美国新格伦火箭第二次发射：载荷成功入轨，一级实现着陆

​来源：中国航天

美国新格伦火箭第二次发射：载荷成功入轨，一级实现着陆

陈允宗、杨开、王林

北京航天长征科技信息研究所

美国东部时间2025年11月13日15时55分（北京时间14日04时55分），美国蓝源公司的可重复使用运载火箭“新格伦”从卡纳维拉尔角美国太空军基地36号发射设施（LC-36）起飞。火箭一、二级顺利分离，第一级按计划降落在大西洋上的回收船平台上，第二级将NASA的ESCAPADE双子火星轨道器送入预定轨道。此外，卫讯卫星公司（Viasat）利用火箭第二级上集成的终端成功为 NASA 通信服务项目完成首次发射遥测数据中继服务技术飞行验证。

图1 “新格伦”火箭第二次任务起飞

一、有效载荷

“新格伦”火箭在第二次任务中为NASA发射火星大气逃逸、离子加速、动态探测任务（ESCAPADE）双子火星轨道器，同时为卫讯卫星通信公司进行技术演示验证。

（一）ESCAPADE

ESCAPADE为NASA火星探测任务，属于NASA小型创新行星探测任务（SIMPLEx），耗资1.074 亿美元（包括运载火箭），由双子火星轨道器“湛蓝”和“金黄”组成。两个火星轨道器结构相同，尺寸均为60cm × 70cm× 90cm，加注燃料后质量535kg，总质量略高于1t，约占“新格伦”火箭运力的15%。

ESCAPADE任务由加州大学伯克利分校空间科学实验室牵头，负责任务管理、系统工程、科学领导、导航、运行、电子与离子静电分析仪，以及科学数据处理和归档。主要合作伙伴包括火箭实验室（航天器）、NASA 戈达德航天飞行中心（磁力计）、埃默里•里德航空大学（朗缪尔探针）、先进航天公司（任务设计）和蓝源公司（发射）。2023年2月，蓝源公司赢得ESCAPADE发射合同。因“新格伦”火箭尚未获得NASA或美国太空军的高优先级政府发射认证，存在一定风险，所以NASA仅向蓝源公司支付2000万美元的发射费用。

ESCAPADE任务原计划在2024年10月的火星任务发射窗口期发射。2024年8月，双子火星轨道器抵达发射场。由于“新格伦”运载火箭技术问题导致进度推迟，错过火星任务发射窗口。ESCAPADE任务最终推迟到2025年11月。按最新任务设计方案，新格伦火箭将双子火星轨道器送入“接近地球逃逸速度”的大椭圆轨道，双子火星探测器依靠自身推力进入围绕地球-太阳拉格朗日点2（L2）运行的芸豆形“徘徊”轨道，开展大约1年的空间天气研究；随后，在2026年11月利用奥伯特效应奔向火星，经过霍曼II星际转移轨道飞行及多次“轨道修正机动”（TCM）后，在2027年9月抵达火星。

图3 ESCAPADE任务设计示意图

（二）发射遥测数据中继服务技术验证任务

卫讯公司的发射遥测数据中继服务技术验证任务属于NASA 通信服务项目（CSP），通过将卫讯公司用户终端和 InRange 解决方案集成到“新格伦”火箭第二级上，验证InRange发射遥测数据中继服务技术。

二、第二次发射任务情况

（一）首飞后的调查与整改

蓝源公司在“新格伦”火箭1月首飞后，针对第一级着陆失败开展调查，发现第一级3台BE-4发动机未按计划重启导致着陆回收失败。蓝源公司重点围绕推进剂管理和发动机控制开展整改。

（二）相关试验和准备工作

经过9个多月整改与准备，“新格伦”火箭于 10 月 28 日运抵 LC-36，于10月30日进行综合热试车（静态点火试车），第一级的7台 BE-4 发动机以 100%推力点火工作 22s，然后降低推力进行着陆点火时序试验，总热试车持续 38s。

10 月 31 日，ESCAPADE双子火星探测器被封装在有效载荷整流罩中，随后被运至LC-36的蓝源总装厂房。11月5日，杰克琳号回收船从卡纳维拉尔角出发。据蓝源公司透露，杰克琳号到达目标着陆区需4天左右。7日，整流罩连同有效载荷被集成到火箭上。在完成最后阶段的收尾工作和检查后，火箭被运至发射工位。“新格伦”火箭原定于11月9日发射，但因天气问题推迟；后在12日因太阳耀斑引发的太空天气问题再次推迟发射。

（三）射前操作及飞行时序

“新格伦”火箭在13日的发射窗口为美国东部时间14时57分至16时25分，实际起飞时间为15时55分。火箭起飞将近10min，第一级在回收船上着陆。蓝源公司在发射前对外发布了倒计时操作及飞行事件时序，具体如下：

火箭第二级应在发射前4h30min开始加注液氢；第一级和第二级在发射前4h开始加注液氧；第一级在发射前3h30min开始加注甲烷。推进剂加注持续数小时。在发射前20min时，进行天气检查以确认天气条件是否适合发射。然后，在发射前10min时，进行最终“是否发射”投票。如无问题，发射总监将批准发射，火箭在发射前4min进入最终倒计时。

贮箱在发射前2min30s增压至飞行压力，而火箭在发射前1min30s切换至内部电源。在发射前20s，LC-36 的喷淋系统开始向发射台喷水，火箭自动驾驶系统启用。在发射前5s，第一级的7台 BE-4 发动机交错启动，3台先启动，其余4台在1s后启动。随后，火箭起飞，射向朝东。

在第一级爬升过程中，火箭在发射后1min35s经历最大气动压力（Q Max）。发射后3min5s左右，主发动机关机（MECO）；发射后3min9s，第一级/第二级分离；发射后3min17s，第二级2台BE-3U 发动机点火；发射后3min50s，整流罩抛离。

在第二级携带ESCAPADE前往预定轨道的同时，第一级准备着陆。发射后6min48s，第一级执行再入点火；发射后8min27s，第一级开始执行着陆点火；发射后9min9s，第一级在杰克琳号的甲板上着陆，6个液压驱动的着陆腿在着陆时支撑并固定火箭。

图4 第一级在海上平台着陆

发射后12min53s，第二级发动机第一次关机（SECO-1）；发射后25min分，第二级发动机第二次点火；发射后26min44s，第二级发动机第二次关机（SECO-2）。

第二级在“接近地球逃逸速度”的大椭圆轨道部署ESCAPADE双子火星探测器：发射后33min18s，部署“湛蓝”火星探测器；30s后，即发射后33min48s，部署“金黄”探测器。卫讯公司的演示验证在 发射后38min48s开始，持续到发射后1h41min54s，任务正式结束，上面级进入日心处置轨道。

图5 “新格伦”第二次任务示意图

表1 “新格伦”火箭第二次任务倒计时操作及飞行事件“预定”时序

三、火箭基本情况

蓝源公司从2012年开始研制“新格伦”火箭，2015 年对外公开研制项目，2016 年 9 月对外发布火箭的初期设计并公布名称，研制成本约25亿美元，发射成本约6800万–1.1亿美元/次。“新格伦”火箭原计划 2020 年首飞，因发动机和火箭研制发生重大延误，在2025 年 1 月 16 日实现首飞，成功将有效载荷送入预定轨道，第一级未实现海上平台着陆。

“新格伦”火箭采用串联式布局，全箭高98m，直径7m，由第一级、第二级和有效载荷整流罩三部分组成。该火箭设计可从卡纳维拉尔角和范登堡太空军基地发射，近地轨道（LEO）运载能力为45t，地球静止转移轨道（GTO）运载能力为13.6t，地月转移轨道（TLI）运载能力达7t。

（一）第一级

第一级长57.5 m，贮箱直径7 m，由后部、中部和前部组成，设计可重复使用25次。后部包括7台推力为2450kN的BE-4液氧甲烷发动机。发动机裙段直径为8.5m，可在再入过程中保护发动机。第一级铜制尾段安装6个液压驱动着陆腿，可在最终接近着陆回收船时展开。中部为甲烷和液氧贮箱。贮箱由正交网格铝合金制成，设计可承受再入载荷。贮箱后端的大型空气动力学板条在下降和再入过程中为返回的第一级提供了增强的横向保护。前部安装有4个气动控制襟翼，用于下降过程中的姿态控制。与地面连接的脐带接头位于前部。前部还装有制导、导航和控制设备，具有自主飞行安全系统。级间分离系统位于前部，在第二级点火前实施主动分离。第一级贮箱由正交网格铝合金制成，可承受再入载荷。贮箱后端的大型气动减速翼在下降和再入过程中为返回的第一级提供了增强的横向保护。第一级前部4个气动控制襟翼用于下降过程中的姿态控制。

图6  “新格伦”火箭结构示意图

（二）第二级

第二级为一次性使用氢氧上面级，长23.4m，采用2台BE-3U发动机。BE-3U发动机真空推力778 kN的发动机，可调节推力至623kN。该级的贮箱直径为7m，加工工装与第一级相同，可降低续生成本。贮箱长为16.1m，包括2台采用大膨胀比喷管的BE-3U在内，第二级总长达到23.4m。与第一级类似，第二级具有后部、中部和前部。后部主要由2台BE-3U发动机、承重横杆推力结构和可长时间在轨工作的贮箱/设备组成。反作用控制系统（RCS）/推进剂沉底系统采用4个沿着推力结构部署的三轴推力器。第二级后部与第一级前部集成，设置了1个第二级脐带接口。中部为推进剂贮箱，氢箱在上，氧箱在下，采用共底结构。贮箱筒板为正交网格铝合金结构，箱底由铝板焊接制成。前部由氢箱前裙段和集成在贮箱前底上的环向电气设备架组成。前裙段为有效载荷空间的主要机械接口，包括复合材料固定适配器和有效载荷整流罩之间的连接。

2021年7月，蓝源公司启动“贾维斯”重复使用上面级项目。“贾维斯”项目的重点是研发不锈钢推进剂贮箱和主结构。2021年8月，蓝源研制出首个不锈钢试验贮箱，并运至LC-36发射综合设施，进行低温推进剂加注压力试验。蓝源还探索了三种方案：一是增加机翼，再入时可以像航天飞机一样利用气动力滑行返回；二是采用塞式火箭发动机（Aerospike Engine），再入时可以兼作隔热罩；三是采用类似于超重-星舰第二级的方案，使用高阻力襟翼结合反推减速。据媒体报道，“贾维斯”项目在2025年处于搁置状态。

（三）整流罩

“新格伦”火箭的标准有效载荷整流罩为两瓣式复合材料夹层板结构，直径7m，高21.9m。整流罩的两瓣结构通过推力导轨组件连接，后端采用周向易碎接头，以确保整流罩、适配器和第二级实现快速、无污染分离。整流罩在第二级发动机第二次点火启动后不久分离，采用推离设计，确保分离时与第二级和有效载荷保持安全间隙。7m直径整流罩的内部可用容积为450立方米，可执行多星发射任务。

四、第一级回收操作

“新格伦”火箭的第一级采用垂直起降重复使用方案，在海上回收船着陆，每次任务之间不需要拆卸或更换分系统，转场时间以天和小时来计算，而非以月为单位。第一级发动机采用甲烷作为燃料，具有清洁经济的特点。火箭采用水平总装可在几个小时内运往发射台并发射。蓝源公司希望以这种商业方法提高任务频率、降低运营成本。

第一级与第二级分离后重新定向再入大气。利用空气动力学和发动机推力，第一级在大西洋上部署的着陆平台上执行精确着陆。第一级先下降到靠近回收船的位置，然后直接转移到回收船的正上方才着陆。公司创始人杰夫•贝索斯在社交媒体上表示，这种设计可保护回收船并“避免第一级发动机未启动或启动缓慢时发生严重撞击。”偏移量最初约为100m，后续会逐步减小。

图7  第一级回收操作示意图

第一级着陆后，遥控车小车（ROV）将对第一级进行安全操作，为第一级提供动力并将高压氮气泵入第一级。然后六个固定支座把第一级固定在甲板上。在六个固定支座固定和火箭完成清理后，操作人员到船上进行操作。按照设计，整个过程大约需要10小时，所有操作都有备份和故障保护。第一级固定后，船员返回支援船，开始为期四天的返航。

图8  遥控车小车（ROV）

蓝源公司最初计划改装货船作为着陆平台，2018年购买“斯特纳”滚装货船，并将该船更名为“杰克琳”。2022年8月，蓝源公司放弃改装货船用作着陆平台的计划，将货船拖到布朗斯维尔港报废。随后，蓝源公司决定建造专门回收船LPV1。LPV1于2023年2月21日在罗马尼亚造船厂开建；2024年1月31日下水；4月被拖到法国布雷斯特的达门造船厂进行收尾工作和调试；8月8日竣工，随后离开布雷斯特；9月2日再次被命名为“杰克琳”；9月4日抵达佛罗里达州卡纳维拉尔港。LPV1回收船型长115.9 m，型宽45.72 m，型深6.706 m，总吨位13 818t，海事组织编号9998676。

图9  “1号着陆平台船”（LPV1）——“杰克琳”号

五、小结

（一）完成预定目标，进入新发展阶段

“新格伦”火箭第二次任务完成三项预定目标：成功发射ESCAPADE 火星探测任务，实现第一级回收，完成卫讯公司发射遥测数据中继服务技术飞行验证。此次任务的成功是蓝源公司从亚轨道飞行（“新谢帕德”）迈向大型轨道发射和深空探测的关键一步，标志着蓝源公司进入全新的发展阶段。“新格伦”火箭第一级的着陆回收使蓝源公司成为继 SpaceX 公司之后，第二家实现轨道级液体火箭第一级海上回收的美国商业航天公司。接下来，蓝源公司还需证明其能够翻新复用火箭第一级。

（二）渐进式发展，逐步实现第一级着陆回收

蓝源公司在“新格伦”火箭的设计、试验和制造过程中采取渐进式发展路线，通过新谢帕德可重复使用亚轨道飞行器的研制和飞行试验验证垂直起降、深度节流低温发动机、快速检查和复用操作等关键技术，为“新格伦”火箭的第一级重复使用奠定基础。“新谢帕德”可重复使用亚轨道飞行器已完成 36次任务，为“新格伦”火箭复用积累宝贵经验。SpaceX公司在2016年4月9日首次海上成功回收试验前，也采用渐进式发展路线，先后开展８次单发动机一子级回收试验、５次３台发动机一子级回收试验、４次“猎鹰”9一子级海上溅落试验、１次陆地回收试验和８次海上平台回收试验。

（三）推进NSSL 认证进程，争取美国重要国防任务发射资格

美国国家安全航天发射计划（NSSL）负责将关键的军事和情报卫星送入轨道，对火箭性能和可靠性要求极高。美国太空系统司令部在 4 月份授予蓝源公司 24 亿美元第三阶段 NSSL 合同；不过，该合同的具体环节取决于“新格伦”火箭认证情况。“新格伦”火箭第二次发射任务的成功将进一步推动 NSSL 发射认证进程，助力蓝源公司争取美国重要国防任务发射资格。

参考文献