隨著近年來加入商業(yè)發(fā)射市場的私營公司越來越多，競爭也越來越激烈。各家公司都在想方設(shè)法尋找自己的“獨門絕招”，形成獨特的競爭力，以求在這個市場中獲得自己的生存空間。
讓人想不到的是，近期一家商業(yè)火箭公司憑借自己產(chǎn)品的一個“出位”操作竟然“出圈”了，成為了大家熱議的話題。這家商業(yè)火箭公司就是美國的小運載研制廠家群星公司。到底是怎么回事呢？
群星公司的“3.3版火箭”
8月28日，群星公司采用其“3.3版火箭”在美國阿拉斯加州科迪亞克島太平洋航天港進(jìn)行了一次入軌發(fā)射試驗。
讓人瞠目結(jié)舌的是，火箭起飛后并沒有直接向上飛升，而是出現(xiàn)了箭體傾斜，隨后向一側(cè)橫向飛行，并在地面之上盤旋。橫向飛行持續(xù)了將近20秒之后，火箭逐漸向上爬升。上升飛行一直持續(xù)到起飛后約2.5分鐘，一級即將結(jié)束工作之時。
火箭點火后橫向飛行
根據(jù)網(wǎng)絡(luò)視頻中播放的箭上拍攝視頻畫面顯示，當(dāng)時發(fā)動機(jī)關(guān)機(jī)，火箭出現(xiàn)翻滾，同時能聽到“終止”的口令聲。
大家經(jīng)常見到的是點火之后向上飛行的火箭，這種點火之后先橫著飛的火箭可以說是頭一次見，因此也就受到了大家的普遍關(guān)注。
后續(xù)，群星公司披露的消息也證實，這是因為火箭發(fā)生了故障，在發(fā)射時產(chǎn)生的一個異?，F(xiàn)象。
該公司聯(lián)合創(chuàng)始人和首席執(zhí)行官肯普在失敗后約90分鐘召開的電話記者會上稱，一級火箭5臺發(fā)動機(jī)中的一臺，由于不明原因在起飛后不到1秒即發(fā)生故障，導(dǎo)致發(fā)射失敗。
大家可能會問了，一般火箭發(fā)動機(jī)發(fā)生故障，火箭不是會爆炸嗎？群星公司的火箭怎么這么“頑強(qiáng)”，掙扎了一段時間，還飛了上去？這就得從火箭的飛行原理說起了。
我們知道，火箭要想獲得向上飛行的速度，其火箭發(fā)動機(jī)的推力一定要大于火箭的重量。對于這個指標(biāo)，業(yè)內(nèi)有一個專用名詞，叫“推重比”。
根據(jù)群星公司發(fā)布的資料顯示，此次發(fā)射的火箭采用液氧和煤油推進(jìn)劑，長11.6米，直徑1.32米，被設(shè)計成能裝入標(biāo)準(zhǔn)貨運集裝箱，設(shè)計太陽同步軌道運載能力為25千克，低軌運載能力為100千克?；鸺患壯b有5臺由電泵驅(qū)動的“海豚”發(fā)動機(jī)，總推力約140千牛；二級安裝單臺“以太”發(fā)動機(jī)，真空推力約3.1千牛。
在此次發(fā)射中，該火箭在一臺發(fā)動機(jī)不能工作的情況下，仍然能維持不墜落地面，且貼著地面橫向移動，說明火箭剩下的仍然在工作的4臺發(fā)動機(jī)所產(chǎn)生的推力恰好與火箭的重量相等。此時的火箭無法獲得向上飛升的加速度。但是隨著火箭發(fā)動機(jī)不斷消耗推進(jìn)劑，火箭的總質(zhì)量在不斷減輕。當(dāng)推進(jìn)劑被消耗到一定程度時，火箭再次獲得向上的加速度，重新開始爬升。
大家可能還有一個疑問，那就是火箭為什么不原地浮空，而是發(fā)生了側(cè)向偏移呢？
這就說明此次火箭發(fā)生故障的那一臺發(fā)動機(jī)并沒有被布置在5臺發(fā)動機(jī)的中間位置，而是布置在了一側(cè)。在這種情況下，火箭的推力不平衡，理論上火箭應(yīng)該傾倒在地才對，但它為什么沒有倒地呢？這就要歸功于火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)了。
我們知道，一般運載火箭都有制導(dǎo)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。制導(dǎo)系統(tǒng)負(fù)責(zé)告訴火箭，在什么時候應(yīng)該轉(zhuǎn)彎，應(yīng)該轉(zhuǎn)多大的彎，以及在什么條件下關(guān)閉火箭發(fā)動機(jī)。遵從制導(dǎo)系統(tǒng)的指令，運載火箭就會最終到達(dá)預(yù)定的軌道。
那么是誰指揮發(fā)動機(jī)偏轉(zhuǎn)，控制火箭執(zhí)行制導(dǎo)系統(tǒng)的指令呢？那就是火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)。
姿態(tài)控制系統(tǒng)要隨時感受火箭當(dāng)前的姿態(tài)，對發(fā)動機(jī)偏轉(zhuǎn)方向進(jìn)行調(diào)整，使火箭的姿態(tài)回歸到制導(dǎo)系統(tǒng)規(guī)定的位置上來。其間，火箭的姿態(tài)必然會受到各種各樣的擾動，姿態(tài)控制系統(tǒng)必須克服這些擾動，控制好火箭的姿態(tài)。
火箭發(fā)射時，制導(dǎo)系統(tǒng)給出的指令一般是垂直九十度向上飛行。當(dāng)群星公司的這枚火箭，在其一側(cè)安裝的一臺發(fā)動機(jī)發(fā)生故障關(guān)機(jī)后，由于火箭的重心要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)動機(jī)推力的作用位置，火箭姿態(tài)控制系統(tǒng)為了保持火箭的平衡，就必須控制發(fā)動機(jī)向另一側(cè)擺動，產(chǎn)生相反的推力力矩，使火箭的姿態(tài)盡量保持在垂直狀態(tài)。但這樣也會產(chǎn)生另外一個副作用，那就是火箭獲得了一個側(cè)向力，推動火箭發(fā)生橫向飛行。
這樣的橫向飛行在高空可能不太能看得出來，在地面發(fā)射階段可是很要命的事，萬一方向不對，火箭橫向偏移撞上了發(fā)射塔架，那肯定是一場重大事故。為此運載火箭起飛時的推動比不能太小，火箭距離發(fā)射架也要離開一定的距離，這樣火箭才會盡快安全地離開地面，到達(dá)它可以盡情施展的廣袤空間中去。
群星公司火箭發(fā)生的一次意外，不僅使群星公司受到了意外的關(guān)注，也讓我們看到了火箭技術(shù)的復(fù)雜和精密。對于運載火箭這樣復(fù)雜的系統(tǒng)，真是牽一發(fā)而動全身?；鸺こ處焸儽仨殞鸺拿恳粋€細(xì)節(jié)都孜孜以求，才能確保它順順利利地升空入軌。
（本文刊登于2021年9月11日的《中國航天報·飛天科普周刊》）
