獲比爾蓋茨投資，前藍色起源工程師造100%全複用火箭，明年首飛

來源丨創業邦（ID：ichuangyebang）

作者丨臨風

編輯丨海腰

圖源丨Stoke Space

7月3日，美國太空軍的空間系統司令部將軌道服務計劃（OSP）-4合同的第二個准入資格授予藍色起源、Stoke Space。該合同無限交付、不限數量，價值高達9.86億美元，已有Northrop Grumman、Firefly Aerospace、Astra、Rocket Lab等12家公司參與。

在這同一份合同中，Stoke Space是一家明星初創公司，成立於2019年10月，剛成立5年卻有「設計100%可重複使用火箭」的目標。創始人Andy Lapsa和聯合創始人Tom Feldman都曾是藍色起源新格倫火箭BE-3U發動機、BE-4發動機的推進設計師。

據悉，Stoke Space正在設計一種完全可複用的液氧甲烷-液氫運載火箭Nova，能在24小時內回收複用。這是一種兩級火箭，介紹稱，Nova的二級火箭會和一級火箭一樣進行垂直動力回收，且整流罩將固定在二級上，具有可重複使用能力。當前，明確有「整箭回收」目標的是SpaceX的星艦，商用后的星艦能在6-8小時內回收利用。

TechCrunch消息稱，8月中旬，Stoke Space正在尋求授權，計劃在明年進行大約2次發射。該公司向監管機構表示，Nova預計每年最多可進行10次發射，在不重複使用情況下，最多能將7噸有效載荷送入近地軌道。

Stoke Space的Nova是較為「嬌小」「扁圓」的特殊運載火箭，去年其第二級火箭已成功實現了10米左右的VTVL測試，如今在不斷加速試驗節奏。它的定位是中型運載火箭，瞄準的是小衞星發射市場。

要實現火箭100%全複用

Stoke Space創始人的想法與馬斯克相似：火箭的完全複用是未來航天發展的關鍵。

「Andy和Tom都覺得，火箭的未來是完全快速可複用的火箭，每天往返於太空運送貨物，類似於聯邦快遞，甚至頻繁到無聊，」Stoke Space的前業務開發VP Devon Papandrew説。

Andy Lapsa是密西根大學博士，在藍色起源任職10年，擔任了BE-3發動機項目的總監，是BE-4團隊最初的三名成員之一。BE-4是由藍色起源開發的液氧甲烷發動機，不僅將用於新格倫火箭，還被ULA選中作為新一代Vulcan的主要發動機。

然而藍色起源成立20余年，還未進入軌道。它有一款新謝潑德（New Shepard）運載火箭，為亞軌道飛行設計，不具有將有效載荷送入軌道的能力。新格倫火箭（New Glenn）則是爲了軌道任務設計的，在2012年之前啟動了研發工作，Andy Lapsa也正是從2011年開始開發過BE-4，新格倫火箭第一級便是由7台BE-4發動機組成，推力可達380萬磅。

新格倫火箭的首飛計劃一再推迟，目前已安排到2025年左右。在藍色起源，Andy Lapsa距離火箭實現快速複用的目標一眼望不到頭。

隨着商業航天的發展成熟，Andy Lapsa意識到，做火箭不再像20世紀60年代那樣需要設計數以萬計的員工，在漫長歲月里做研發。時至今日，即使是很小的團隊，只要這支團隊里有從頭到尾開發經驗和飛行經驗的人，也可以在同一時間框架里完成工作。

2019年9月，三十多歲的Andy Lapsa離開了藍色起源，準備尋找更快的辦法做可重複使用的火箭。這年8月，SpaceX正在對星艦原型機「星蟲」（starhopper）做150米的自由懸浮測試，成功飛行至150米。自2015年底，SpaceX的「獵鷹9-FT」一子級就成功陸上回收，實現火箭部分重複使用的首次突破，經過數次迭代測試，SpaceX已經逐步掌握獵鷹9號和龍飛船的回收複用技術。

SpaceX聚集全球頂尖火箭人才，團隊慣於執行且以回收複用火箭為目標，對Andy Lapsa來説，理應是一個理想之地。他開始和在SpaceX干了3年、15年甚至更久的員工做了交流，竟然得出這樣一個結論：「他們已不復當年，身心俱疲。（ They’re shells of their old selves. They are burned out.）」據稱，SpaceX的員工的工作時長達到每周82至100小時，對身心損耗極大。

SpaceX的目標太宏大了。Andy Lapsa認為，做全箭回收的公司可以不止SpaceX一家，公司的發展可以有不同的路走。「我對SpaceX所做的一切充滿敬意，它幾乎推動了商業太空的發展和未來，但我認為SpaceX打造的商品是規模龐大的，並不是所有客户都需要這樣的服務，我們可以滿足對市場的替代性服務需求，如某個客户只想在特定時間將物品送達特定地點。」

Andy Lapsa拉上前同事Tom Feldman，一位同樣做BE-4推進設計工程師的老朋友，在華盛頓州成立了Stoke Space，只有5名員工，兩個人沒有任何業務和融資經驗，沒有辦公室也沒有測試場地，就這樣開始。

不同於星艦發射系統執行大型載荷任務，他想造一類更小的火箭，適應變化之中的航天工業推出的小型衞星。並且目標明確，Stoke Space的許多設計決策都是圍繞實現火箭24小時內周轉和複用的核心目標來做的。

爲了能讓工程師的工作效率和健康得到平衡，Andy Lapsa在Stoke Space嘗試給員工一種「彈性工作」的狀態，員工們可以每周只工作40-60小時，也可以忙碌度過100小時的工作周，但需要認真對待每一階段的截止時間。

后來，在華盛頓肯特郡，他們擁有了21000平方英尺的工廠，2021年4月摩西湖（Moses Lake）機場附近2.3英畝的荒蕪地皮開設火箭測試設施，同年9月投入使用。YouTube欄目GREAT SPACEX介紹：「令人震驚，短短几個月，Stoke Space將一片空地變爲了測試場地，在這里他們進行了許多組件測試。」

在Andy Lapsa看來，以火箭的100%可複用降低「票價」，能在24小時內快速複用提升使用頻率，是降低成本和帶來收入的主要因素。當前的火箭複用成果已證明回收第一級是可行的。在這之后，行業內必須找到一種方法，實現第二級火箭實現可重複使用。

這涉及到2個技術難題：熱防護罩的設計、第二級火箭發動機的設計。

據Geekwire，Stoke Space第二級的隔熱罩有一項關鍵技術，他們計劃用日常的材料來做一種韌性的、再生冷卻的金屬熱防護罩，而不是使用陶瓷瓦片。

航天飛機使用的正是二氧化硅瓷磚，絕緣性好但很脆弱，導致了2003年哥倫比亞號的悲劇。「我驚訝的是，SpaceX圍繞瓦片材料做了大量的科學工作，他們還在沿用這樣脆弱的材料，」Andy Lapsa説。

假如火箭實現全部回收複用，在完成兩次飛行的間隙之間需對熱防護罩進行詳細檢查，如航天飛機的檢查投入的人力和時間超長，無法做到24小時周轉，所以Stoke Space必須設計一種不需要檢查的隔熱系統。

「即使出現問題，火箭需仍然正常工作。所以，我們採用普通的金屬板材製造，堅固且延展性好。如果有小裂縫存在，熱防護系統會採用再生冷卻，這是我們的‘被動失效模式’。」

2021年2月，Stoke Space完成種子輪910萬美元融資，由NFX和MaC Ventures領投，YC、Liquid2、Reddit創始人Alexis Ohanian的SevenSevenSix、運動明星Joe Montana等跟投。

種子輪融完后，Stoke Space做完了全尺寸第二級的製造演示，對第二級火箭發動機的部件進行全功率試射。

Stoke Space的進展快速，印證了其製造能力夠強。同年12月，比爾·蓋茨的Breakthrough Energy領投了他們的A輪6500萬美元融資，用於重複使用火箭上面級的開發和測試。此時，團隊已有了29名員工，都是來自藍色起源新格倫運載火箭和發動機團隊、SpaceX獵鷹9號梅林1C團隊、Spaceflight及其他大廠的工程師。

雖然不像SpaceX那樣有高強度工作節奏，Stoke Space的進度卻很趕，僅在2022年10月就進行了70次引擎測試，馬不停蹄地追趕時間表。「實踐第一，」Andy Lapsa很堅定，「設計和實踐都要做到。」

主動冷卻的隔熱罩

Andy Lapsa等人的奇思妙想迅速在Stoke Space的研發過程中實現。

他們的第一個全尺寸火箭發動機像UFO，造型奇特。Andy Lapsa還選了一條勝過藍色起源的技術路徑來做發動機，開發程度最難的火箭發動機，全流量分級燃燒循環（FFSC），也是最高效的燃料循環類型。SpaceX獵鷹重型的猛禽（Raptor）、RD-701（蘇聯時期）便屬於這一類。猛禽是唯一成功飛行的FFSC發動機，尤其難開發。

GREAT SPACEX表示：「Stoke Space的發動機本質上是SpaceX猛禽發動機的縮小版。」

據資料，Stoke Space的首款火箭Nova是一枚兩極的中型運載火箭，高30.5米，直徑4米。

第一級採用7台全流量分級燃燒循環液氧甲烷發動機，垂直動力回收，第二級則是液氧液氫環裝發動機。上面級設計融進了許多先進技術，一個大型泵輸送推進劑，共30個燃燒室均勻分佈在二級外側隔熱罩邊緣，且固定不動。燃燒室將擴展部分作用於冷卻隔熱罩上，成為一種氣動錐體（Air Spike）提高上級效率。

第二級火箭採用再生冷卻金屬再入隔熱罩，集成模塊化LH2（液氫）/LOX火箭發動機，尺寸與25000磅推力的Aerojet Rocketdyne RL-10相同。

與Rocket Lab在研的「中子號」採用的辦法類似，Nova的整流罩固定在第二級上，同樣可重複使用。

ASPT航天科普小組解釋，其第二級可通過隔熱大底重入大氣，隔熱罩採用推進劑冷卻，通過隔熱罩內部的推進劑帶走再入熱量。據分析，再入時，Stoke Space的航天器無需額外質量用於氣動控制，只需改變隔熱罩偏度，利用反推推進器控制方向，從而精準控制着陸點。

怎麼能讓低温材料自己流過隔熱罩和外壁？Tim Dodd去Stoke Space工廠拜訪時提出了這個問題。「這里是一個膨脹循環，你並不是從燃燒室獲取能量，而是從再入時的熱量中獲取能量，（渦輪泵）它自己會轉起來」，Andy Lapsa笑着解釋。

Tim Dodd分析，這利用的是浪費掉的熱能，重新捕獲它並利用其為泵提供動力，隔熱罩用了類似的辦法，燃料從泵里流出后會流經隔熱罩，再流過燃燒室，其中一些會回到渦輪機驅動渦輪泵，然后排出去。

Stoke Space爲了讓火箭第二級再入時不被燒燬設計了一種冷卻系統。先是隔熱罩的作用，再入時，冷的氫氣會在隔熱罩后面流動，通過「膨脹循環」的系統給發動機提供動力，當火箭遇到空氣摩擦產生更多熱量時，氫氣吸收的熱量讓它流動更快，發動機的泵也就轉得越快，從而讓更多冷氫氣流過隔熱罩，保持冷卻。

再者，該設計還有一個巧思。第二級的隔熱罩是一個圓頂狀結構，並與錐體相連，錐體又與肩部相連，肩部有圓形切口用於放置推進器，如圖中的「圓洞」。發動機與隔熱罩的設計巧妙融合，幫助冷卻並保護發動機。此外，隔熱罩的形狀設計得不對稱，它能產生一個方向性的推力，幫助火箭再入時更好地控制方向。

Tim評價：「這個系統的優點是，它是一個膨脹循環引擎，隔熱罩還可以自行調節，自行驅動。確實是天才的、一舉兩得的系統應用。」

Stoke Space用的材料也是不鏽鋼。在新冠疫情期間得到好材料並不容易，Andy Lapsa認為，與其花幾年時間去研究各種金屬適用性之間幾個百分點的差距，不如快點製造火箭。前方有SpaceX「引路」，用不鏽鋼造的火箭並不差。

2023年初，Stoke Space造出了全尺寸第二級原型Hopper1，並進行了垂直着陸（VTVL）飛行。第二級的外形像一個傳統的太空艙，原型機Hopper與星蟲（Starhopper）非常相似。在2022年造出第二級發動機環的原型后，至少進行了22次靜態點火。

Hopper2是第二個第二級原型，它的VTVL測試讓Stoke Space一「跳」成名。2023年9月，摩西湖邊，Hopper2在15s點燃了15個燃燒室，飛躍起30英尺左右，秀了一把技術「肌肉」：氫/氧發動機環、主動冷卻的隔熱罩、差動節流推力矢量控制轉向法（即調整各推進燃燒室推力大小實現轉向）、軟件系統等。

測試成功后，Stoke Space發文表示：我們成爲了全球第二家成功試飛完全可重複使用上級火箭原型的公司。

第二個月，他們獲得了由Industrious Ventures領投的1億美元B輪融資。

據其2023年10月公佈的發射計劃，Stoke Space計劃將5噸有效載荷送入近地軌道。Stoke Space還被分配到了具有歷史意義的發射臺LC-14，之前，該發射臺被用於支持水星計劃和雙子座計劃的關鍵任務。1962年，美國知名宇航員John Glenn曾在此處搭載Mercury-Atlas 6火箭繞地球3圈，藍色起源的新格倫火箭便以他的名字命名。1966年，LC-14停用，原始發射控制中心被修復並改為會議中心，偶爾也是個旅遊景點。

對Stoke Space來説，被分配到LC-14發射臺是一個巨大的榮譽，此處的環境評估將會做得非常細緻。

據TechCrunch，Stoke Space申請在明年進行約2次發射。LC-14的環境評估則是個頭疼的問題，目前的環境評估草案顯示，當前的評估只考慮Nova火箭採用「一次性使用」的配置，而不是可重複使用火箭，即發射后不收火箭部件。對此，Stoke Space將採用分階段計劃，第1階段發射完全一次性的火箭，第2階段則需進一步的環境分析，后續考慮發射可複用火箭。

當前，Stoke Space已完成第一級發動機的組裝，並在6月完成了FFSC發動機首次點火測試。Nova的潛力倍增，7月時被美國太空軍選為參加小型衞星任務OSP-4的航天器。8月底，Stoke Space還獲得了國防創新部（DIU）一份450萬美元的合同，用於設計點對點向太空送貨的原型方案。

Stoke Space團隊也擴充至125人。他們在華盛頓肯特郡的工廠完成了所有制造工作，「剛搬進去時覺得很大，現在感覺很小，非常擁擠」，Devon表示，他們也將擴充製造場地。