根據(jù)原計劃，北京時間2023年3月9日02:00至05:00（下同北京時間），“人族1號”（Terran 1）運載火箭會從佛羅里達州卡納維拉爾角太空軍基地（CCSFS）LC-16工位發(fā)射升空，最終由于芯二級推進劑溫度超標(biāo)而將發(fā)射推遲至3月12日相同的窗口時間，稍作延后“人族1號”這型特別的火箭即將登場。

世界第1型成功入軌的液氧甲烷火箭？

“人族1號”（Terran 1）運載火箭由總部位于美國加州長灘（LONG BEACH）的相對論航天公司（Relativity Space）研制，為兩級液體運載火箭。該箭芯一級、芯二級直徑均為7.5英尺（約2.29米），主動力系統(tǒng)采用液氧甲烷推進劑。該箭芯一級長55.7英尺（約16.98米），配備9臺Aeon 1發(fā)動機，單臺真空推力25400磅力（約11.53噸），比沖大于310秒；芯二級長37.4英尺（約11.40米），配備1臺真空Aeon（Aeon Vac）發(fā)動機，真空推力29800磅力（約13.53噸），比沖大于360秒。

Aeon 1與真空Aeon均采用燃氣火炬點火（Gas-Gas Torch），自生增壓（Autogenous），燃氣發(fā)生器循環(huán)（Gas Generator）。在控制姿態(tài)方面，芯一級依靠發(fā)動機擺動（Engine Gimbal），芯二級依靠低溫氣體噴射加發(fā)動機擺動（Cold Gas & Engine Gimbal）。

“人族1號”長115.4英尺（約35.17米），其185千米近地軌道（LEO）運力1.25噸，500千米太陽同步軌道（SSO）運力0.9噸，1200千米SSO運力0.7噸。由于此前中國的“朱雀2號”火箭首飛失利，美國的“星艦”和“火神”火箭分別計劃于4月和5月首飛，“人族1號”有機會成為世界第1型成功入軌的液氧甲烷運載火箭。

3D打印“含量”最高的火箭

不同于傳統(tǒng)的運載火箭，“人族1號”是世界第1型3D打印火箭，其3D打印零部件總質(zhì)量占結(jié)構(gòu)質(zhì)量的85%，是目前世界上3D打印“含量”最高的1型火箭。3D打印技術(shù)的應(yīng)用為“人族1號”火箭的研制生產(chǎn)帶來了全方位的提升，形成了生產(chǎn)周期短、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢。

2個月實現(xiàn)從原材料到發(fā)射。相對論航天公司打造了專有的以“星門”（Stargate）3D打印機為中心的未來工廠（以下簡稱“星門”工廠或未來工廠），是首個實現(xiàn)火箭制造自動化的航空航天平臺，工廠垂直整合了智能機器人、軟件和專有3D打印技術(shù)（intelligent robotics, software, and data-driven 3D printing）以實現(xiàn)數(shù)字化制造?！靶情T”是世界上最大的金屬3D打印機，用于“人族1號”和“人族R”火箭的生產(chǎn)，可在60天內(nèi)實現(xiàn)從原材料到飛行的過程。如果換做傳統(tǒng)火箭，采用傳統(tǒng)工廠的火箭從原材料到飛行的過程需要至少24個月。

零件減少99%。依靠傳統(tǒng)生產(chǎn)方式打造的運載火箭，其零件數(shù)量超過10萬個?！靶情T”工廠是第1家使用數(shù)據(jù)驅(qū)動學(xué)習(xí)（data-driven learning）來全方位改進火箭制造的航空航天工廠，通過對“人族1號”的箭體結(jié)構(gòu)和發(fā)動機進行3D打印，將整箭零件數(shù)量壓縮至1000個以下，減少了99%以上，并顯著減少了接觸點和交付時間，大大簡化了供應(yīng)鏈，提高了整體系統(tǒng)的可靠性。

單發(fā)定制火箭僅需1200萬美元。60年來，航空航天制造業(yè)一直依靠大型工廠、固定工裝（fixed tooling）、復(fù)雜的供應(yīng)鏈和大量的人工，這導(dǎo)致火箭制造成本高昂。通過采用3D打印技術(shù)，“星門”工廠實現(xiàn)了零固定工裝和徹底減少零件數(shù)量（Zero fixed tooling and radical part count reduction），簡化了生產(chǎn)過程、提高了生產(chǎn)效率，最終降低了火箭的生產(chǎn)成本。Aeon系列所有發(fā)動機使用的都是面向未來的推進劑液氧/甲烷（liquid oxygen/liquid natural gas），這是火箭推進的最佳推進劑，在兼顧性能的同時擁有很低的成本。

目前，“人族1號”火箭“專車”任務(wù)（dedicated mission）的報價是1200萬美元，以其LEO任務(wù)為例，其LEO運力為1.25噸，滿載狀態(tài)下單位質(zhì)量發(fā)射成本約9600美元，具備一定的競爭力。

人工智能打造聰明的火箭工廠

作為未來工廠，“星門”工廠采用了實時質(zhì)量控制和零件檢查（real-time quality control and part inspection）、智能數(shù)據(jù)驅(qū)動制造（Intelligent data-driven manufacturing）、機器學(xué)習(xí)控制算法（Machine learning control algorithms）、協(xié)同加減法實現(xiàn)復(fù)雜幾何（Collaborative additive and subtractive process enables complex geometry）等人工智能（Artificial Intelligence，AI）應(yīng)用，將“星門”3D打印機與人工智能驅(qū)動控制（AI-driven controls）相結(jié)合，不斷優(yōu)化生產(chǎn)，從而大大提高了質(zhì)量和優(yōu)化了時間，降低了成本，并實現(xiàn)了以前無法實現(xiàn)的產(chǎn)品設(shè)計。

相對論“人族1號”首飛任務(wù)代號為“Good Luck, Have Fun,”（“好運，開心”），只在整流罩中搭載了一個金屬環(huán)，這是該公司生產(chǎn)的第1個3D打印部件。按計劃，發(fā)射工作將把芯二級送入高度200千米的近地軌道，整流罩不分離，是一次不以發(fā)射衛(wèi)星為目的的測試飛行。

此次測試飛行的最大目標(biāo)是證明這枚火箭能夠應(yīng)對發(fā)射的嚴(yán)峻考驗，其中最大挑戰(zhàn)來自火箭升空后約80秒，火箭將面臨最大動態(tài)壓力（Max-Q）考驗。如果順利過關(guān)將從根本上證明使用增材制造技術(shù)（additive manufacturing tech）生產(chǎn)飛行產(chǎn)品的可行性。

對于“人族1號”火箭，相對論公司沒有過高期待，順利度過最大動壓環(huán)境就完成了飛行目標(biāo)，要在首飛即實現(xiàn)成功入軌難度非常大，畢竟是新公司用新技術(shù)打造的新火箭。如果首飛失敗，相對論公司有可能就此放棄“人族1號”開發(fā)，轉(zhuǎn)而全力研制被寄予厚望的“人族R”，不過這一切取決于火箭失敗的原因和火箭用戶的訴求，看客戶是希望繼續(xù)生產(chǎn)更多的“人族1號”來解決這型火箭上的問題，還是希望公司解決他們最感興趣的“人族R”火箭上剩余的科學(xué)問題。

又一型甲烷火箭“人族1號”沖擊入軌首飛，能否成為世界第1型成功入軌的液氧甲烷運載火箭？“好運，開心”！

作者：大白高國