中科宇航向世界最大固体火箭发起冲击

　　文 | 《卫星与网络》李刚
　　北京中科宇航探索技术有限公司近日公布了两型固体运载火箭计划，首型火箭中科一号甲（ZK-1A）计划2021年9月首飞，2022年具备商业发射能力；第二型火箭中科二号（ZK-2）计划2022年12月首飞，2023年具备商业发射能力。中科一号甲和中科二号火箭的起飞质量分别为135吨、343吨，迈入全球最大固体运载火箭行列。
　　固体火箭日益＂壮大＂，瞄准更大用户市场
　　固体运载火箭一直是各航天强国运载体系中不可或缺的组成部分，它简单、可靠，射前无需加注推进剂且可长期整箭存储，操作简捷、响应快速、发射高效。在应用领域军民两用，既可用于军用和应急快速发射，也可以日常发射民用和商用卫星。固体火箭使用灵活便捷，对发射场依赖程度低，极大地丰富了火箭的使用和发射模式，可以从陆地、海洋甚至空中发射，能够有效缓解发射场资源紧张局面。
　　面对即将到来的全球低轨中小卫星发射高峰期，固体运载火箭是中小型卫星、追求效率的星座组网发射的最优选择之一。
　　但因受到制造、运输条件的限制，大部分固体火箭的运载能力不高。常见固体运载火箭的太阳同步轨道（SSO）运载能力不超过1吨。这样就造成了平均到每千克上的发射成本并不低，而且很难发射大型卫星，也不能大数量一箭多星组网发射。
　　随着固体运载火箭技术的进步和能力的提升，固体运载火箭也在日益＂壮大＂，运载能力的不断突破，大大扩展了固体运载火箭的服务范围。
　　首飞于2012年2月的欧空局织女星（Vega）火箭就是一个典型代表，700千米SSO轨道的运载能力达到了1.5吨，欧空局还在研制推力更大的织女星-C火箭，运力将提升到2.2吨（700千米SSO轨道）。
　　无独有偶，中国也在积极研制更大的固体运载火箭，中国航天科工集团在快舟一号甲火箭稳定提供商业发射服务之后，于今年7月10日首次发射了运力更大的快舟十一号火箭，其发射质量达78吨，箭体直径2.2米，700千米SSO轨道运载能力达到1吨。中国航天科技集团的长征十一号火箭是一种重58吨，700千米SSO轨道运载能力420千克的小型运载火箭，其在研的改进型号长征十一号甲，起飞重量则增加到115吨，箭体直径增加到2.65米，700千米SSO能力将达到1.5吨。
　　而中科宇航本次公布的两款固体运载火箭近地轨道运载能力达到2~4吨，起飞重量在全球现役、在研固体运载火箭中位居前列，进一步实现了大型化，将有效满足全球尤其中国商业航天发射的旺盛需求。
　　百吨级起步全球首款CBC构型固体火箭
　　中科系列固体运载火箭起步较高，起飞质量都超过百吨，包括中科一号（ZK-1）和中科二号（ZK-2）固体运载火箭，其中中科一号火箭经过简化构型衍生出中科一号甲（ZK-1A）和中科一号乙（ZK-1B）两型火箭。
　　中科宇航固体运载火箭型谱
　　中科一号的芯一级到芯四级分别使用200吨级、100吨级、50吨级和10吨级固体火箭发动机，捆绑4个固体助推器，近地轨道运载能力可达3吨。中科一号甲火箭为无助推型号，近地轨道运载能力约为2吨，其中700千米SSO轨道运力为1.33吨，不仅远超过国内型号，也超过了美国米诺陶4火箭的1.1吨和欧洲织女星火箭的1.5吨。中科一号乙为并联两台固体助推器的捆绑火箭，近地轨道运载能力约为2.5吨。总而言之，通过模块化和组合化设计，中科一号火箭及其衍生型中科一号甲、乙型号覆盖了近地轨道2~3吨的运力范围，可以满足很大一部分近地轨道任务的发射需求。
　　ZK-1A固体运载火箭示意图及相关参数
　　中科二号火箭可以说是固体火箭家族中名副其实的＂胖子＂。其芯一级、芯二级、助推器均继承中科一号成熟的一子级模块，并沿用中科一号的四级发动机。在2.65米直径固体火箭芯级外侧捆绑并联两枚同样的固体助推器，将成为世界上最大的固体运载火箭之一，火箭总长度39.7米，起飞质量343吨，700千米SSO轨道的运载能力提高到了3.55吨，不仅远高于尚在研制中的织女星-C大型固体运载火箭，甚至高于现役的长征二号丙、长征四号乙和长征四号丙中型液体运载火箭。中科二号火箭还使用了4米和4.2米直径的大尺寸整流罩，足以满足大中型卫星或大数量小卫星组网发射需求。
　　ZK-2固体运载火箭示意图及相关参数
　　值得一提的是，中科二号火箭使用了固体运载火箭中极为少见的通用助推芯级（CBC，Common Booster Core）方案。CBC是指采用同样的火箭级段组合起来，成为火箭一级，能够有效简化设计、制造和流程控制，美国的德尔塔IV重型火箭、俄罗斯的安加拉和美国的猎鹰重型火箭就采用了这样的思路，不需要研制新的更大推力发动机，最大程度缩短研发周期和成本，多快好省地大幅提高运载能力。但在固体火箭上，CBC方案的采用还是第一次。
　　德尔塔4、安加拉、猎鹰重型的CBC构型图（均为液体火箭）
　　ZK-2固体运载火箭CBC构型捆绑设计
　　多举措降成本，先进性可圈可点
　　传统固体运载火箭存在单位发射成本过高的问题，但和液体运载火箭一样，火箭越大单位发射成本越低。中科一号、二号有固体火箭中最低廉的发射成本，CBC构型的使用也进一步降低了发射成本。
　　为了简化发射准备操作流程，中科一号甲火箭使用了地面测发控和箭上航电一体化设计，可以用笔记本远程控制发射。发射系统采用了三平一垂设计，进一步缩短了发射准备时间，减少了发射场租金成本。
　　经过综合测算，中科一号甲固体火箭的发射价格目标为7万元/kg，将成为目前世界起飞质量最大、综合成本最低，性价比国际领先的固体运载火箭。
　　中科系列固体运载火箭在追求低成本的同时，也实现了多项技术先进性，例如拥有较高的运载系数。运载系数指的是入轨载荷占火箭起飞质量的比例，它是运载火箭性能的一个重要指标，是运载火箭综合设计水平的重要体现。SpaceX的猎鹰九号火箭备受追捧，一个重要原因就是运载系数在现有火箭中独占鳌头。中科一号甲火箭近地轨道运载系数远超1%，700千米SSO轨道的运载系数也接近1%，是当今固体运载火箭中的楚乔，比日本艾普斯龙（Epsilon）固体运载火箭的0.5%高得多，甚至超过了一些老款的液体火箭。
　　火箭首飞在即，前景值得期待
　　中科一号甲和中科二号火箭的研制进展顺利。中科一号甲预计2021年9月首飞，2022年投入商业发射市场。中科二号预计2022年12月进行首飞，次年具备商业发射能力，未来可通过更换液体末级组成固液混合火箭进一步提高运载能力，拓展发射灵活性和适应性。届时，中科二号有望成为国内，也是全世界最大的、发射成本最低的固体运载火箭，中科宇航将在商业发射市场上成为一个有力竞争者。