人族-1 首飞失利，但仍创下多个纪录

文/戴佳桥 杨开

▲ 人族-1 火箭发射

北京时间2023 年3 月23 日11 时25 分，美国创企相对论航天公司（Relativity Space）研制的3D打印小型运载火箭人族-1，从美国卡纳维拉尔角太空军基地的LC-16 发射工位起飞，执行首飞任务，因二子级发动机故障遭遇失利。该火箭首飞虽然失利，但仍然创造了多个纪录。

失败中的成功

本次任务未携带有效载荷，且整流罩不分离，发射过程中与二子级保持连接状态。根据发射直播画面，在起飞前5 秒，一子级9 台发动机点火启动，待各系统正常运行后，箭载飞行计算机发送起飞指令，火箭升空。

起飞1 分20 秒后，“人族-1”经过最大动压MAX-Q（Q，与大气密度及速度平方成正比的参数）点，最大动压点即箭体结构承受载荷最大的时刻。这证明了其3D 打印箭体结构能够在飞行环境下保持完整性，验证了3D 打印技术方案的可行性。

起飞2 分40 秒后，一子级9 台发动机正常关机，一二子级在2 分45秒时分离，然而原本计划在2 分51秒启动的二子级发动机未能按预定时序正常点火启动，官方随即终止了箭上画面。

发射直播实况结束后不久，相对论航天公司官方称发射遭遇失利，但通过最大动压点对公司就是很大成功。

遭遇发射失利后，公司官方社交媒体发布信息，“首飞任务证明相对论航天公司的3D 打印火箭技术将助力实现下一型人族-R 火箭。首飞箭成功通过了最大动压点，即结构承受载荷最大的情况。这是公司创新增材制造方法最需要证明的问题。今天是一次巨大的成功，创下了多个历史第一。而且飞行任务按时序进行到一子 级关机和一二子级分离。公司将评估数据，并在未来几天提供结果”。公司创始人蒂姆·艾利斯则在社交媒体上罗列了“人族-1”首飞创下的一系列带有前置条件的“第一”和“纪录”。

▲ 人族-1 火箭起飞时液氧甲烷发动机独有的蓝色尾焰特征显著

从上述信息能够看到，相对论航天公司对于首飞失利有预期，而且更关注对于3D 打印技术的验证，以支撑后续人族-R 火箭的研制。因此，虽然首飞失利可能会对公司已经获得的订单产生一定影响，导致发射任务向后推迟，但是对于瞄准长期计划的人族-R 火箭影响并不大。

另外，与美国其他上市的小火箭创企对比，“相对论航天”并没有选择上市融资的路径，因此发射失利也并不会对公司财务造成显著的影响。目前，大多选择上市融资的小火箭公司，在资本市场上的表现也很难让人满意，例如阿斯特拉（Astra）航天公司在2021-2022 年多次遭遇失利后，股价长期处于1 美元以下，马上要面临退市风险；维珍轨道公司在年初遭遇失利以及近期因资金不足而停业之后，股价也跌破1美元，即将破产变卖。相对论航天公司依靠前期比较高额的融资（13 亿美元），仍有很大空间开展人族-R 火箭的研制，首飞失利影响很小。

▲ 相对论航天公司官方直播间内两位主持人的笑容丝毫看不出这是一次发射失利

坎坷的首飞之路

“人族-1”最初计划在2020 年进行首飞，因为研制进度、新冠疫情、规划变更等多方面因素导致进度不断推迟，首飞箭直到2022 年才完成总装下线。之后的首飞准备工作，则是按照常规流程，从一二子级的试验验证，到发射场总装测试，再到发射演练，最后进行发射。

2022 年3 月，首飞箭二子级在相对论航天公司位于长滩的总部完成总装，运往斯坦尼斯航天中心之后，开展了多轮短时长的试车验证，在2022年5 月完成了长程试车，试车时长为4 分35 秒。之后，二子级被运往卡角的LC-16 发射工位准备进行射前总装。由于斯坦尼斯航天中心没有模拟真空环境的试车台，二子级试车过程未能模拟实际飞行任务的运行状态，这可能也是二子级未能成功启动的重要原因之一。

▲ “人族-1”的发射流程

2022 年6 月，首飞箭一子级在相对论航天公司位于长滩的总装厂完成总装后，运抵卡角的发射工位，先开展6 次短时长整级试车（总计185秒），最后在10 月初完成1 次时长188 秒的长程试车。

2022 年11 月，相对论航天公司在完成一二子级的测试及验证后，在卡角完成人族-1 火箭的总装，并进行了长达3个月的测试和发射准备工作，随后在2023 年2 月完成了包括推进剂加注流程在内的发射演练。相对论航天公司考虑到此前已经分别对火箭一、二子级进行过多轮试车，经过了充分考核，虽然其发射许可中包含一次全箭静态点火试车的内容，但并未针对全箭状态的火箭开展一子级试车。

2023 年3 月8 日，相对论航天公司进行首次发射尝试，发射流程进行到起飞倒计时T-70 秒，因地面设备上的阀门故障导致上面级液氧温度超出上限，触发了火箭自动中止系统，发射被迫中止。随后，相对论航天公司宣布首飞推迟至3 月11 日，之所以推迟3 天是因为人族-1 火箭采用液化天然气（LNG）而非纯净的液态甲烷，在准备推进剂过程中，需要较长时间“富集”不同的组分（甲烷、乙烷、丙烷等），以满足火箭发射的需求。

3 月11 日，人族-1 火箭进行第二次发射尝试。发射流程进行到起飞倒计时T-0.5 秒，一子级9 台发动机已经点火，但由于火箭自检系统发现级间分离程序出现异常，中止发射，并关闭了一子级9 台发动机。相对论公司在一个多小时后再次尝试发射，但在T-45 秒时再次因上面级推进剂贮箱压力下降导致中止发射。这是近期国外第二次出现发动机点火启动后，发射被迫中止的情况：日本H-3火箭在2023 年2 月17 日进行首飞尝试时，一子级2 台LE-9 主发动机已经点火启动，但是由于电气系统故障，发射被迫中止，主发动机关机，发射推迟。

经过上述推迟后，相对论航天公司在3 月23 日终于实现“人族-1”的首飞任务，不过因为二子级发动机启动故障而失利。

小身量颠覆传统制造模式

人族-1 小型火箭构型非常类似于太空探索技术公司的猎鹰9 火箭和火箭实验室的电子号火箭，都是两级串联构型，一级采用9 台发动机并联，二级采用一台真空型发动机，两个子级尽可能统一设计，达到简化制造、产品共用、降低成本的目的。但这三型火箭规模相差较大。

人族-1 火箭直径2.3 米，高约35 米，近地轨道（LEO）运载能力1.25吨，太阳同步轨道（SSO）运载能力0.9 吨，发射价格为1200 万美元，最低发射单价约为1 万美元/千克，相比猎鹰9 火箭5500 美元/千克的拼车发射价格几乎要高出一倍。不过，单位发射价格高几乎是所有小型火箭共有的弱点。

一子级采用9 台“永世-1”液氧甲烷发动机，火箭一子级采用9 台永世-1 发动机，布局类似于猎鹰9火箭，1 台发动机在中心，其他8 台发动机在外围均匀分布。永世-1 发动机采用燃气发生器循环，电动推力矢量控制系统，单台发动机海平面推力约为102 千牛，火箭起飞时总推力为920 千牛。人族-1 火箭利用永世-1发动机热交换器，用甲烷和氧气对贮箱进行自生增压，不需要单独增压系统，替代了传统的氦气增压方式。

▲ “电子号”“人族-1”和猎鹰9 火箭的对比

二子级采用1 台“永世真空”发动机。永世真空发动机同样采用燃气发生器循环一级电动推力矢量控制系统，真空推力约为126 千牛，喷管面积比165:1，具备多次启动能力，能够辅助上面级实现钝化离轨。与永世-1 发动机类似，永世真空发动机也使用热交换器，用甲烷和氧气对贮箱进行自生增压。火箭二子级的俯仰和偏航控制基于主发动机的电动推力矢量控制，滚转控制基于反作用控制系统（RCS）实现。

整流罩直径2.3 米，高6.8 米，采用金属材料，两瓣式设计，使用气动推力器进行分离，其声学缓冲层提供了隔音功能。整流罩内部空间可适应单一载荷发射、共享发射和专属星座卫星发射任务，满足当前卫星星座部署的需求。

人族-1 火箭使用总线结构的模块化电气系统，可以根据构型需求快速插拔各类组件，包括飞行计算机、GPS、惯性导航单元（IMU）、遥测处理器、定制数据采集、控制处理器、高速传感器套件、电池和摄像机等组件。此外，火箭两个子级的电气系统的组件和结构具有通用性，大幅缩减了研发周期。同时，“人族-1”采用美国军方和美国宇航局正在广泛推广的自主飞行安全系统（AFSS），实现靶场安控的自动化，大幅降低人力需求，以适应未来高密度发射需求。

为了快速学习和改进以追赶行业内领头企业，相对论航天公司自成立起，坚持采用增材制造技术的生产模式，研制了“星门”（Stargate）大型3D 打印机和“直接金属激光烧结”（DMLS）打印机，分别用于大型箭体结构和小型零部件的制造，能够24小时持续生产。火箭推进剂贮箱等主要结构，以及发动机推力室、喷注器、涡轮泵等均采用3D 打印技术和专用铝合金材料制造，全箭3D 打印组件占比达到85%（质量占比）。单枚火箭从启动生产到总装交付仅需60天，单台发动机制造周期为15 天。在火箭制造模式上完全区别于现有方式，能够快速敏捷地完成样机和产品制造，支撑快速研发迭代的流程和理念。

▲ 人族-1 火箭构型和方案

相对论航天公司采用第三代“星门”打印机制造人族-1 火箭。该打印机使用大幅面金属3D 打印工艺和专用铝合金生产人族-1 火箭的结构和火箭发动机。第三代“星门”可以制造的最大尺寸为直径3.4 米、高7.6米的组件，而小尺寸、高精度零部件则由DMLS 打印机生产，包括永世-1发动机的100 个组件。每台“星门”打印机具备原位实时监控、检测和后处理功能，且这些功能与打印机喷头匹配，可应用于每个沉积层。打印机原位识别缺陷功能可以避免造成打印成本浪费，并减少打印产品的修复次数；视觉、听觉和热传感器支持闭环控制和过程检验，从而减少产品缺陷的形成；使用计算机视觉和机器学习来控制高度非线性和高度耦合的打印过程。通过以上技术，相对论航天公司可以立即识别、标注并修改打印异常，为产品提供保障。同时，3D 打印方式大幅减少零部件数量，也因此简化了供应链，例如永世-1 火箭发动机共有100 个组件，而其他业内标准的火箭发动机组件数量为2700个。

▲ 永世-1 发动机在斯坦尼斯航天中心试车

已经在路上的人族-R一级复用火箭

相对论航天公司将火星移民或多星球移民作为最终目标，计划通过在火星上使用3D 打印技术生产火箭，满足星际运输需求。同时，3D 打印技术相比传统制造业对资源的依赖性更低，使用3D 打印技术在火星上建造基础设施，可满足生存需求。

▲ “人族-1”二子级及永世真空发动机样机

▲ 第三代“星门”打印机

为此，相对论航天公司计划快速从“人族-1”过渡到“人族-R”一子级可重复使用的大型运载火箭。“人族-R”采用两级构型，外形类似缩小版的“星舰”，直径5.5 米，全长约82.3 米，箭体结构和火箭发动机仍全部由3D 打印技术制造，支持快速研发，可以在60 天内完成全箭交付，且有能力为客户提供快速发射服务，使用液化天然气和液氧作为推进剂，一子级采用13台永世-R火箭发动机，单台发动机海平面推力约为1147 千牛，二子级采用1 台永世真空发动机，真空推力约为1241 千牛。在可重复使用状态下，火箭的近地轨道（LEO）运载能力为23.5 吨；采用一次性发射构型时，火箭的近地轨道运载能力最大可达33.5 吨。一子级将采用垂直起降技术方案实现重复使用，且不考虑复用二子级及整流罩。

“永世-R”以“永世-1”为基础进行设计，提升了规模，设计推力约为1334 千牛，同样采用燃气发生器循环。从2021年6月公布“人族-R”研制计划开始，在不到2 年时间内，相对论航天公司已经在2023 年3 月对永世-R 发动机的推力室组件完成2 次时长25 秒的全功率水平试车，推力达到1147千牛。公司创始人蒂姆·埃利斯在3 月10 日表示，最后一次试车的推力室组件编号为007，设计方案已经经过多次迭代，“永世-R”成为美国研制速度最快的发动机之一。

相对论航天公司在2023 年4 月12 日宣布放弃继续研制首飞失利人族-1火箭，继而将重心转移至人族-R火箭的研发工作，且该公司认为人族-1 火箭的首飞已完成相关技术验证，如3D 打印箭体结构的稳定性、火箭已通过最大动压（Max-Q），利用人族-1 火箭的研制经验，同步研制人族-R 火箭。

针对人族-R 火箭，相对论航天公司已推出第四代“星门”金属3D打印机，其主要特点和优势包括：1）打印速度较第三代提高7 倍，是现有行业水平的12 倍；2）改为水平打印方式，不存在立式3D 打印的高限问题，打印尺寸可达36.5米长、7.3 米宽，打印体积是第3 代的55 倍；3）一体化的设备设置与印版制备方法可节约打印准备时间和成本；4）以“星门”的机械自动化平台为中心进行作业配置，可有效降低熵并提高制造一致性与可靠性；5）通过融合计算机视觉、先进传感技术和实时自动测量技术进一步优化打印过程监控；6）采用相对论航天公司冶金实验室的下一代3D打印专用合金材料，具有质轻、性能高、打印速度快等特点。

▲ 一子级垂直起降复用的人族-R 火箭示意图

▲ 永世-R 发动机推力室组件的全功率试车

▲ 采用水平打印方式的第四代“星门”打印机

虽然相对论公司的人族-1 火箭的首发3D 打印火箭失败，但该公司已经把工作重点转移到了下一代可复用的两级液氧甲烷火箭，随着火箭运力的大幅提升，公司将能更好地应付不同轨道上不同重量、不同大小的载荷的需求，市场空间和商业价值也都会能到放大，值得期待。