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首次使用甲烷燃料，相对论空间人族1火箭超额完成既定任务

2023-03-24 15:50

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创哈尔鲍曼9000 科学剃刀

Relativity Space是一家雄心勃勃地开发完全可重复使用火箭的公司，周三晚上从卡纳维拉尔角发射了第一个消耗性甲烷燃料助推器，成功展示了发射器首创的3D打印结构的强度，但在试飞第二阶段发生故障后未能到达轨道。

这种名为Terran 1的两级火箭是第一个主要用3D打印制造的轨道级发射器，也是第一个使用甲烷作为燃料的美国制造的运载火箭。周三晚上，Terran 1首飞的初始阶段似乎按计划进行，直到第二阶段应该在升空后近三分钟点燃之前没有报告任何问题。

上级的Aeon发动机应该点燃五分钟的燃烧，以将火箭加速到轨道速度，大约17，000英里/小时。但是第二级的摄像机显示了发动机的间歇性火焰，似乎没有达到全推力。根据Relativity的试飞现场网络直播中的速度读数，火箭的最高速度达到约4，600英里/小时（每小时7，400公里），然后在短暂翱翔太空时开始减速。

Relativity的发射主管克莱·沃克（Clay Walker）在任务开始五分钟左右的公告中证实，第二阶段存在异常情况。

相对论空间的人族1号火箭上的上级发动机似乎在今晚的试飞中点火后不久就溅射了。

该公司确认了上级的异常情况，Terran 1将无法在其首次 launchhttps://t.co/5SAWJ1O3G3 pic.twitter.com/SJiMpYQmOZ 上进入轨道

— 现在太空飞行（@SpaceflightNow） 2023 年 3 月 23 日

人族1号火箭的首次试飞没有卫星。火箭的碎片可能落入卡纳维拉尔角以东约400英里的大西洋。

Relativity Space是一家成立于2015年的加州初创公司，在Terran 1试飞之前表示，其试飞的主要目标之一是证明3D打印火箭可以承受发射的极端振动和力，特别是在飞行阶段称为Max-Q或最大空气动力压力。该公司表示，周三晚上在Terran 1试飞中收集的数据将有助于开发Relativity未来的火箭，这是一种名为Terran R的完全可重复使用的发射器。

“首次发射总是令人兴奋，今天的飞行也不例外，”Relativity Space测试和发射技术项目经理Arwa Tizani Kelly说。“虽然我们没有到达轨道，但我们大大超过了第一次发射的关键目标，目标是在Max-Q收集数据，这是飞行中最苛刻的阶段之一，并实现阶段分离。今天的飞行数据对我们的团队来说将是无价的，因为我们希望进一步改进我们的火箭，包括Terran R。

Terran 1首次发射前的地面测试表明，3D打印火箭可以承受与用铝，碳纤维或不锈钢等更传统材料制造的运载火箭类似的力。周三的飞行测试似乎证实了这些发现。

Relativity在Twitter上发布的一份声明中表示，Terran 1火箭通过Max-Q幸存下来是“我们新型增材制造方法的最大证据”。

“今天是一个巨大的胜利，有许多历史性的第一次，”相对论说。“我们还通过主机切断和级分离取得了进展。我们将在未来几天评估航班数据并提供公开更新。

这是相对论空间在美国东部时间晚上11：25（0325 UTC）从卡纳维拉尔角发射的第一枚Terran 1火箭的重播。

这枚甲烷燃料的3D打印火箭爬入太空，由九台主发动机提供动力，但上级故障阻止它到达轨道.https：//t.co/5SAWJ1O3G3 pic.twitter.com/YoK79nmM5C

— 现在太空飞行（@SpaceflightNow） 2023 年 3 月 23 日

Relativity的第一枚Terran 1火箭于美国东部时间周三晚上11：25（UTC周四0325）从卡纳维拉尔角太空部队站的16号发射场升空，此前本月早些时候进行了两次倒计时。

周三晚上，强烈的上层风和一艘误入大西洋发射危险区域的船只将110英尺高（33.5米）的人族1号火箭的升空延迟了近一个半小时。但随着这些问题的解决，Relativity的发射团队开始倒计时，并在将发射序列的控制权移交给计算机之前进行了最后的一系列检查。

由Relativity设计和制造的九台甲烷燃料Aeon 1发动机在发射前六秒点燃并节流至全功率，产生207，000磅的推力。在最后一秒的健康检查后，火箭的计算机发出了释放压紧约束的命令，人族1号爬离了相对论的发射台。

当人族1号飞入大气层时，九台主发动机产生了蓝色的排气火焰，从卡纳维拉尔角向东行驶，然后在任务开始大约一分钟时超过了音速。下一个关键测试发生在T+加80秒，当时火箭到达Max-Q。

人族1号由九台甲烷燃料发动机提供动力爬上天空。资料来源：Michael Cain / Spaceflight Now / Coldlife Photography

第一级的Aeon 1发动机在T+加2分40秒时关闭，片刻后释放第一级助推器。然后上级应该点燃其发动机，为人族1号火箭提供轨道速度。

但是火箭的速度开始下降，相对论宣布试飞提前结束。

Terran 1火箭旨在将超过一吨的货物拖入低地球轨道。该火箭针对的是中小型卫星的商业发射市场，使Relativity成为过去几年上线的几家私人开发的小型卫星发射公司之一。

相对论空间在3月11日的第二次发射尝试中发射人族1号火箭的半秒内。

该公司表示，当计算机在升空前半秒检测到问题时，倒计时会自动中止。地面团队将新软件上行链接到火箭以修复故障，然后在3月11日晚些时候再次尝试发射Terran 1火箭。但是倒计时再次停止在T-45秒，当时计算机检测到第二级甲烷燃料箱中的压力略低。

工程师们取消了3月8日的一次发射尝试，当时地面系统问题阻止了火箭的低温液氧读取适当的温度。

在软件调整和倒计时序列的轻微更改之后，Relativity准备在周三晚上再次尝试。

如果Terran 1火箭在周三晚上顺利完成八分钟的飞行，它将成为历史上第一个进入轨道的甲烷燃料发射器，击败两枚更大的火箭 - 联合发射联盟的Vulcan和SpaceX的Starship - 计划在未来几周或几个月内尝试首次全面试飞。

Relativity Space的联合创始人兼首席执行官蒂姆·埃利斯（Tim Ellis）表示，甲烷是“未来的推进剂选择，特别是对于可重复使用的火箭”。

甲烷是一种比煤油更有效的燃料，煤油用于SpaceX的猎鹰9号火箭，俄罗斯的联盟号发射器和ULA的Atlas 5。与煤油相比，它燃烧得更清洁，发动机内的残留物更少，便于任务之间的翻新和重复使用。

相对论空间的Terran 1火箭在这张长时间曝光的照片中划入太空。在分段分离时条纹切断之前，其独特的蓝色排气装置在此视图中很明显，并且不会随着第二级发动机的预期点火而重新出现。资料来源：Michael Cain / Spaceflight Now / Coldlife Photography

在第一艘Terran 1离开发射台之前，Relativity开始开发一种更大的完全可重复使用的火箭，称为Terran R，该公司表示该飞船将成为“能够在地球，月球和火星之间执行任务的点对点太空货轮”。

尽管与Terran R有着远大的抱负，但更温和的Terran 1火箭的首次试飞是Relativity的一个重要里程碑，Relativity是一家由Ellis和Jordan Noone于2015年创立的公司，他们是大学同学，曾在Blue Origin和SpaceX担任工程师。现年32岁的埃利斯是Relativity的首席执行官，而30岁的Noone于2020年辞去了该公司首席技术官的职务。

该公司目前拥有约1，000名员工，在加利福尼亚州长滩拥有100万平方英尺的总部和工厂，以及13亿美元的风险投资和股权融资，其中包括亿万富翁马克·库班（Mark Cuban）的早期50万美元投资。2021 年，该公司在发射任何火箭之前达到了 42 亿美元的估值。

Relativity的收入运营副总裁Josh Brost在Terran 1发射前告诉Spaceflight Now，第一次尝试进入轨道并不能“定义公司的成功”。

“在发布时还可能发生许多其他事情，对我们来说仍然被认为是非常成功的，”布罗斯特在接受采访时说。

布罗斯特说，在第一次Terran 1发射时通过Max-Q将“不仅向我们自己，而且向世界展示，3D打印火箭确实可以胜任这些发射环境的任务。

Terran 1火箭可以将多达2，755磅或1，250公斤的货物运送到低空轨道。这比其他商业小型卫星发射器要多得多，例如火箭实验室的电子飞行器。Relativity表示，它以1200万美元的价格出售Terran 1火箭的专用发射，大约是较小的Rocket Lab飞行器的两倍。

相对论空间公司的人族1号火箭在卡纳维拉尔角太空部队站的16号发射场上。资料来源：相对论空间/特雷弗·马尔曼

Relativity Space不仅开发了Terran 1火箭，从零开始设计了Aeon火箭发动机，该公司还推出了四代3D打印机，每台打印机都能够以更快的速度和更低的成本建造更多的火箭部件。

Terran 1火箭的20，458磅（9，280公斤）结构质量中约有85%是用3D打印技术制造的，包括其Aeon发动机。该公司表示，3D打印使Relativity能够制造出比使用传统方法制造的运载火箭少100倍的零件。

Relativity使用专有铝合金在其3D打印机上生产了Terran 1火箭的主要结构和推进剂罐。发动机推力室、喷油器和涡轮泵、反应控制推进器和增压系统也依赖于 3D 打印技术。其他部件，如航空电子设备和飞行计算机，是使用传统方法制造的，布罗斯特说。

该公司发言人表示，在卡纳维拉尔角和美国宇航局密西西比州斯坦尼斯航天中心的测试台上进行的广泛火箭测试给了官员足够的信心继续进行人族1号发射，尽管没有按原计划完成第一阶段的全程试射。Relativity说，发动机和Terran 1的自生加压系统使用自生气体来维持推进剂罐中的压力，在最近的地面测试中表现良好。

“我们非常有意地试图尽快到达发射台，以最大限度地提高学习速度，”布罗斯特说。

总体而言，Relativity在斯坦尼斯航天中心的发射台上进行发动机鉴定和验收测试期间，已经完成了191次Aeon 1热火测试，运行时间为10，900秒。

Terran 1火箭的第二阶段由单个“Aeon Vac”发动机提供动力，该发动机针对太空射击进行了优化，完成了一个完整的“任务占空比”，模拟了它将在试飞中执行的燃烧。相对论还完成了Terran 1火箭第一级和第二级的结构载荷测试，以及级分离和其他“飞行临界”机制的功能测试。

相对论还完成了人族1号在密西西比州第二阶段的“任务周期”测试，然后将其运往佛罗里达州进行发射准备。任务工作周期运行整个上级，包括发动机，通过与飞行中经历的测试序列相匹配。

Tim Ellis，Relativity Space的联合创始人兼首席执行官。资料来源：相对论空间

人族1号火箭的出发点16号发射场是卡纳维拉尔角一个长期休眠的设施，曾经用于泰坦和潘兴导弹试验，以及美国宇航局阿波罗服务模块发动机的试射。发射综合体16最后一次用于发射是在1988年，位于卡纳维拉尔角历史悠久的“导弹排”，联合发射联盟的Delta 4发射台以南，SpaceX火箭着陆区以北。

在2016年宣布获得军方批准使用16号发射场后，相对论建造了一个火箭加工机库，竖立了防雷塔，并在现场安装了推进剂储罐。

Relativity去年六月将Terran 1火箭运送到卡纳维拉尔角进行最终整合和测试。

周三晚上升空后，卡纳维拉尔角的正东轨迹旨在将Terran 1火箭置于与赤道倾斜28.5度的低空轨道上，与佛罗里达太空港的纬度相同。

Terran 1火箭在周三晚上的任务中没有测试的一件事是有效载荷整流罩，这是一种航空外壳，在火箭最初爬升穿过大气层时保护卫星，然后在它们到达太空后抛弃以显示有效载荷。Relativity首次试飞中使用的Terran 1有一个空气动力学鼻锥，它的设计不是为了与火箭分离。

一个6英寸宽的金属环是几年前相对论印刷的第一批测试物品之一，作为象征性的有效载荷，它被骑在人族1号的鼻锥内。

布罗斯特说，在Terran 1的首次试飞中放弃飞行有效载荷整流罩的决定只是为了确保该公司将注意力集中在火箭必须工作才能到达轨道的部分上。

“如果你看看新火箭是如何失败的，有许多不同的故障模式，系统可能会遇到麻烦，”布罗斯特在发射前的采访中说。“这些确实是我们努力的重点。

“这让我们努力进行大量的推进测试和大量的地面硬件在环航空电子设备测试，以及完整的端到端结构测试，以确保系统有最好的机会一路进入轨道，并给我们最好的机会收集大量数据，然后我们可以使用这些数据来改进我们的系统。“布罗斯特在发射前告诉Spaceflight Now。

Relativity Space使用的3D打印机，用于为Terran 1火箭建造结构和推进剂罐。资料来源：相对论空间

Relativity与美国宇航局签订了发射合同，在卡纳维拉尔角的第二次Terran 1任务中飞行一组小型卫星。该公司还与Telesat签订了合同，为该公司计划的低地球轨道互联网星座发射卫星。铱星公司与Relativity的火箭签订了长期协议，发射语音和数据中继卫星。

去年，铱星将剩余六颗备用“铱星下一步”卫星中的五颗从Relativity的Terran 1火箭的多次专用飞行转移到今年晚些时候的SpaceX Falcon 9火箭上的拼车任务。“我们还有一个地面备用，将来可能会在Terran 1上发射，”铱星发言人说。

但铱星表示，它与Relativity的合同包括使用发射公司未来系统的条款，如Terran R.OneWeb还签署了一项多次发射协议，在Terran R火箭上飞行其第二代宽带卫星。另一家名为Impulse Space的初创太空公司去年宣布，它计划在Relativity的Terran R的推动下向火星发送机器人着陆器。

Relativity表示，它与十几个客户的合同积压，价值超过16.5亿美元。大部分积压的任务是在更大的可重复使用的Terran R上发射，Relativity表示可以在2024年底首次发射。与Terran 1一样，Terran R将使用3D打印技术建造，使用甲烷燃料，并将从卡纳维拉尔角的16号发射场出发前往太空。

在人族1号首次发射前夕发布的Twitter帖子中，埃利斯表示相对论渴望将其努力转移到开发人族R上。

“中重型提升显然是剩余十年最大的市场机会所在，这种有效载荷类别的发射短缺正在进行中，”埃利斯说。

相对论空间的Terran 1火箭在其第一阶段由九台发动机提供动力，燃烧甲烷燃料和液氧。单个发动机为上级提供动力。资料来源：相对论空间

类似于SpaceX巨型星际飞船火箭的缩小版，Terran R将高216英尺（66米），直径为16英尺（5米）。

根据相对论的说法，以可重复使用的模式飞行，Terran R火箭将能够向低地球轨道运送20公吨或44，000磅的有效载荷。如果相对论将人族R作为消耗性火箭飞行，有效载荷能力可能会增加。

Terran R第一阶段将由七个可重复使用的3D打印Aeon R发动机提供动力，每个发动机能够产生302，000磅的推力，在全油门下产生210万磅的推力。Terran R第二阶段将配备一台Aeon Vac发动机。

最初开发小型卫星发射器的其他新的商业发射提供商，如火箭实验室和萤火虫航空航天公司，也正在转向更大的火箭。火箭实验室正在开发部分可重复使用的中子火箭，Firefly正处于与诺斯罗普·格鲁曼公司合作开发中型运载火箭的早期阶段。

埃利斯在推特上表示，Relativity将向其客户提供指导，以确定是继续测试和飞行Terran 1，还是继续使用Terran R。

“我们的客户将真正成为我们的决定性陪审团，”埃利斯在Terran 1试飞前说。“一旦我们在Max-Q上证明了飞行器的结构完整性，他们可能会认为这次发射是成功的，但他们也可能在寻求飞行的后期阶段，比如阶段分离，然后是第二级发动机点火。

“如果我们在首次Terran 1发射中遇到火箭发射中更常见的问题 - 火箭科学问题而不是与添加剂相关的问题 - 我们会要求这些客户提供意见，”埃利斯说。“他们是否希望我们继续生产更多的Terran 1来解决这辆车上的这些问题？或者（他们）希望我们解决他们真正最感兴趣的飞行器上剩余的火箭科学问题，人族R？

Ellis说，Terran 1是一个“用于开发直接适用于Terran R的开发技术的绝佳学习平台，让我们充满信心，我们在成为下一个伟大的发射公司的竞争中处于领先地位。