时间明显缩短，不仅提升了发射效率，更可大大掌握航天发射的先机。

其实，小型运载火箭的研制并不复杂，尤其是火箭的发动机和结构规模要小很多，在制造、试验等方面的更容易实现，因而在美国、欧洲等工业基础发达的国家和地区掀起了研制小型运载火箭的热潮。目前，挺进小型运载火箭领域的都是近些年成立的新兴商业航天公司，技术门槛相对较低，又能全面覆盖火箭系统研制的切入点。商业公司开展小型运载火箭研制的一个共同特点就是完全掌握发动机、结构和控制系统等核心技术，还要自建试验和制造设施，以便最大程度降低研制和生产成本，在新兴航天发射的强烈市场竞争中牢牢掌握主动权。

新概念技术的大量涌入也将大大降低小型运载火箭的发射成本。美国Bagaveev公司研制的小型运载火箭一大特点就是采用了3D打印的发动机，电子小型运载火箭甚至将火箭的涡轮泵、阀门、喷射器和燃烧室等部件都采用了3D打印，不仅能提高火箭的制造效率，同时也可大幅度降低出现故障概率，大大缩短了火箭发射需要的检测时间。

当然，我们更不能忘了小型运载火箭在军事领域的重要应用前景。近年来，一些退役下来的性能先进的弹道导弹相继加入小型运载火箭的改装行列。小型运载火箭机动灵活、反应速度快，一旦在军事上遭遇突发事件和局部战争爆发，任务卫星的损失补充和应急发射等都需要小型快速火箭出来大显身手。海湾战争爆发后，美军就应急发射过两颗近地轨道小型通信卫星，确保了战时美军通畅的战场通信能力。此外，小型运载火箭的大量新技术还可用于开展高超音速武器的飞行试验。

美国早在数年前就曾提出过“卫星即插即用”概念，对于及时响应型卫星和一系列低成本快速发射型火箭的需求成为当务之急。美国国防部为实现卫星快速部署，曾开展过多个快速响应发射技术研制项目，但直到目前，机载发射辅助进入空间项目、试验性太空飞机项目和士兵-战斗者应急响应投放器等进展迟缓，小型运载火箭为卫星的快速发射提供了新的曙光。未来战争的通信、导航、侦察等都需要大量卫星组成天基辅助作战网络，卫星网络的任何一个环节出现缺失都会对战争制胜产生巨大威胁。从这个意义上讲，可实现快速发射、重复利用且成本低廉的小型运载火箭将成为未来战争的又一“杀手锏”武器。

责任编辑：刘靖鑫