文 | 《衛星與網絡》李剛
北京中科宇航探索技術有限公司近日公布了兩型固體運載火箭計劃，首型火箭中科一號甲（ZK-1A）計劃2021年9月首飛，2022年具備商業發射能力；第二型火箭中科二號（ZK-2）計劃2022年12月首飛，2023年具備商業發射能力。中科一號甲和中科二號火箭的起飛質量分別為135噸、343噸，邁入全球最大固體運載火箭行列。
固體火箭日益「壯大」，瞄準更大用戶市場
固體運載火箭一直是各航天強國運載體系中不可或缺的組成部分，它簡單、可靠，射前無需加注推進劑且可長期整箭存儲，操作簡捷、響應快速、發射高效。在應用領域軍民兩用，既可用於軍用和應急快速發射，也可以日常發射民用和商用衛星。固體火箭使用靈活便捷，對發射場依賴程度低，極大地豐富了火箭的使用和發射模式，可以從陸地、海洋甚至空中發射，能夠有效緩解發射場資源緊張局面。
面對即將到來的全球低軌中小衛星發射高峰期，固體運載火箭是中小型衛星、追求效率的星座組網發射的最優選擇之一。
但因受到製造、運輸條件的限制，大部分固體火箭的運載能力不高。常見固體運載火箭的太陽同步軌道（SSO）運載能力不超過1噸。這樣就造成了平均到每千克上的發射成本並不低，而且很難發射大型衛星，也不能大數量一箭多星組網發射。
隨著固體運載火箭技術的進步和能力的提升，固體運載火箭也在日益「壯大」，運載能力的不斷突破，大大擴展了固體運載火箭的服務範圍。
首飛於2012年2月的歐空局織女星（Vega）火箭就是一個典型代表，700千米SSO軌道的運載能力達到了1.5噸，歐空局還在研製推力更大的織女星-C火箭，運力將提升到2.2噸（700千米SSO軌道）。
無獨有偶，中國也在積極研製更大的固體運載火箭，中國航天科工集團在快舟一號甲火箭穩定提供商業發射服務之後，於今年7月10日首次發射了運力更大的快舟十一號火箭，其發射質量達78噸，箭體直徑2.2米，700千米SSO軌道運載能力達到1噸。中國航天科技集團的長徵十一號火箭是一種重58噸，700千米SSO軌道運載能力420千克的小型運載火箭，其在研的改進型號長徵十一號甲，起飛重量則增加到115噸，箭體直徑增加到2.65米，700千米SSO能力將達到1.5噸。
而中科宇航本次公布的兩款固體運載火箭近地軌道運載能力達到2~4噸，起飛重量在全球現役、在研固體運載火箭中位居前列，進一步實現了大型化，將有效滿足全球尤其中國商業航天發射的旺盛需求。
百噸級起步，全球首款CBC構型固體火箭
中科系列固體運載火箭起步較高，起飛質量都超過百噸，包括中科一號（ZK-1）和中科二號（ZK-2）固體運載火箭，其中中科一號火箭經過簡化構型衍生出中科一號甲（ZK-1A）和中科一號乙（ZK-1B）兩型火箭。
中科宇航固體運載火箭型譜
中科一號的芯一級到芯四級分別使用200噸級、100噸級、50噸級和10噸級固體火箭發動機，捆綁4個固體助推器，近地軌道運載能力可達3噸。中科一號甲火箭為無助推型號，近地軌道運載能力約為2噸，其中700千米SSO軌道運力為1.33噸，不僅遠超過國內型號，也超過了美國米諾陶4火箭的1.1噸和歐洲織女星火箭的1.5噸。中科一號乙為並聯兩臺固體助推器的捆綁火箭，近地軌道運載能力約為2.5噸。總而言之，通過模塊化和組合化設計，中科一號火箭及其衍生型中科一號甲、乙型號覆蓋了近地軌道2~3噸的運力範圍，可以滿足很大一部分近地軌道任務的發射需求。
ZK-1A固體運載火箭示意圖及相關參數
中科二號火箭可以說是固體火箭家族中名副其實的「胖子」。其芯一級、芯二級、助推器均繼承中科一號成熟的一子級模塊，並沿用中科一號的四級發動機。在2.65米直徑固體火箭芯級外側捆綁並聯兩枚同樣的固體助推器，將成為世界上最大的固體運載火箭之一，火箭總長度39.7米，起飛質量343噸，700千米SSO軌道的運載能力提高到了3.55噸，不僅遠高於尚在研製中的織女星-C大型固體運載火箭，甚至高於現役的長徵二號丙、長徵四號乙和長徵四號丙中型液體運載火箭。中科二號火箭還使用了4米和4.2米直徑的大尺寸整流罩，足以滿足大中型衛星或大數量小衛星組網發射需求。
ZK-2固體運載火箭示意圖及相關參數
值得一提的是，中科二號火箭使用了固體運載火箭中極為少見的通用助推芯級（CBC，Common Booster Core）方案。CBC是指採用同樣的火箭級段組合起來，成為火箭一級，能夠有效簡化設計、製造和流程控制，美國的德爾塔IV重型火箭、俄羅斯的安加拉和美國的獵鷹重型火箭就採用了這樣的思路，不需要研製新的更大推力發動機，最大程度縮短研發周期和成本，多快好省地大幅提高運載能力。但在固體火箭上，CBC方案的採用還是第一次。
德爾塔4、安加拉、獵鷹重型的CBC構型圖（均為液體火箭）
ZK-2固體運載火箭CBC構型捆綁設計
多舉措降成本，先進性可圈可點
傳統固體運載火箭存在單位發射成本過高的問題，但和液體運載火箭一樣，火箭越大單位發射成本越低。中科一號、二號有固體火箭中最低廉的發射成本，CBC構型的使用也進一步降低了發射成本。
為了簡化發射準備操作流程，中科一號甲火箭使用了地面測發控和箭上航電一體化設計，可以用筆記本遠程控制發射。發射系統採用了三平一垂設計，進一步縮短了發射準備時間，減少了發射場租金成本。
經過綜合測算，中科一號甲固體火箭的發射價格目標為7萬元/kg，將成為目前世界起飛質量最大、綜合成本最低，性價比國際領先的固體運載火箭。
中科系列固體運載火箭在追求低成本的同時，也實現了多項技術先進性，例如擁有較高的運載係數。運載係數指的是入軌載荷佔火箭起飛質量的比例，它是運載火箭性能的一個重要指標，是運載火箭綜合設計水平的重要體現。SpaceX的獵鷹九號火箭備受追捧，一個重要原因就是運載係數在現有火箭中獨佔鰲頭。中科一號甲火箭近地軌道運載係數遠超1%，700千米SSO軌道的運載係數也接近1%，是當今固體運載火箭中的楚喬，比日本艾普斯龍（Epsilon）固體運載火箭的0.5%高得多，甚至超過了一些老款的液體火箭。
火箭首飛在即，前景值得期待
中科一號甲和中科二號火箭的研製進展順利。中科一號甲預計2021年9月首飛，2022年投入商業發射市場。中科二號預計2022年12月進行首飛，次年具備商業發射能力，未來可通過更換液體末級組成固液混合火箭進一步提高運載能力，拓展發射靈活性和適應性。屆時，中科二號有望成為國內，也是全世界最大的、發射成本最低的固體運載火箭，中科宇航將在商業發射市場上成為一個有力競爭者。