小火箭出品
本文作者：邢強博士
本文共14377字，90圖。預計閱讀時間：1小時20分鐘。
本文是小火箭經典運載火箭與洲際彈道飛彈系列報告第7季的第2篇。
從第1季到現在，小火箭和大家一起詳細探討了從彈道飛彈的鼻祖V-2《V-2飛彈：現代彈道飛彈和運載火箭的鼻祖》到美國SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭的最新版本Block 5《小火箭 | 剖析SpaceX公司的最新版獵鷹運載火箭》。
期間，我們對紅石飛彈、聯盟系列運載火箭、大力神飛彈、雷神飛彈、土星5號運載火箭和蘇聯N-1運載火箭、能源號運載火箭和質子號運載火箭等等進行了深入剖析。
本季開篇，小火箭詳細分析了歐洲最強運載火箭阿麗亞娜-5號《站在巔峰，卻已準備告別：歐洲最強火箭傳奇》。
本文，咱們以美國諾斯羅普·格魯曼公司的安塔瑞斯運載火箭為研究對象。
深度剖析：
第一：安塔瑞斯運載火箭的誕生背景；
第二：安塔瑞斯運載火箭的設計理念；
第三：安塔瑞斯運載火箭第一級發動機的來源；
第四：浴火重生的艱辛歷程；
第五：對我國乃至全球商業航天產業的啟示。
壹
緣 起
這一切，要從美國宇航局的近地空間全面商業化的目標說起了。
到1972年，阿波羅計劃進入尾聲，美國宇航局NASA得到的預算也就沒有之前那麼多了。
如果把NASA預算、軍費預算、全民醫保預算和美國社會保障預算按照相同的比例，一起放在一張圖表裡的話，NASA預算也就成了緊貼X軸的一根小直線，幾乎可以被忽略。
長期以來，美國宇航局NASA的總預算在200億美元上下浮動。
而重返月球、登陸火星的夢想，是需要大量的經費支持的。
200億美元的總預算，需要更多地用在月球和火星以及更遠的探索項目上。
那近地軌道的事情怎麼辦？
尤其是那巨大的國際空間站，每年僅貨運飛船保障和太空人往返這些「物流」費用，就在27億美元左右。
答：交給商業航天企業。
NASA定了三個工作原則，成為21世紀第1個和第2個十年的指導思想，並終究會深刻影響21世紀第3個十年的世界太空產業布局：
第一：完全開放月球繞地球公轉軌道以內的太空資源。以商業化的形式，大幅降低進入太空的成本和大幅提升進入太空的能力；
第二：政府機構和商業企業以及團隊組織、個人進行深入合作，以便獲得重返月球和登陸火星所需的新技術和新方法；
第三：密切關注對地球構成威脅的太陽系內的小行星、彗星等天體，開展新的深空觀測和地球防禦計劃。
從這15年來的發展來看，NASA的決定是明智的。
早些年，國際空間站的物資補給和人員運輸，大量依賴於太空梭。
而太空梭每公斤的物資送入國際空間站的成本，為27.19萬美元。
（相當於人民幣189.52萬元）
把一瓶550毫升的礦泉水，用太空梭送入國際空間站，成本為104.2萬元人民幣。
而藉助SpaceX的貨運版龍飛船和諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座貨運飛船，每公斤的運輸成本則會分別降至8.87萬美元和13.5萬美元，分別是原太空梭的32.6%和49.7%。
注意，這是送入國際空間站的成本，而不是簡單進入近地軌道，因此要比一般的近地軌道發射成本高出一個量級。
近幾年來，在200億美元的美國宇航局NASA總預算中，第二大花銷一直為近地軌道的商業化扶持經費，年均總額為46億美元。其中有不到三分之一用於近地軌道貨運資助項目。
這些花費，扶植起了SpaceX、軌道科學等一大批商業航天企業，同時也為美國宇航局累計節省了超過162億美元的預算。
162億美元是什麼概念？
答：美國宇航局NASA的行星科學專項經費，近6年來的年均支出為20.1億美元。
行星科學的研究對象為太陽系內的行星及其衛星。
這6年來，節省出來的162億美元，足以支撐未來8年的行星科學專項。
安塔瑞斯運載火箭和天鵝座貨運飛船，正是搭乘著美國宇航局的國際空間站貨運商業化專項的東風而起飛的。
2008年3月
美國宇航局和當時的軌道科學公司正式籤署了國際空間站貨運飛船採購合同。
軌道科學公司，將自研或合作研發一款運載火箭和一款貨運飛船，承擔一部分向國際空間站送貨的任務。
這個和SpaceX當年是類似的，用獵鷹9號運載火箭和貨運版龍飛船，承擔一部分向國際空間站送貨的任務。
不過，龍飛船是可以從太空安全返回的，具備往返運輸能力，這是人類迄今為止，唯一一款具備此種能力的貨運飛船。
以上就是安塔瑞斯運載火箭和天鵝座貨運飛船的誕生背景。
貳
指 標
軌道科學公司，是老牌的固體運載火箭和超聲速飛彈研製企業。
部署在阿拉斯加州的陸基中段攔截彈，就是該公司的作品。
人類唯一一款執行過多次商業發射任務的空射運載火箭，也是軌道科學公司出品的。
由此可見，軌道科學公司擁有強大的固體火箭和高速彈道式武器的研製能力，和一定的商業化運作能力。
另外，小火箭覺得特別值得一提的是，軌道科學公司具備很好的政策嗅覺。
成功預判美蘇/俄的核軍備削減談判結果的軌道科學公司，大量購入美國民兵洲際彈道飛彈的固體火箭發動機。
在民兵洲際彈道飛彈的基礎上，軌道科學公司用其發動機，研製成功了米諾陶固體運載火箭。
以極端便宜的退役/削減固體火箭發動機為主體，用軌道科學公司自有的總體研發能力和制導控制系統研發能力為支撐，米諾陶運載火箭以330公斤的太陽同步軌道運載能力和580公斤量級的近地軌道運載能力，在美國軍用航天發射市場上佔據了一席之地。
米諾陶I型運載火箭，採用民兵系列洲際彈道飛彈的退役/削減固體火箭發動機為動力來源，11次發射，11次成功，成功率100%，預計今年（2020年）四季度，會進行她的第12次發射。
成立於1982年的軌道科學公司，在米諾陶I型運載火箭身上，嘗到了由美國洲際彈道飛彈的固體火箭發動機改進為運載火箭來執行軍用或者商業發射任務的甜頭。
從此一發不可收拾。
米諾陶I型運載火箭是2000年1月27日首飛的。
到了2010年，由滅國重器「和平衛士」洲際彈道飛彈改進而來的米諾陶IV型運載火箭，成為了當時軌道科學公司最大的近地軌道固體運載火箭。
受美國和蘇聯/俄羅斯的戰略武器削減協議的限制，美國的和平衛士洲際彈道飛彈和蘇聯/俄羅斯的SS-18撒旦洲際彈道飛彈，各自因為殺傷力太強而相互成為對方要求削減的首要目標。
軌道科學公司審時度勢，拿到了大量嶄新的和平衛士洲際彈道飛彈的固體火箭發動機。
米諾陶系列固體運載火箭和飛馬座空射運載火箭，讓軌道科學公司從一家專注於反導攔截彈和衛星平臺研發的公司，一躍而成為不可小覷的一家具備在軌交付能力的運載火箭發射服務提供方。
上圖為米諾陶IV運載火箭點火瞬間。
這傲然咆哮的火焰，明顯還帶著和平衛士洲際彈道飛彈當年的桀驁不馴。
不過，當美國宇航局NASA把國際空間站的貨運飛船發射合同交給軌道科學公司的時候，米諾陶系列運載火箭這條採購退役軍用固體火箭發動機的路子，大概是走不通了。
為什麼？
答：國際空間站貨運運載火箭，需要比洲際彈道飛彈更大更重一些，方能有足夠的運載能力撐起商業利潤。
即使是和平衛士這樣的超級洲際彈道飛彈，其設計初衷，也不過是把11枚核彈頭以亞軌道的方式送到預定目標。
這樣的話，和平衛士洲際彈道飛彈的起飛重量，為96.76噸，第一級採用固體火箭發動機，直徑為2.3米，起飛推力為2.21兆牛，已經是具備10個以上核彈頭投擲能力，射程超過1.4萬公裡的超級洲際彈道飛彈了。
然而，基於這樣的固體火箭發動機，如果不捆綁其他助推器的話，其起飛重量難以超過100噸。
實際上，考慮到入軌的要求，此類固體運載火箭往往為三級或者四級構型，最終的成型火箭，起飛重量甚至會小於原和平衛士洲際彈道飛彈的重量。
比如米諾陶IV運載火箭的起飛重量為86.3噸，比和平衛士洲際彈道飛彈的96.76噸輕了10.8%。
這樣，米諾陶IV運載火箭的近地軌道運載能力僅為1.735噸。
當然，這裡用「僅」這個字，對於一款固體運載火箭來說，是有些苛刻啦。
實際上，大量基於洲際彈道飛彈改進而來的固體運載火箭，其近地軌道運載能力都在200公斤到500公斤之間。
米諾陶IV運載火箭，已經是比較強的了。
但是，對於國際空間站的貨運任務來說，小於2噸的近地軌道運載能力，是遠遠不夠的。
那麼，多大的運載能力是足夠的呢？
自從1977年以來就用進步號貨運飛船來執行空間站的補給任務的蘇聯工程師早就給出了答案：飛船的重量，要7噸起。
貨運飛船，應當具備非常高的自主飛行能力，而且在和空間站對接之後，還需在軌保障飛行6個月。
這6個月，既可以頂推一下空間站的在軌高度，同時也能夠攢一攢空間站的太空人產生的一些生活廢棄物，以便再入稠密大氣層的時候，一起帶回地球高空焚毀。
而且，貨運飛船這一趟要帶多少燃料、食物和水，這都有比較清晰的模型了。
如果發射貨運飛船的運載火箭的運載能力小於2噸，那乾脆連飛船的空殼子也運不上去。或者只能發射很小的飛船，需要大量發射任務才能完成NASA交給的訂單，這成本就太高了。
小火箭給出經典的貨運飛船的典型參數，以進步號貨運飛船為例：
進步號無人貨運飛船採用經典3艙布局，從頭到尾，依次為加壓貨艙、燃料艙和推進器艙。基本上，進步號貨運飛船就是大貨車與油罐車的結合之後，又加上了能夠在太空中飛行的能力的一個小傢伙。
該飛船，詳見小火箭的公號報告《進步號飛船：蘇聯留給全人類的太空貨船》《157次發射：世界上最勤勞的貨運飛船》。
進步貨運飛船的貨艙內，液體、固體貨物各自會有獨立的包裝，並且所有的貨物包裝都有防止亂跑的固定裝置，看上去，還是很有序的。
燃料艙有1175千克貨物+加壓貨艙有1230千克貨物=2405千克貨物。
這些貨物，佔貨運飛船7.13噸總質量的33.7%。
燃料艙有1175千克貨物：
705千克空間站所需燃料；
420千克水；
28千克壓縮氧氣；
22千克壓縮空氣；
加壓貨艙有1230千克貨物：
318千克食品（另附餐巾紙、食物殘渣收集袋）；
273千克水處理設備；
148千克公共衛生用品（廁紙、固體排洩物袋子、垃圾袋、固液分離泵）；
135千克個人衛生用品（內衣褲、藥品、手持空氣品質監測儀、清洗用品、急救包）；
19千克溫度控制設備（另附空氣濾芯、替換的管路）；
78千克電池設備；
19千克氣罐；
22千克導航控制設備備件；
23千克維護工具套件；
31千克私人物品（可攜式播放器、電池、信封）；
15千克科學實驗設備；
5千克整理袋；
83千克曙光號貨艙替換設備；
39千克空間站熱交換器替換部件；
22千克美國太空人貨物。
小火箭給出一個估算方法：想送入國際空間站的貨物總質量乘以3，就是能夠幫助空間站抬升高度的自主型貨運飛船的發射質量；想送入國際空間站的貨物總質量乘以2.3，就是任務比較單純的，不帶抬升軌道能力的一款貨運飛船的發射質量。
按美國宇航局NASA給的任務和蘇聯幾十年來的經驗，在400公裡軌道高度上運行的空間站，其配備的貨運飛船，單次運載能力應為2.4噸到3.4噸之間。
那就意味著，無論如何：
發射貨運飛船的運載火箭的400公裡近地軌道運載能力要在7.5噸以上。
如此一來，該型運載火箭的運載能力指標就確定了。
而且，技術方案也差不多定了。
因為，基於洲際彈道飛彈現有固體火箭發動機改進而來的運載火箭，其近地軌道運載能力，在不加捆綁助推器的前提下，只有1.735噸，遠不能滿足要求。
所以，擺在面前的，有兩條路：
第一，研製專門用於運載火箭的，直徑超過3米的大型固體火箭發動機；
第二，採用液體火箭發動機方案。
叄
液 發
軌道科學公司，採用了方案二。
這就意味著，他們要初次嘗試研製一款近地軌道運載能力超過7.5噸的液體火箭了！
不過，考慮到軌道科學公司的米諾陶系列固體運載火箭採購了民兵系列洲際彈道飛彈和和平衛士超級洲際彈道飛彈固體火箭發動機的成功經歷，他們還是想：
要不試試去買買看？
但是，縱觀整個美國，誰能給軌道科學公司提供他們需要的又便宜又可靠，推力又大的液體火箭發動機呢？
找找看吧！
俗話說，按圖索驥。
要找千裡馬，就得先畫個千裡馬的樣子。
軌道科學公司，需要8噸的近地軌道運載能力。
那麼，這樣的一款液體運載火箭，按二級構型來算的話，大體上可以是這樣的：
第一級，260噸重；
第二級，15噸重。
整體起飛重量，為275噸。
那麼，第一級的推力，怎麼說也得在3000千牛的量級。
考慮到軌道科學公司沒有並聯多臺液體火箭發動機的工程經驗和設計決心，最好是一臺或者兩臺並聯的發動機就能夠產生這麼大的推力。
找了一圈，還真有！
肆
過 往
公元1972年11月23日莫斯科當地時間上午9點11分52秒，第4枚N-1運載火箭點火升空。
沒有鮮花與掌聲，全場肅穆凝重；沒有電視直播，很多人甚至沒有像正常人那樣的能被公開的姓名。
這群在茫茫大漠鮮為人知的角落，頂住連續3次失敗壓力的技術人員，通過1年半的廢寢忘食的努力，再次迎來了N-1運載火箭的發射。
N-1運載火箭，承載了蘇聯的登月夢想，
在零下15℃的寒冷中，凝視發射的工程人員們，誰都顧不上避一避這凜凜寒風。
大家都在看著N-1火箭的徐徐上升。
然而，第107秒的時候，整個一級火箭還是沒有經受住烈火的炙烤，發生了爆炸。
逃逸塔把繞月飛船帶離了爆炸區域，飛船穩穩地降落在拜科努爾。
整個上面級彈出後，從4萬米高空墜下，摔毀在荒灘上。
蘇聯的載人登月計劃，就此終結。
上圖是第1枚N-1火箭與第2枚N-1火箭的合影。可以看到，蘇聯人在拜科努爾實際上為N-1火箭準備了2個發射臺。這兩個發射臺之間相距500米。
1969年7月，第2枚N-1火箭在發射臺上爆炸，製造了從能量的角度來看，人類最猛烈的一次非核爆炸之後，徹底摧毀了發射臺。
爆炸的火球，在35公裡外的拜科努爾託雷火車站依然肉眼可見！
小火箭在2016年曾有詳細計算分析，認定該次爆炸的當量，為6930噸TNT！
N-1運載火箭，四射四炸：
1969年02月21日，一炸；
1969年07月03日，二炸；
1969年07月20日，阿姆斯特朗登上月球；
1971年06月26日，三炸；
1972年11月23日，四炸；
1972年12月07日，人類迄今為止最後一次載人登月火箭發射。
第五枚和第六枚N-1運載火箭，被禁止發射。
雖然人們對N-1火箭的30臺發動機並聯的一級印象深刻且評論常帶譏諷，但是，因N-1登月運載火箭而誕生和發展出來的NK-33火箭發動機本身是非常優秀的。
137.1:1的推重比，即使放到今天來看，依然傲人。
按小火箭這些年的調查，在N-1火箭項目被廢止後，有150臺NK-33發動機被保留下來（還夠生產5枚N-1火箭）。
上世紀90年代初，劇變發生，蘇聯解體。
NK-33液體火箭發動機的研製單位，是庫茲涅佐夫設計局。
沒錯！就是那個研製出了圖-144超聲速客機和圖-160戰略轟炸機的NK-321渦輪風扇發動機、圖-95戰略轟炸機的NK-12渦輪螺槳發動機，以及上百款各自以NK打頭的航空航天發動機的那個設計局。
（NK，就是該設計局的首席設計師Nikolay Kuznetsov，尼古拉·庫茲涅佐夫的縮寫。）
蘇聯解體後，庫茲涅佐夫設計局和其他設計局一樣，工程技術人員的收入狀況堪憂。
當時，大量設計師和工程師的月收入，低於100美元，也就是貨車司機的三分之一。
美國航空噴氣公司，瞅準機會，來到了俄羅斯，迫不及待地設法採購到了一批NK-33發動機。
美國航空噴氣公司，是由錢學森博士的導師馮·卡門博士在1942年成立的。錢學森博士在很長一段時期裡都是該公司的首席技術顧問。
該公司，在航空航天發動機領域，有著幾十年的技術積累。
他們深知NK-33發動機的優秀。
經過簡單接觸，俄羅斯方面和烏克蘭方面，答應了美國公司的請求，出售了36臺NK-33液體火箭發動機。
而單價，是令人咋舌的110萬美元！
太便宜了！
如今，該公司已將NK-33和NK-43分別重命名為AJ26-58和AJ26-59。
上圖為AJ26-58（本名NK-33）發動機在美國約翰·斯坦尼斯航天中心的試車臺上等待進行進一步的地面試車臺點火測試。
有關蘇聯N-1運載火箭的前世今生，詳見小火箭的公號報告《承載蘇聯載人登月夢想：N-1火箭》。
有關蘇聯解體後，美國對蘇聯的技術和人才的掠奪式爭搶，詳見小火箭的公號報告《瘋狂搶購蘇聯飛彈與火箭發動機》。
上圖為一臺NK-33液體火箭發動機運抵美國航空噴氣公司庫房時的場景。
她的噴管上的俄語字樣還在。
從序列號上來看，這臺發動機是1971年3月份出廠的。
伍
一 級
NK-33液體火箭發動機的推重比為137.1：1，即使是在21世紀，也是難逢對手啊！
（只有SpaceX公司的獵鷹9號運載火箭最新版本的梅林-1D液體火箭發動機的158:1能夠勝過她。而NK-33，比梅林-1D，整整大了41歲！）
軌道科學公司看中了NK-33火箭發動機極低的價格和超高的性能，而且她1510千牛的推力，剛剛合適！
兩臺NK-33發動機並聯的話，總推力達到3020千牛。
嗯！只需兩臺，就能夠滿足7.5噸運載能力的需求！
這下好了，對於運載火箭的第一級來說，重頭的液體火箭發動機有著落了。
那火箭馬上就要問世了吧！
恐怕沒有這麼簡單。
軌道科學公司一口氣購買了36臺NK-33火箭發動機（或者叫做AJ-26-58）。
這些發動機的機械結構基礎，依然是蘇聯原廠的，只不過美國航空噴氣公司用現在的電子元器件製作的控制系統替代了蘇聯的控制系統。
拿到了NK-33火箭發動機的軌道科學公司，開始著手打造一款二級運載火箭。
但是，長於固體運載火箭發動機研製和改進的軌道科學公司，突然發現：
液體運載火箭的研製，沒有那麼簡單！
在搞定了液體火箭發動機之後，他們發現，液氧煤油的大直徑貯箱、液體燃料的防晃技術、液體燃料的增壓輸送技術、液體燃料的運輸和加注技術，他們：都沒有！
慌了，慌了！
按美國宇航局NASA的要求，2010年年底之前，就要打一發火箭以證明自己的能力的啊！
此時已經是2009年底了，不到1年時間，能造出來麼？
軌道科學公司兩手準備：
第一：派出遊說人，去美國宇航局NASA求情，把原計劃的2010年年底之前的演示發射推遲一下，把2012年到2013年發射8次貨運飛船的計劃也推後一點點；
第二：派出獵頭，諮詢行業大佬，在全世界範圍內尋找液體火箭相關的工程師人才。
這兩手，全搞定了！
美國宇航局NASA同意，寬限3年，在2013年把第一艘貨運飛船送到國際空間站就行，而這期間的空檔期，NASA準備找俄羅斯方面和美國SpaceX公司想想辦法。
而原計劃給軌道科學公司19億美元的8次貨運任務的訂單，依然維持不變。
同時，為鼓勵軌道科學公司，NASA給予了他們1.71億美元的不附加任何條件的資助。
大受鼓舞的軌道科學公司，自己拿出了1.5億美元，和NASA支持的1.71億美元一起，組成了3.21億美元的液體運載火箭第一級專項資金。
而受這筆資金吸引的，則是萬裡之外，遠隔重洋的烏克蘭南方設計局。
蘇聯南方設計局，1951年由火箭設計天才楊格爾創立。
雖然創立南方設計局的時候，楊格爾已經40歲了，屬於高齡設計師，錯過了一般工程師的黃金年齡。
（能夠在40歲以上依然有創新熱情，不被自己的經驗所困囿的工程師實在是太少了。）
但是他的創造力和體力並沒有被40歲這個年齡而限制住：SS-4、SS-7、SS-8、SS-9、SS-15、SS-17這些彈道飛彈，都出自南方局。
發射重量為驚人的104.5噸的SS-24鐵路機動洲際彈道核飛彈，也是出自南方局。
這種能夠攜帶10枚55萬噸TNT的分導式核彈頭的飛彈，打擊精度為150米，射程超過1.05萬公裡。
該飛彈在1987年正式入役。
當然，因為被認定為「滅國級」武器，所以在2005年在第二階段的戰略武器削減協議中，被迫提前退役了。
R-36M第聶伯運載火箭，這種在地下抗核打擊的洲際飛彈發射井裡能夠以一箭37星的方式發射衛星的運載火箭，同樣也蘊含著南方局的心血。
當然，南方局在21世紀最為得意的，應該是天頂系列運載火箭了。
世界上，原本是沒有天頂系列運載火箭的，只有為了發射暴風雪號太空梭而研製的能源號重型運載火箭。
南方局負責研製能源號運載火箭的兩臺液體助推器。
然而，世事難料。
暴風雪太空梭項目終結，能源號運載火箭不再製造。
不甘心的南方局，硬是把能源號運載火箭的助推器，改造成了運載火箭。
是為：天頂。
天頂號運載火箭，是蘇聯最後一款運載火箭。液氧煤油的燃料配置，比質子號的有毒常溫燃料要環保多了。
南方局是有雄心的！
暴風雪和能源雖然沒了，但是他們能夠用天頂系列運載火箭，徹底替代如日中天的聯盟系列運載火箭和能力超強的質子號運載火箭！
然而，世事再次難料！
蘇聯解體了！
哪還有什麼龐大的運載火箭升級換代的計劃啊！
南方局沒有放棄。
2000年，美國波音、烏克蘭南方設計局、俄羅斯能源設計局、挪威阿克船廠聯手，打造成人類第一個海上發射公司，開始發展充滿雄心壯志的海上發射服務。
然而，國際風雲變幻。
2009年6月22日，海上發射公司，宣布破產。
2010年，海上發射公司重組，俄羅斯能源設計局接手，佔95%股份，美國波音公司，佔3%，挪威阿克船廠，佔2%。
烏克蘭呢？
被踢出去了。
2010年，就在海上發射公司重組的同一年，烏克蘭南方局的工程師團隊，找到了美國的軌道科學公司。
他們，有一個信念：天頂運載火箭的先進技術，需要得到傳承和發展！
美國的軌道科學公司，手握3.21億美元的液體火箭總體技術專項資金和19億美元的國際空間站貨運訂單，急需液體運載火箭的傳感器、燃料管路、閥門、增壓輸送系統、液體貯箱技術，尤其是液體燃料的增壓輸送系統技術。
這項技術，對於搞固體火箭發動機起家的軌道科學公司來說，太陌生，太棘手。
而對於烏克蘭南方局來說，這都是非常拿手的！
南方局的天頂系列運載火箭，其液體燃料增壓輸送系統，採用的是世界領先的冷氦技術。
早期，人類使用常溫高壓氦氣來增壓（早期各種氦氣增壓的火箭和飛彈），後來，冷氦增壓技術出現了。
所謂冷氦，就是在地面預先冷卻增壓之後的氦。這樣，氦的密度大大增加，同樣體積的氦罐，就能夠盛下更多質量的氦，為火箭減輕不少重量。
蘇聯的天頂號運載火箭、美國土星5號運載火箭和獵鷹9號運載火箭、日本H2運載火箭芯一級、中國長徵3號甲運載火箭，都採用了冷氦增壓技術。
天頂號運載火箭的第一級，有9個氦罐。每個氦罐都是23MPa（227個大氣壓）的高壓力，容積均為129.8升。
其中，3個氦罐給煤油貯箱供應增壓氣體；6個氦罐給液氧貯箱增壓。
天頂號運載火箭的冷氦，溫度為-183℃，剛好相當於液氧的沸點。冷氦罐的罐體緊靠液氧，利用液氧的低溫對氦氣進行冷卻。
在使用的時候，-183℃的冷氦氣經過液氧煤油火箭發動機的換熱器，達到403℃的高溫後，從頂部注入天頂號運載火箭第一級的液氧貯箱，產生強大的壓力，把液氧擠入火箭發動機的燃燒室。
在點火後，150秒的時間內，一枚天頂號運載火箭的第一級的1臺RD-171火箭發動機，就要消耗1.1682立方米的高壓冷氦。
注意，上上圖的天頂號運載火箭的第一級，那是同一臺RD-171液氧煤油火箭發動機，只不過該發動機有4個噴口。
運載火箭對氦氣的消耗量和需求量，大概是什麼概念呢？
1.1682立方米的高壓冷氦，2分半鐘就沒了。
小火箭給出計算，按克拉珀瓏方程，我把9個高壓冷氦罐內的氦，換算成1個標準大氣壓下，20℃溫度下的體積，為1943.45立方米！
這就是一枚典型的近地軌道運載能力在13噸量級，起飛質量在450噸量級的運載火箭在點火後150秒內需要消耗的氦氣的量。
考慮到天頂號運載火箭的第二級和第三級同樣需要氦氣增壓，而且第二級的工作時間為315秒，第三級的工作時間為650秒。
再算上加注和運輸過程中的損耗餘量。
發射一枚450噸量級起飛質量的運載火箭，需要的氦氣體積，為常溫常壓下的5000立方米。
這是什麼概念？
答：還記得人類第一艘實用型氦氣飛艇海軍C-7號麼？
她的氦氣體積，是5125立方米。
也就是說，發射一枚天頂號運載火箭所需的氦氣，差不多可以充氣一艘C-7飛艇。
從這個角度來看，咱們也得感謝人類工程師發明了加壓技術和冷氦技術。否則身材這麼苗條的運載火箭，是怎麼也放不下5000立方米的氦氣的。
下次咱們再看液體運載火箭發射的時候，心裡大概會想到：哈！又一艘C-7氦氣飛艇上太空了。
那，軌道科學公司的運載火箭，她的增壓系統的尺寸和管路系統是怎樣的呢？
答：太像了，以至於小火箭認為講完天頂系列運載火箭的液體燃料增壓系統，就不用講美國軌道科學公司火箭的系統了。
上上圖為蘇聯天頂號運載火箭，上圖為美國軌道科學公司的運載火箭。
蘇聯天頂號運載火箭，直徑為：3.90米；
美國安塔瑞斯號運載火箭，直徑為：3.90米。
嗯，實際上是一模一樣的。
的確，得到了南方局的真傳。
其實，美國安塔瑞斯號運載火箭第一級的液氧貯箱和煤油貯箱以及整套液體燃料增壓輸送系統，本身就是在烏克蘭南方設計局設計和生產製造的。
在工程領域，在火箭和衛星領域，就是這麼神奇。
造化弄人！
當年蘇聯工程師研製出來的技術，那火箭發動機，是要用於蘇聯登月火箭的；那貯箱和燃料增壓輸送系統，是要用於新一代近地軌道運載火箭和海上發射火箭的。
然而，因為莫測的命運，這些技術，在美國21世紀新研發的商業航天運載火箭上，聚到了一起。
當我們再次看美國軌道科學公司的安塔瑞斯號運載火箭發射的時候，當第一級兩臺發動機點火之時，或許是要緬懷一下當年的蘇聯火箭工程師了。
陸
二 級
安塔瑞斯運載火箭的第二級，採用固體火箭發動機。
這是該公司所拿手的。
相關技術，可以追溯到上世紀60年代的美國陸軍中士短程彈道飛彈和偵察兵系列運載火箭。
實際上，安塔瑞斯運載火箭的第二級和米諾陶固體運載火箭的第一級採用的是同源技術，因為之前小火箭對相應的固體火箭發動機的殼體製造工藝、推進劑成分和貯存進行進行了詳細分析，本文就不再贅述。
上圖為安塔瑞斯運載火箭第二級固體火箭發動機正在試車臺上進行靜態點火測試。
柒
首 飛
2013年4月17日，首次發射因上面級的原因推遲；
2013年4月20日，首次發射因天氣原因推遲；
公元2013年4月21日協調世界時21點00分02秒，安塔瑞斯號運載火箭成功點火。
隨後，她把天鵝座飛船質量模擬器送入預定的測試軌道。
模擬器重3.8噸，進入了近地點為241公裡，遠地點為260公裡，傾角為51.64°的軌道。
一同進入軌道的，還有4顆搭載的小衛星。安塔瑞斯號，開始有營收了。
現場的老科學顧問，熱淚盈眶！
NK-33！
沒能在N-1登月運載火箭項目中實現蘇聯的載人登月計劃，如今卻終於在這個遙遠的國度，飛上了太空！
這是NK-33液體火箭發動機第一次成功完成入軌任務。
安塔瑞斯運載火箭的第一級發動機關機的時候，火箭飛行高度為102公裡，突破了卡門線，進入了太空。
40多年了，NK-33火箭發動機終於能夠到太空看一看了。
2013年9月18日，也就是首飛5個月後，安塔瑞斯號第一次執行國際空間站貨運任務，將第一艘天鵝座貨運飛船送到了國際空間站。
這是一次技術演示性質的貨運任務，因此只帶了一半貨，700公斤。
小火箭當時找過天鵝座相關的技術人員，確定貨物為：
179.1磅的空間相機雲臺備件；
116.4磅的衛生巾和丁腈手套生理包；
188.9磅的空間站印表機配件；
另有7個國際空間站太空人指定的個性包，每個包平均重150磅。
這是正在轉運中的第3枚安塔瑞斯運載火箭，是不是有一種洲際彈道飛彈大殺器的感覺？
實際上，這傢伙的體重，超過了最大的洲際彈道飛彈（就是按國際協議不能有的那種）的兩倍。
2014年1月9日，第3枚安塔瑞斯運載火箭發射。
隨後，她成功把天鵝座貨運飛船送上國際空間站，1.26噸貨物安全送達。
半年後，2014年7月13日，第4枚安塔瑞斯運載火箭成功發射，給國際空間站送去了1.5噸貨物。
上圖，為安塔瑞斯號運載火箭起豎瞬間的照片。
上上圖，為天頂號運載火箭起豎瞬間。
是不是很像！
嗯！實際上安塔瑞斯號運載火箭的發射起豎和加注系統，與天頂號運載火箭的可以通用（天頂號比較高，天頂的可以給安塔瑞斯號用）。
這套系統包括加注的技術，都是烏克蘭南方設計局的。
刷著美國國旗的運載火箭，用著蘇式的起豎和加注系統。
蘇式出廠，只不過運輸車的車輪兒小了不少。
殺氣漸少，萌感提升。
捌
爆 炸
2014年10月28日，第5枚安塔瑞斯號運載火箭待命。
她準備帶著有史以來最重的天鵝座飛船（7.59噸），履行她的第3次國際空間站正式貨運任務，貨物總重2.215噸。
直徑3.07米的天鵝座貨運飛船，已裝滿貨物，準備進入安塔瑞斯號運載火箭的整流罩。
然而，這次，出大事了。
安塔瑞斯號運載火箭的NK-33火箭發動機點火6秒後，突然爆炸！
然後，在點火後15秒，整枚火箭凌空爆炸！
安塔瑞斯號運載火箭的所有發射，都是在美國維吉尼亞州瓦勒普島的大西洋地區發射場進行的。
該發射場距離馬裡蘭州一個小鎮只有32公裡遠。
當晚，小鎮派出了所有消防車前來幫助滅火。
但是，大火還是燒了一夜，火苗和濃煙持續到了天亮。
這場爆炸，讓很多原本就不看好蘇聯技術的人士開始趁機大肆攻擊。
批評的矛頭直指NK-33發動機。
NK-33發動機，採用分級燃燒高壓補燃閉式循環技術，其富氧燃燒的理念讓很多美國工程師不夠理解。
尤其是蘇聯當年防止高溫富氧噴流對發動機零部件和管路進行腐蝕的很多工藝技術細節，已經散失。
因此恢復新造NK-33火箭發動機的努力，在當時不夠成功。
大家質疑的焦點，在於NK-33火箭發動機的設計理念和渦輪泵的可靠性。
作為跨國的火箭技術探討，小火箭聯合會當時承擔了一部分技術分析工作。
在2014年10月，原本一直處於低調狀態的小火箭，為力頂蘇聯的設計而發聲。
當月，小火箭作為獨立調查組唯一的華人，在深圳衛視和鳳凰網等中文平臺上也向公眾進行了說明。
個人觀點：安塔瑞斯號運載火箭遙5箭的爆炸，起因的確在於A位置的NK-33液體火箭發動機渦輪泵在點火後第6秒的爆裂。
但是，其根源，不是NK-33發動機的設計問題，也並非加工工藝問題。
而是時間問題。
這臺發動機的渦輪泵所有的機械部件，都是1970年出廠的。
44年了。
而且期間有20年時間，她的儲存和維護條件都糟透了。
她能夠從海上顛簸萬裡來到美國，已經是個奇蹟。
這樣的發動機，是人類智慧的結晶。
她應該在博物館受人瞻仰，而不是繼續在發射架上飽受質疑。
一輛產自1970年的跑車在野外停放了44年之後，突然被一艘船拉著橫跨了大西洋，然後又顛簸著橫跨了大半個美國之後，被人加上了非原廠指定的各種油品。
當開跑車的這個人，把油門踩到底的時候，發現跑車發動機出了問題。
那麼，他是不應該責怪這輛車和該車的發動機的。
整整44年了，金屬結構件本身會出現太多情況。
14.83MPa的工作壓力，也就是146.36個大氣壓，這就是一臺誕生了44年之久的發動機所面臨的工作環境。
歲月不饒人。
一句話：
NK-33發動機，她不是不夠好，她只是老了。
玖
重 生
兩年後。。。
2016年10月17日，第6枚安塔瑞斯號運載火箭，浴火重生！
這兩年，安塔瑞斯號運載火箭經歷了什麼？
答：6次技術會議，2次商業談判，1個重大決定。
決定：用俄羅斯的RD-181火箭發動機替代NK-33火箭發動機。
RD-181發動機，同樣，系出名門。
實際上，該發動機是世界上推力最強的RD-170火箭發動機的單燃燒室版本。
有關RD-170發動機，詳見小火箭的公號報告《RD-170：世界上推力最大的液體火箭發動機》。
註：RD-191為RD-181發動機的原型。此處，用RD-191與NK-33對比，相當於用RD-181與AJ-26的對比。
2016年10月17日，第6枚安塔瑞斯運載火箭，同時也是第一枚換裝RD-181火箭發動機的安塔瑞斯，發射成功。
RD-181發動機的理論推力比NK-33發動機大27%，而乾重只增加了1噸多。
換裝發動機後的安塔瑞斯運載火箭，第一級液氧和煤油總重，依然為242.21噸。
那麼，因發動機乾重增加而使得佔安塔瑞斯運載火箭起飛重量的0.72%。
從實測推力數據來看：2臺NK-33發動機以超過標稱值的最大功率工作時，能夠為第一級提供332.58噸的推力；
而2臺RD-181發動機以最大功率狀態工作時，則能夠為第一級提供372.12噸的推力，推力提升了11.9%。
因此，安塔瑞斯的運載能力得到了大幅提升。
理論上，天鵝座飛船，可以從2.215噸的裝載量提升為3.728噸的裝載量，也就是國際空間站貨運能力可以提升68%！
不過，剛剛換發，還是謹慎一些比較好。
而且，天鵝座飛船的內置空間也沒有那麼大，需要升級改進。
2016年發射的安塔瑞斯運載火箭，其天鵝座飛船搭載了2.425噸的貨物，比上一枚多了9.25%。
這次，主要是乾貨：
2425千克= 2342千克帶包裝加壓 + 83千克立方星
2345千克帶包裝加壓貨物：
太空人生活物資：585千克
科學實驗儀器：498千克
空間站零部件：1023千克
筆記本電腦：56千克
俄羅斯艙段零件：42千克
太空行走備件：5千克。
2017年11月12日，第7枚安塔瑞斯運載火箭成功發射，為國際空間站送去3.338噸貨物。
2018年5月21日，第8枚安塔瑞斯運載火箭成功發射，這一次，3.35噸貨物送入國際空間站。
這樣一來，因第5枚安塔瑞斯火箭爆炸而帶來的貨運損失，被3次超額運載補齊。
2018年11月17日，第9枚安塔瑞斯運載火箭發射成功，為國際空間站送去3.416噸貨物。
2019年4月17日，第10枚安塔瑞斯，3.447噸貨物。
2019年11月2日，第11枚安塔瑞斯，3.728噸貨物。
此時的安塔瑞斯運載火箭和增強版天鵝座飛船，比當年（2014年）的2.215噸的標準配置，貨運能力提升了68.3%。
也就是說，此時的安塔瑞斯運載火箭，每成功入軌3枚，就相當於2014年版本火箭的5枚。
拾
總 結
安塔瑞斯運載火箭，集軌道科學公司的制導控制能力和總體設計之大成，結合了烏克蘭南方設計局的增壓技術，曾使用傳奇的蘇聯NK-33火箭發動機後來換用俄羅斯產的強大的RD-181火箭發動機。
再後來，軌道科學公司被諾斯羅普·格魯曼公司整體收購。
具體分析，詳見小火箭的公號報告《小火箭 | 巨額併購！全球第四大軍火巨頭收購軌道ATK公司》。
在安塔瑞斯運載火箭的指標確定、發動機選型和整個運營過程中，小火箭認為，有以下幾點值得注意：
第一：液體火箭發動機技術是新的大航海時代的核心技術；
第二：液體火箭的總體設計技術涵蓋的內容遠遠超出發動機本身，火箭的貯箱、增壓輸送技術、制導控制技術等等，都是至關重要的；
第三：火箭的總體設計團隊，需要有靈活多變的思維和敢於擔當的勇氣。在安塔瑞斯火箭第一級換發的過程中，整個團隊表現出色。而安塔瑞斯運載火箭則成為了珍貴的研究案例，成為火箭定型之後還能成功更換芯級發動機的典範；
第四：開放包容、兼收並蓄，是複雜大系統中的工程師的基本態度。烏克蘭的發動機、增壓輸送系統技術、貯箱工藝，俄羅斯的新型火箭發動機，美國的制導控制技術和總體優化策略，在同一款火箭身上實現了融合；
第五：型號定了，火箭順利出廠，直到成功完成入軌任務，這值得慶祝，但這遠不是終點，而是商業化運營的起點。安塔瑞斯運載火箭總體團隊，在遙5箭出現低空爆炸重大事故之後，穩住了團隊，在日後及時調整火箭設計指標，以增大火箭運力的方式超額完成單次貨運任務，大幅提升了火箭的盈利能力，值得學習；
第六：政策公關和產品宣傳在商業航天時代，應該併入型號設計和運營的迭代流程。如果沒有強大的公關，沒有關鍵人物形成的支持安塔瑞斯運載火箭的輿論，那麼軌道科學公司早就因沒能及時交出答卷而被NASA踢出服務提供方名單了。在火箭出現事故的時候，快速組建的獨立調查團隊，以各國頂級火箭工程師的技術分析，及時可靠地打消了公眾對該型火箭的懷疑。跨國技術團隊的強力支持，同樣是由關鍵的有影響力的技術人員牽頭組織實現的。
安塔瑞斯運載火箭，凡發射11次，成功10次，失敗1次，成功率90.9%，為典型貨運運載火箭成功率。
文末，小火箭用莎士比亞的一段詩篇來結束本文，祝一切平安！
《暴風雨》開篇 by 威廉·莎士比亞：
凡是過往，
皆為序章。
愛所有人，
信任少數人，
不負任何人。
我荒廢了時間，
時間便把我荒廢了。
在灰暗的日子中,
不要讓
冷酷的命運竊喜；
命運啊！
你既然來
凌辱我們,
那我就用
泰然處之的態度
予以報復。
明智的人
決不會坐下來，
為失敗而哀號。
他們一定會
樂觀地，
尋找辦法
來加以挽救！
——《暴風雨》開篇 威廉·莎士比亞
全文結束，感謝大家！
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