全球最大固體運載火箭“引力一號”首飛成功，刷新多項紀錄

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導語：2024年1月11日，東方空間公司研製的“引力一號”遙一運載火箭從“東方航天港”號發射船上發射。姿軌控系統完成末修後，“廊坊空間一號”“三峽遙感一號”“聯信盈達一號”三顆雲遙一號氣象空間遙感衛星進入軌道。“引力一號”運載火箭是國內運載能力最大的民商運載火箭和世界上最大的固體運載火箭。

一、跟其他固體運載火箭不一樣的外觀

“引力一號”運載火箭的外觀很有特點，不同於世界上絕大部分的固體運載火箭只有一個光桿，該運載火箭採用了相同直徑的助推器和一級捆綁設計，導致火箭整體比例相比M-V，穀神星一號，Vega等細長的火箭看起來不那麼協調。甚至被戲稱爲“你剛玩KSP的時候會捏出來的火箭”。

但這絕對不是一拍腦袋想出來的構型。引力一號採用這種設計是體現了對海上發射的優化。2.65m固體火箭做到600噸推力在原理上沒有任何問題。但這會帶來多個問題，第一就是讓火箭高度直接翻倍。想實現這麼長的一級，必須使用分段澆築固體火箭技術才能實現。增加了技術難度和投入，並且分段式固體火箭帶來了額外的風險。

第二，由於“引力一號”並未在審覈管理較爲嚴格的內陸基地發射，而是選擇了審批較爲寬鬆的海陽進行海上發射，這就需要面對搖晃不定的海面了。如果做一個細長的固體火箭，那麼對海面波高的要求會很高，不然火箭在不大的浪下就會產生極大的橫搖。如果這個值過大有可能超出遙測和控制系統的測量能力，導致火箭出現起飛後橫飛等一系列毀滅性結果。

第三，雖然2.65米直徑固體理論上可以做到600噸推力，但由於它的直徑過小，一方面導致工作時間不足，另一方面大燃氣流量會導致發動機喉部尺寸會很大，因此噴管的擴張比不會很大，火箭性能也會受到影響，而更大直徑的固體火箭發動機在火箭研發的時候並未出現，且價格會更高。因此“引力一號”火箭最終使用了更爲合理且可靠的助推捆綁+芯級高空點火方案。

“引力一號”運載火箭採用僞四級固體方案，其固體助推器，芯一級和芯二級採用2.65m直徑碳纖維纏繞複合材料（CFRP）殼體，裝填被稱爲“中能推進劑”的，採用端羥基聚丁二烯（HTPB）作爲粘合劑的固體推進劑。這種推進劑的海平面比衝可以達到255秒以上，真空比衝290秒以上。三級採用碳纖維纏繞複合材料殼體的高精度高空固體火箭發動機，搭配由東方空間自研的雙組元姿軌控系統。姿軌控發動機採用一甲基肼-綠色四氧化二氮組合。在發射期間，海陽海上溫度達到零下5℃，考慮到低溫會對固體燃料產生影響，可能損害其力學特性等，“引力一號”被厚厚的保溫層所覆蓋，以免重蹈STS-51-L任務的悲劇。保溫層在發射前6小時被取下。

“引力一號”運載火箭的助推器、一級和二級火箭均配備有推力矢量裝置（TVC）以控制固體火箭擺動，驅動火箭進行偏航、俯仰和滾轉三個通道上的控制。“引力一號”採用25kW超大功率電動伺服以驅動搖擺噴管，這項技術也在長征六號甲運載火箭助推器FG-112上用過，對標歐洲“阿麗亞娜6”火箭的P-120C固體火箭助推器。早期固體運載火箭，如Thiokol公司爲Titan-3運載火箭配備SRM採用噴射高氯酸鍶，高氯酸銨溶液等進行推力方向控制。長征11號運載火箭通過使用一個小的APU產生燃氣供給TVC，這兩者都存在着效率較低和可用工質有限的缺點。而電伺服是更先進的技術，擁有價格低廉和響應速度快，行程長的特點，但驅動力較小，因此在國內大型運載火箭上的使用有限。“引力一號”的成功發射將極大的拓寬電伺服的應用邊界，爲其在以後更大的固體火箭發動機（SC150）和液體火箭發動機上使用鋪平了道路。

“引力一號”採用固體捆綁火箭也會遇到一些問題，一個顯著的問題在於，由於固體火箭發動機的燃速和燃面並不恆定，導致固體火箭發動機的推力相比液體火箭發動機，會產生一定變化。而固體助推器裝藥的不均勻性會導致四根助推器產生的推力會存在略微變化。因此火箭需要針對這一項誤差進行修正。這種技術最早用在“長征六號A”上，但“引力一號”完全依靠固體助推器提供控制力，因此對固體助推器控制的精度需求更大。通過採取大量模擬，優化軟件邏輯，提升固體火箭助推器內彈道一致性，並且提前點燃第一級火箭以在助推器推力下降的時候獲得足夠的控制力等手段，東方空間已經成功克服了困難，實現了火箭首飛圓滿成功。

“引力一號”火箭起飛質量爲405噸，近地軌道運載能力6.5噸，500km太陽同步軌道運載能力4.2噸，700km太陽同步軌道運載能力3.7噸，未來換裝液體末級的引力一號甲運載火箭500km太陽同步軌道運載能力計劃爲5.9噸。這個數字遠大於目前“織女星C”的2.5噸，但其首飛考慮到可靠性原因，火箭並未完全向運載能力方面優化，而是增添了冗餘，最終首飛載荷爲3噸。

二、全球最大的固體運載火箭

作爲世界上最大的固體運載火箭，它並不同於之前民營航天初創研發大多選擇的200-300kg級小型運載火箭，或是和1噸級區間的“快舟11”，“捷龍三號”“中科一號甲”固體火箭競爭，而是選擇直接和“朱雀二號”，“智神星一號”等4-6噸級運載能力的中型液體運載火箭同臺競技，甚至運載能力還要高一點，這也是不同尋常的。

“引力一號”的研發和首飛晚於目前市場上已經存在的小型固體運載火箭，而國內在這個運力區間市場下的競爭十分激烈，東方空間如果在第一款運載火箭上採用小型火箭方案，競爭過“穀神星一號”等成熟高性能固體運載火箭想必是不太容易的。

而固體運載火箭擁有研發週期短、研發成本低、場區週期短的特點，再加上東方空間從四院獲得了2.65米直徑固體運載火箭技術，再加上目前跟他運力範圍重疊的“朱雀2”仍然處在痛苦的變革階段，“智神星一號”因爲發動機可靠性原因持續推遲，反而讓固體的“引力一號”後來居上，瞄準目前正在推進的一系列中小型衛星星座研製。由於目前國內運力不足，運載能力形成的早，就能早撈訂單，因此採用固體大型火箭方案反而是在市場環境下的一種智慧。“引力一號”從提出到發射只過了三年。東方空間表示，目前該火箭已經接到包括長光衛星在內的大量訂單，數量和質量均居於國內民營首位。該火箭目前計劃在2024年第三季度和第四季度再各發射一次。

一系列中大型低軌道互聯網/通導/遙感星座的提出對目前民營航天運載火箭的性能產生了較高的需求，如星網工程和G60“滬聯網”。而大批量發射這種衛星的話，目前3.35m級別的中型運載火箭並不夠看，需要更大的低成本10-20噸級運力的運載火箭，如“朱雀3”“天龍3”等，但這些火箭首飛都要到2024-2025年以後。事實上一款中高性能液體運載火箭的研發需要至少2-3年的時間和較大的資金投入。入局較晚的公司必須形成一種快速產生較大運力的方案。因此東方空間藉助“引力一號”運載火箭較大的運載能力仍然可以奪得先機，提前開始批量化發射。爲此“引力一號”配置了4200mm大直徑整流罩，以適合低軌道星座的堆疊或者側掛發射方案，也可以發射中小型的貨運飛船或商業衛星拼車發射等載荷。

但是我們仍然需要明白，固體運載火箭受制於燃料成本和較高價值的殼體等限制，單位成本一般不會低於7萬人民幣每公斤（得益於規模較大，“引力一號”運載火箭的單位成本低於5萬人民幣），而液體運載火箭可以達到更低的價格。先進高性能重複使用液體火箭更能大幅度降低發射成本，是實現大型星座建設必不可少的項目。東方空間也在推進屬於自己的大型液體運載火箭“引力2號”的研製，該運載火箭使用的“原力-85”液氧/煤油火箭發動機在2023年底實現了半系統試車（即燃氣發生器-渦輪泵聯合試驗）。爲攻克重複使用的技術難點，東方空間計劃在1年內實現垂直起降演示任務。目前該公司已經宣佈攻克了先進箭上計算機，凸優化算法等，計劃在2025年首飛“引力2號”大型液體運載火箭。東方空間CEO表示該火箭單位成本能夠接近一次性“獵鷹9”。

結語：另外，此次發射使用的“東方航天港”號發射船是國內首條專用發射船。該船排水量22000噸，採用全電推進並且配備自動定位維持系統，可以在海浪衝擊的情況下依靠船體側面的螺旋槳推進實現穩定。但自動定位系統並未在本次發射中使用，而是採用了四個錨分別固定船的四角。“東方航天港”號還能執行遠海發射，並且實現液體運載火箭的發射和回收。在閒暇時刻還能充當運輸船進行大件貨物運輸，實現了一船多用。