世界首个采用电力驱动燃料泵的运载火箭“电子号”首次商业发射成功

众所周知,液体运载火箭发动机的燃料泵通常采用燃气发生器或者预燃驱动,即依赖燃料燃烧提供动力。采用电动机驱动涡轮泵早有研究,但最早把它用在实用运载火箭上的,是“电子号”。此前报导(https://www.kechuang.org/t/81790)介绍了电子号火箭首次发射试验的情况。近日,电子号火箭开创性的完成了电泵火箭的全球首次商业发射,将6颗卫星送入预定轨道。

今年全球第90次航天发射,11月11日中午在新西兰成功完成。

这是以超低发射价著称的“电子火箭”首次商业发射,也是发射商火箭实验室总计第3次发射。

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发射时间:一拖长达5个月

北京时间11月11日上午11:00(新西兰时间16:00)。

原定于5个月前的6月23日上午发射,因故障原因一直推迟至今。

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发射地点

新西兰北岛玛西亚发射中心1号发射位,

这不仅是新西兰唯一航天发射场,还是全球唯一能够进行近地轨道飞行的私营航天发射场(蓝色起源的德州发射场目前只能进行亚轨道飞行)。

发射程序:54分钟

T-0:电子火箭升空

T-2分42秒:一级火箭发动机关闭

T-2分45秒:一级火箭分离

T-2分48秒:二级火箭发动机点火

T-3分06秒:整流罩展开分离

T-9分12秒:飞入近地轨道空间

T-9分15秒:第二级火箭发动机关闭

T-9分20秒:第三级火箭(居里号上面级)分离

T-51分01秒:第三级火箭(居里号上面级)点火

T-52分07秒:第三级火箭(居里号上面级)关闭

T-54分10秒:6颗卫星陆续部署完成

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有效载荷:一箭六星

这次发射称为It’s Business Time(商业时间),采用一箭六星模式:

① 2颗地球观测微星——Lemur2-74/75(美国环球顶尖公司);

② Tyvak纳米卫星(GeoOptics 地球光学公司建造的);

③ IRVINE01立方体卫星(欧文公立学校基金会ICSP教育项目);

④ 额外增加2颗比邻星卫星(舰队空间技术公司);

⑤ 拖拽帆演示原型(高性能空间结构系统公司)。

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运载火箭:电子火箭

电子火箭( Electron Rocket),以液氧、煤油为燃料。

之所以取名电子火箭,主要是因为火箭发动机的涡轮泵,没采用传统燃气驱动,而是电动机驱动

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最大特点:发射总价低

超低成本,短小精悍——电子火箭身高17米。

起步价490万,一般在500万~600万美元区间,有效载荷在150~225公斤之间,可以将150公斤载荷部署到500公里高的太阳同步轨道。

目前SpaceX猎鹰9号复用火箭发射价3500万美元,尽管平均每公斤发射价1535美元,远远低于电子火箭每公斤发射价21777美元,但每次发射总价两者还是整整差了7倍:500万美元<3500万美元。

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电子火箭的研制商名叫火箭实验室公司(Rocket Lab),这是一家总部在美国加州、发射基地在新西兰的创新火箭公司,2006年创立,目前人数只有200人左右。

2017年5月、2018年1月经过两次试射后,快速切换到商业发射阶段,堪称火箭速度。

不过,计划总是没有变化快。原定在6月下旬进行商业首发,但因为在发射日检查出故障,结果导致发射无限期延迟,直到目前。

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按照CEO彼得·贝克的承诺,他们打算大幅提升发射频次:到今年底实现每月发射一次,未来每月4~5次。

火箭实验室公司大事记

2006年,火箭实验室在新西兰奥克兰成立,主要从事先进航天系统研究。

2009年,首次成功测试Atea-1探空火箭,成为首家可从南半球开展空间活动的私营航天公司。

2010年,获得美国政府“太空作战响应办公室”的合同,研究低成本微纳卫星运载器技术。

2013年,总部迁移至美国洛杉矶,在新西兰马希亚半岛建造发射场。

2014年,对外正式宣布“电子”号火箭研发计划。

2015年,获得NASA“风险级发射服务”项目合同,价值690万美元,用于发射微小卫星。同年,与月球快车公司签订3次月球着陆器的发射合同。

2016年,与顶尖公司签下12次发射合同,与行星公司签订发射协议以及至少3次专用发射。

2017年,宣布美国加州亨廷顿比奇的工厂投产,获得太空飞行公司的一次小卫星发射订单。

我们回顾火箭实验室公司的大事记,就会发现近年来公司发展很快。截止到2017年3月,该公司已完成D轮融资,共获得1.48亿美元总投资,公司估值超过10亿美元。

“电子”号火箭概况

“电子”号火箭是世界上首个采用电驱动推进剂泵的火箭,也是全球首个采用3D打印发动机的火箭,意在为小卫星市场带来高频率的专用发射机会,消除目前搭载发射方式所受到的发射时间和发射轨道等种种限制。

“电子”号火箭是一款小型二级运载火箭,全长17米,直径1.2米,起飞质量10.5吨,500km太阳同步轨道运载能力为150kg,也可以将比较重或较轻的卫星送入较低或较高的轨道,例如45°倾角近地轨道最大运载能力为225kg。火箭一级采用9个卢瑟福发动机,二级采用1台真空型卢瑟福发动机。

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使用“电子”号火箭可以随时发射小卫星,3D打印的发动机使得火箭成本低、发射时间短。电子号火箭单次发射的价格为490万美元,支持预定发射,其中订单共享中发射单体立方星只需约7.7万美元。按年最多发射次数以及发射场许可发射频率,约3天即可发射一次。所以,针对微小卫星发射,电子号火箭极具市场竞争力。

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“电子”号火箭的主要特点:卢瑟福发动机、碳纤维复合材料部件、先进航电系统及模块化设计。

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“电子”号火箭使用的是自研的卢瑟福发动机,该型发动机为液氧煤油发动机,利用高性能的无刷电动机和锂电池驱动发动机泵,形成全新的电驱动泵推进循环,一台发动机的高度只有31厘米,是名副其实的小发动机。火箭一级采用完全相同的9台发动机,每台可以产生18kN的推力,火箭二级的1台发动机针对真空环境做了适应性改动,推力可达22kN。

传统火箭发动机需要利用燃气发生器内产生的高温高压燃气作为工质驱动涡轮旋转,以此带动推进剂泵旋转,从而实现推进剂增压。卢瑟福发动机取消了燃气发生器、涡轮及大量管路阀门,增加了电池组、逆变器和电动机,利用电动机带动泵旋转。

每台卢瑟福发动机配备了2台电动机,每台电动机的功率约37kW,18台电动机可以给火箭一级提供666kW的功率,相应的锂聚合物电池组能为火箭一级提供高达1MW的功率。与传统的涡轮功率相比,电动机的功率较低,但其效率较高,可达90%以上,较适用于小型火箭。

卢瑟福发动机是世界上首个所有主要部件采用3D打印的液氧煤油发动机,包括燃烧室、喷射器、泵和主要推进剂阀门等。通过电子束熔融制造技术,火箭实验室可快速制备传统制造技术无法实现的复杂轻质结构,同时将研制时间从数月降低到数天,显著提升了制造能力。最快24小时,就可以打印出一台卢瑟福发动机。

“电子”号火箭的外壳、内部很多结构部件都采用先进的碳纤维复合材料,实现高强轻质的飞行结构。加之为了减重没有再专门喷涂白色涂层,所以“电子”号火箭通体黑色。采用碳纤维复合材料的整流罩总重只有30kg,相比于采用石墨复合材料、质量194kg的米诺陶火箭标准型整流罩,减重高达80%以上。适应于液氧的碳纤维复合材料储箱,也能够实现大规模减重。

“电子”号火箭采用微型航电系统和箭载计算机系统,采用先进的FPGA构架,在保持硬件通用化的同时,能够实现大规模功能定制,相应航电系统仅重8.6kg。火箭各级电子系统采用模块化硬件结构,只需对其进行编程就可完成不同功能定制,可大幅减少硬件改动,缩减生产制造周期。火箭上面级的设计可实现载荷集成模块与主要辅助组件的有效断开,突破即插即用技术,在数小时内即可实现集成或替换,进而满足火箭高密度、快速发射需求。

另外值得一提的是,原子核物理之父卢瑟福先生,生于新西兰,想必该公司也是非常尊崇,不仅将这款新西兰的运载火箭上使用的具有里程碑的发动机命名为“卢瑟福”,而且公司logo也是像极了受卢瑟福模型影响而制作的原子结构示意图,只是把原来的原子核换成了地球,电子换成了卫星。

(以上报导综合自公众号“三体引力波”,电科院学报公众号作者许元男等)

来自:航空航天 / 喷气推进
5
1
Leopold
3年2个月前
1楼

话说,燃料泵启动的时候用电,之后改用燃气驱动不行吗?如果一直用电驱动的话电池电缆得多重啊

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虎哥
3年2个月前
2楼
引用Leopold发表于1楼的内容
话说,燃料泵启动的时候用电,之后改用燃气驱动不行吗?如果一直用电驱动的话电池电缆得多重啊

人家用电的目地是降低复杂度,提升控制灵活性。电+燃气,不如直接用燃气。

似乎您理解的燃气驱动是发动机点火以后就能从里面取出燃气来驱动,这个难度更大。建议先看书了解燃气发生器循环的一般玩法。

电池的能量密度的确比使用燃料要低。用普通的锂电池组,大概能达到液氧+煤油的十分之一左右,仅从燃料重量来比,当然是使用电池更重。

但是

1、既然是一次性用途,电池就可以只有1次有效寿命,为了测试等各方面需求,用几十百来次寿命的电池就可以了——这就意味着只剩下容量和放电速度的矛盾,相同质量下可以做出更高的容量,甚至达到液氧煤油的五分之一水平。

2、发动机工作时间只有几分钟,需要10C以上的放电率。这会增加电池的设计难度,但现代航模电池也有5C的放电率,火箭上再优化一下也不是什么问题。

3、电动机会占很大的重量。然而,由于工作时间短,电动机也可以主要优化功率密度,做到轻而强大。

以上这些加起来,同省掉燃气发生器、涡轮泵、排气管、各种燃料管道阀门等一大堆东西比起来,恐怕不会增加多少重量,做得好还可能减轻一些。

但是大火箭需要兆瓦级甚至很多兆瓦级的泵功率,规模太大,用电动方案就会出现新的问题。而且燃气泵方案功率越大功率密度越高,相对电泵方案的优势越明显。

电泵是小火箭的福音。

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314152
3年2个月前
3楼
引用虎哥发表于2楼的内容
人家用电的目地是降低复杂度,提升控制灵活性。电+燃气,不如直接用燃气。似乎您理解的燃气驱动是发动机点...

既然都到电池这个份上了,电池不知道可不可以用热电池😀

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Leopold
3年2个月前
4楼
引用虎哥发表于2楼的内容
人家用电的目地是降低复杂度,提升控制灵活性。电+燃气,不如直接用燃气。似乎您理解的燃气驱动是发动机点...

感谢对初学者的指正。那么液推的燃烧室和涡轮泵的燃气发生器是不是两个独立的系统呢?还是说涡轮泵的动力是直接从燃烧室引流过来的?求赐教。

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