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火箭回归:英国太空发射行业的过去和现在

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1971 年搭载 Prospero 的黑箭运载火箭升空飞向地球轨道                             来源:ESA

从前

回到二十世纪五十年代,世界上的领导人似乎关注的所有事情就是获得“炸弹”:先是核弹,然后是氢弹,因为显然核弹的破坏威力还不够大。幸运的是,制造一个这样的炸弹耗资巨大,因此只有极少数国家成功掌握核能技术成为高级核俱乐部的成员,其中包括前苏联。接着是投放问题。要把这些笨重的装置运送到成千上万英里以外的地点,就必须研制特殊的远程飞行器。它们构成了美国战略空军和英国 V-Force 的支柱,通过“确保相互毁灭 (MAD)”的威胁来维护世界和平。遗憾的是,双方都掌握了韦纳·冯·布劳恩的德国火箭技术,也都设计出能够在炸弹抵达目标之前进行摧毁的导弹防御系统。不久后,最初的 V2 弹道导弹概念就得以延伸至洲际射程,抵达地球另一侧平均只要 30 分钟的时间。于是洲际弹道导弹 (ICBM) 诞生了。

蓝光导弹

英国距离前苏联比美国距离前苏联近得多,因此并不需要洲际弹道导弹。于是英国设计了一款中程弹道导弹 (MRBM),它就是所谓的蓝光导弹,由 de Havilland 航空公司制造。在一定程序后,蓝光导弹的设计于 1957 年完成,之后该项目于 1960 年被取消,而这次项目的前期准备程序后来成为了英国政府大规模高科技项目的常规程序。然而这还没完:有人提出了通过增加改良后的黑骑士火箭(见下图)作为二级火箭来制造民用卫星运载火箭的提案。这个名为黑太子的提案还没到设计制图阶段就胎死腹中。之后,一个由英、法、德、意联合成立的欧洲运载火箭研发组织 (ELDO) 开始以蓝光导弹为第一级火箭建造三级卫星运载火箭。尽管蓝光每次都表现完美,但是欧罗巴运载火箭在澳大利亚伍默拉测试场的测试始终以失败告终,最后整个项目于 1972 年被废弃。此后不久,法国人开始研制阿里安火箭。

黑骑士

在蓝光导弹的研制期间,一款名为黑骑士的小型亚轨道火箭在伍默拉实验场定期发射,目的是为了测试“重返大气层运载工具”。这是在下降时保护核弹头的外壳装置。黑骑士表现非常稳定,以致于美国人购买它用于自己的测试。

黑箭号运载火箭

1964 年,英国皇家航空研究院在黑骑士研发经验的基础上提出一款三级卫星运载火箭的设计。Saunders-Roe 公司获得了研发黑箭号运载火箭的合约。从 1969 年到 1971 年,该火箭在伍默拉实验场进行了四次实验,只有最后一次成功将一颗卫星 (Prospero) 送入轨道。以下是 Nick Stevens 对黑箭号运载火箭的现代模拟:

1971 年黑箭号运载火箭的发射是英国航天发射行业的最后一搏。实际上,此项目已于月前遭到取消,然而当时火箭已在运往澳大利亚的途中,因此这次发射得以进行。

遗弃的基础设施

多年前,我和家人在怀特岛度假,住在岛屿最西面尼德尔斯附近的前海岸警备队小屋中。在穿过小屋附近的岬角时,我被隐藏在草丛中的什么东西绊倒了。原来是一束从地底露出的同轴电缆断线。我没有在周围看见任何可能作为电线来源的设施,直到我抵达岬角的南面。从悬崖边望去,我看见了已经部分倒塌的大型混凝土结构和一个像燃料库的设施。我认出那是火箭发射台的基座,上面装有使引擎点火朝向大海的导向装置。附近尼德尔斯炮台的旅行指南中包含了一张黑骑士火箭在发射支架上接受引擎测试的图。这是已被遗弃的率属于 Saunders-Roe 的 High Down 试验场。如今,该场地已被清理干净,成为旅游景点。

韦斯科特火箭发动机研制中心负责测试各种英国制造的火箭引擎。该基地至少将重现部分昔日的辉煌:英国政府计划把它作为航天技术测试的新设施重新启用。

用于测试蓝光导弹的坎伯兰郡 Spadeadam 大型测试基地仍然作为武器试验场使用。那里遗留了大量壮观的老式混凝土建筑,但是只能通过预约参观。

那么,究竟是哪里出了错?

当冯·布朗被问到,为什么他和他的火箭科学家团队在第二次世界大战结束时选择向美国人投降时,他回答道,他们厌恶法国人,害怕俄国人,而英国无法满足他们的要求。他的考量是正确的。英国已经完全被战争掏空,国内工业和基础设施虽然还能使用,但是已经老旧不堪。然而政府总是能在战争期间找到供应军事项目的资源(虽然可能性不大)。一场战争刚结束,另一场战争几乎立即爆发:冷战。正因为如此,英国独立研发出自己的核武器,起初设计由未来轰炸机搭载,后来改用弹道导弹。那些位于 Spadeadam、伍默拉以及其它地方的设施都是为了制造英国蓝光弹道导弹而修建。High Down 的修建是为了研发黑骑士,同样属于导弹计划一部分。

太空旅行完全不曾出现在议程中,直到人们发现英国制造的弹道导弹并不实用。据称,蓝光导弹不适合用作报复性武器,因为它在发动袭击的“四分钟警告”时间内,花费在起竖和加注燃料的时间太长。事实确实如此,而这也是为什么有人起草了在英国领土上修建地下发射井的计划,这种发射井可承受近距离攻击并在数小时后发射(如果还有这个必要)。他们甚至在 Spadeadam 进行了初步挖掘,这时政府才意识到,不列颠群岛中没有足够的边远地区来安置所需的约 60 个(极其昂贵)发射井。不出所料,也没有人想在自家后院中安放氢弹。美国却是另一番景象:他们有足够的地方和资金,于是泰坦 II (Titan II) 导弹被安置在英国设计的发射井中。随着 1960 年蓝光导弹计划的终止,英国政府对所有的航天运载火箭计划失去了兴趣,同时还撤回了大部分资金。

取消蓝光导弹的武器研发计划是不可避免的。但是为什么不能用作民用卫星运载火箭呢?毕竟,俄罗斯人使用自己的洲际弹道导弹把伴侣号 (Sputnik) 人造卫星送入轨道,而美国的阿特拉斯号 (Atlas) 和泰坦 (Titan)导弹也能做到这一点。英国火箭就是不够大,只能做到中程,而达不到洲际射程。它需要更多的级数。但是政府不想投入所需的研发资金,尤其是因为当时的普遍观点认为没有将人造卫星送入地球轨道的市场需求。然而,完全放弃又意味着投入在 Spadeadam、High Down 和韦斯科特的所有设施的资金全部打了水漂。因此有了“黑太子”的纸上演练和对欧洲运载火箭研发组织半心半意的支持。最终,Saunders-Roe 获得了“黑箭”项目的研发许可,且预算非常拮据。第四枚原型 R3 将 Prospero 送入轨道。当时项目已于数周前取消:R4 被移交至伦敦科学博物馆(仍然收藏在馆中),大多数基地被拆除。“黑箭”尺寸太小,运载能力只有 100 千克,而通信卫星的潜在有效载荷远大于此。而法国和欧洲航天局继续坚持,最后成功研发出“阿里安”火箭。

航天飞机

1982 年,英国政府投资了 HOTOL 的首次研发,这是一款搭载混合动力飞机/火箭引擎的水平起降“航天飞机”。当时无法解决空气动力学的诸多难题,然而对特殊引擎 SABRE 的研究持续至今。专为该引擎新建的测试设施位于韦斯科特的老 RPE 基地,此外还计划将该引擎用于名为云宵塔 (Skylon) 的全新航天飞机中。

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搭载 REL SABRE 引擎的 Skylon 航天飞机                      来源:GW_Simulations

现货

英国是否即将重出江湖,而这次又是否会在本土发射?人们众说纷纭,还有许多华丽的网站贴出火箭计划和可能的航天中心选址。

英国航天中心

云宵塔 (Skylon)、维珍银河 (Virgin Galactic) 太空飞船二号等航天飞机的可能问世,促使英国周边的机场都在争取成为航天中心的机会。其中一个例子就是位于纽基的康沃尔航天中心,该中心与 Virgin Orbit 建立合作伙伴关系,在常规飞行器上将小型火箭送入地球轨道。

近期,一些英国私有公司已宣布常规火箭的建造和发射计划,为满足不断增长的微型卫星和“纳米卫星”(包括 CubeSat)市场需求而投资。垂直发射航天中心的选址忽然转向苏格兰高地及岛屿。在英国最北端海岸修建基地有两大优势:

  • 安全性:发射会朝着大海上空进行。
  • 向北发射是送入常用极地轨道的理想操作。

下面来自 Orbex 的视频在阿姆霍因半岛萨瑟兰航天中心提案中指出了以上两点:

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提议的萨瑟兰航天中心                                                         来源:HIE

新火箭

Rocket Lab 位于新西兰玛希亚的发射基地在外观上与萨瑟兰航天中心的模型相似,但是玛希亚发射基地已经启动运营,Electron 运载火箭在这里成功发射。此基地甚至还计划发射可回收火箭,例如 SpaceX 猎鹰 9 号 (Falcon 9)。尽管基地计划在火箭借助降落伞下降时使用直升机进行捕捉。苏格兰发射的第一枚火箭可能会是 Electron。

Orbex 已宣布其 Prime 火箭 将在萨瑟兰航天中心发射。Prime 火箭采用大量创新想法以减少碳排放,避免增加轨道中的太空垃圾,并可回收助推器。

Skyora 同样也有轨道运载火箭设计 Skyora-XL,它使用的引擎让人联想到黑箭的伽马动力装置。它采用与早期英国火箭相同的煤油(燃料)和高挥发性过氧化氢(氧化剂)组合。HTP 是浓度很高(超过 85%)的过氧化氢溶液。这与把头发染成“peroxide blonde”色时使用的漂白剂相同,只是浓度高得多。大多数液体燃料火箭倾向于使用液态氧 (LOX),常搭配液态氢作为燃料。这是最高效的组合,但是这些低温化学品的运输和储存难度很高。煤油只是航空燃料,相对无害;而 HTP 在一定条件下可以自燃(例如沾到衣物上),但是在其它情况下相对稳定。HTP 和煤油一样可在室温下储存。HTP 的另一个特点是可打造不需要额外点火源的自燃引擎。使 HTP 通过催化网进入燃烧室,它会分解为氧气和滚烫的蒸汽。此时加入煤油,“嗖”的一声,点火,升空!虽然动力比不上低温燃料,但是对于低成本运载火箭来说要安全得多。

最后,位于布里斯托的 B2Space 提供了另一种选择 – Rockoon。是的,大家已经猜到了,使用氦气球把火箭送到太空边缘,然后从那里发射。尽管这一方法听起来不像能够精确发射。

新的开端?

英国政府在达到占领 10% 的商业发射市场的宏伟目标之前,还有许多困难需要克服。其中最基本的是要找到合适的发射基地。而更为迫切的是重新修建研发和测试基地(像 Spadeadam 或 High Down 一样) – 换句话说即基础设施。而最重要的是,必须重新掌握已经遗失的工程技术和知识储备。NASA 为阿波罗 (Apollo) 计划修建的基础设施尚未废弃;新一代的火箭工程师已培养出来,现服务于 SpaceX 等私有企业。

新培养的火箭专家将具备新技术优势:微电子学、碳纤维外壳,以及可低成本精确制造引擎组件的 3D 打印技术。

此外还有(仅有)一处遗弃的基础设施仍可使用。它是位于苏格兰西部群岛的南尤伊斯特岛上的赫布里底导弹试验场。2015 年 10 月,一枚美国的二级 Terrier-Orion 火箭发射至太空,假装是军事演习中的洲际弹道导弹。这是苏格兰第一次进行此类发射活动。

参考资料

如果你对蓝光导弹和欧罗巴火箭的工程方面感兴趣,那么一定要阅读 Charles H. Martin 编写的 《德·哈维兰蓝光导弹 – 插图史》。书中不仅包含大量的细节,详细到几乎可以照书复制,而且还有英国 Spadeadam、韦斯科特、哈特菲尔德和斯蒂文尼奇以及澳大利亚伍默拉的装置图片。虽然这些装置不如 NASA 建造的那么壮观,但也是很了不起的!

C.N.Hill 编写的《垂直帝国》介绍了截至 1971 年为止的所有英国火箭计划的详细历史,其中包括了各种政治纷争。

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Engineer, PhD, lecturer, freelance technical writer, blogger & tweeter interested in robots, AI, planetary explorers and all things electronic. STEM ambassador. Designed, built and programmed my first microcomputer in 1976. Still learning, still building, still coding today.
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