获比尔盖茨投资，前蓝色起源工程师造100%全复用火箭，明年首飞

来源：创业邦

来源丨创业邦（ID：ichuangyebang）

作者丨临风

编辑丨海腰

图源丨Stoke Space

7月3日，美国太空军的空间系统司令部将轨道服务计划（OSP）-4合同的第二个准入资格授予蓝色起源、Stoke Space。该合同无限交付、不限数量，价值高达9.86亿美元，已有Northrop Grumman、Firefly Aerospace、Astra、Rocket Lab等12家公司参与。

在这同一份合同中，Stoke Space是一家明星初创公司，成立于2019年10月，刚成立5年却有“设计100%可重复使用火箭”的目标。创始人Andy Lapsa和联合创始人Tom Feldman都曾是蓝色起源新格伦火箭BE-3U发动机、BE-4发动机的推进设计师。

据悉，Stoke Space正在设计一种完全可复用的液氧甲烷-液氢运载火箭Nova，能在24小时内回收复用。这是一种两级火箭，介绍称，Nova的二级火箭会和一级火箭一样进行垂直动力回收，且整流罩将固定在二级上，具有可重复使用能力。当前，明确有“整箭回收”目标的是SpaceX的星舰，商用后的星舰能在6-8小时内回收利用。

TechCrunch消息称，8月中旬，Stoke Space正在寻求授权，计划在明年进行大约2次发射。该公司向监管机构表示，Nova预计每年最多可进行10次发射，在不重复使用情况下，最多能将7吨有效载荷送入近地轨道。

Stoke Space的Nova是较为“娇小”“扁圆”的特殊运载火箭，去年其第二级火箭已成功实现了10米左右的VTVL测试，如今在不断加速试验节奏。它的定位是中型运载火箭，瞄准的是小卫星发射市场。

要实现火箭100%全复用

Stoke Space创始人的想法与马斯克相似：火箭的完全复用是未来航天发展的关键。

“Andy和Tom都觉得，火箭的未来是完全快速可复用的火箭，每天往返于太空运送货物，类似于联邦快递，甚至频繁到无聊，”Stoke Space的前业务开发VP Devon Papandrew说。

Andy Lapsa是密西根大学博士，在蓝色起源任职10年，担任了BE-3发动机项目的总监，是BE-4团队最初的三名成员之一。BE-4是由蓝色起源开发的液氧甲烷发动机，不仅将用于新格伦火箭，还被ULA选中作为新一代Vulcan的主要发动机。

图源：蓝色起源

然而蓝色起源成立20余年，还未进入轨道。它有一款新谢泼德（New Shepard）运载火箭，为亚轨道飞行设计，不具有将有效载荷送入轨道的能力。新格伦火箭（New Glenn）则是为了轨道任务设计的，在2012年之前启动了研发工作，Andy Lapsa也正是从2011年开始开发过BE-4，新格伦火箭第一级便是由7台BE-4发动机组成，推力可达380万磅。

图源：Geek wire，Andy Lapsa在蓝色起源工作期间（2017年）

新格伦火箭的首飞计划一再推迟，目前已安排到2025年左右。在蓝色起源，Andy Lapsa距离火箭实现快速复用的目标一眼望不到头。

随着商业航天的发展成熟，Andy Lapsa意识到，做火箭不再像20世纪60年代那样需要设计数以万计的员工，在漫长岁月里做研发。时至今日，即使是很小的团队，只要这支团队里有从头到尾开发经验和飞行经验的人，也可以在同一时间框架里完成工作。

2019年9月，三十多岁的Andy Lapsa离开了蓝色起源，准备寻找更快的办法做可重复使用的火箭。这年8月，SpaceX正在对星舰原型机“星虫”（starhopper）做150米的自由悬浮测试，成功飞行至150米。自2015年底，SpaceX的“猎鹰9-FT”一子级就成功陆上回收，实现火箭部分重复使用的首次突破，经过数次迭代测试，SpaceX已经逐步掌握猎鹰9号和龙飞船的回收复用技术。

SpaceX聚集全球顶尖火箭人才，团队惯于执行且以回收复用火箭为目标，对Andy Lapsa来说，理应是一个理想之地。他开始和在SpaceX干了3年、15年甚至更久的员工做了交流，竟然得出这样一个结论：“他们已不复当年，身心俱疲。（ They’re shells of their old selves. They are burned out.）”据称，SpaceX的员工的工作时长达到每周82至100小时，对身心损耗极大。

SpaceX的目标太宏大了。Andy Lapsa认为，做全箭回收的公司可以不止SpaceX一家，公司的发展可以有不同的路走。“我对SpaceX所做的一切充满敬意，它几乎推动了商业太空的发展和未来，但我认为SpaceX打造的商品是规模庞大的，并不是所有客户都需要这样的服务，我们可以满足对市场的替代性服务需求，如某个客户只想在特定时间将物品送达特定地点。”

Andy Lapsa拉上前同事Tom Feldman，一位同样做BE-4推进设计工程师的老朋友，在华盛顿州成立了Stoke Space，只有5名员工，两个人没有任何业务和融资经验，没有办公室也没有测试场地，就这样开始。

图源：Stoke Space

不同于星舰发射系统执行大型载荷任务，他想造一类更小的火箭，适应变化之中的航天工业推出的小型卫星。并且目标明确，Stoke Space的许多设计决策都是围绕实现火箭24小时内周转和复用的核心目标来做的。

为了能让工程师的工作效率和健康得到平衡，Andy Lapsa在Stoke Space尝试给员工一种“弹性工作”的状态，员工们可以每周只工作40-60小时，也可以忙碌度过100小时的工作周，但需要认真对待每一阶段的截止时间。

后来，在华盛顿肯特郡，他们拥有了21000平方英尺的工厂，2021年4月摩西湖（Moses Lake）机场附近2.3英亩的荒芜地皮开设火箭测试设施，同年9月投入使用。YouTube栏目GREAT SPACEX介绍：“令人震惊，短短几个月，Stoke Space将一片空地变为了测试场地，在这里他们进行了许多组件测试。”

图源：YouTube，摩西湖边的引擎测试

在Andy Lapsa看来，以火箭的100%可复用降低“票价”，能在24小时内快速复用提升使用频率，是降低成本和带来收入的主要因素。当前的火箭复用成果已证明回收第一级是可行的。在这之后，行业内必须找到一种方法，实现第二级火箭实现可重复使用。

这涉及到2个技术难题：热防护罩的设计、第二级火箭发动机的设计。

据Geekwire，Stoke Space第二级的隔热罩有一项关键技术，他们计划用日常的材料来做一种韧性的、再生冷却的金属热防护罩，而不是使用陶瓷瓦片。

航天飞机使用的正是二氧化硅瓷砖，绝缘性好但很脆弱，导致了2003年哥伦比亚号的悲剧。“我惊讶的是，SpaceX围绕瓦片材料做了大量的科学工作，他们还在沿用这样脆弱的材料，”Andy Lapsa说。

图源：YouTube，航天飞机隔热罩

假如火箭实现全部回收复用，在完成两次飞行的间隙之间需对热防护罩进行详细检查，如航天飞机的检查投入的人力和时间超长，无法做到24小时周转，所以Stoke Space必须设计一种不需要检查的隔热系统。

“即使出现问题，火箭需仍然正常工作。所以，我们采用普通的金属板材制造，坚固且延展性好。如果有小裂缝存在，热防护系统会采用再生冷却，这是我们的‘被动失效模式’。”

2021年2月，Stoke Space完成种子轮910万美元融资，由NFX和MaC Ventures领投，YC、Liquid2、Reddit创始人Alexis Ohanian的SevenSevenSix、运动明星Joe Montana等跟投。

种子轮融完后，Stoke Space做完了全尺寸第二级的制造演示，对第二级火箭发动机的部件进行全功率试射。

Stoke Space的进展快速，印证了其制造能力够强。同年12月，比尔·盖茨的Breakthrough Energy领投了他们的A轮6500万美元融资，用于重复使用火箭上面级的开发和测试。此时，团队已有了29名员工，都是来自蓝色起源新格伦运载火箭和发动机团队、SpaceX猎鹰9号梅林1C团队、Spaceflight及其他大厂的工程师。

虽然不像SpaceX那样有高强度工作节奏，Stoke Space的进度却很赶，仅在2022年10月就进行了70次引擎测试，马不停蹄地追赶时间表。“实践第一，”Andy Lapsa很坚定，“设计和实践都要做到。”

主动冷却的隔热罩

Andy Lapsa等人的奇思妙想迅速在Stoke Space的研发过程中实现。

他们的第一个全尺寸火箭发动机像UFO，造型奇特。Andy Lapsa还选了一条胜过蓝色起源的技术路径来做发动机，开发程度最难的火箭发动机，全流量分级燃烧循环（FFSC），也是最高效的燃料循环类型。SpaceX猎鹰重型的猛禽（Raptor）、RD-701（苏联时期）便属于这一类。猛禽是唯一成功飞行的FFSC发动机，尤其难开发。

GREAT SPACEX表示：“Stoke Space的发动机本质上是SpaceX猛禽发动机的缩小版。”

图源：Space、YouTube，Stoke Space发动机

据资料，Stoke Space的首款火箭Nova是一枚两极的中型运载火箭，高30.5米，直径4米。

第一级采用7台全流量分级燃烧循环液氧甲烷发动机，垂直动力回收，第二级则是液氧液氢环装发动机。上面级设计融进了许多先进技术，一个大型泵输送推进剂，共30个燃烧室均匀分布在二级外侧隔热罩边缘，且固定不动。燃烧室将扩展部分作用于冷却隔热罩上，成为一种气动锥体（Air Spike）提高上级效率。

图源：Stoke Space、reddit，Nova

第二级火箭采用再生冷却金属再入隔热罩，集成模块化LH2（液氢）/LOX火箭发动机，尺寸与25000磅推力的Aerojet Rocketdyne RL-10相同。

与Rocket Lab在研的“中子号”采用的办法类似，Nova的整流罩固定在第二级上，同样可重复使用。

图源：YouTube

ASPT航天科普小组解释，其第二级可通过隔热大底重入大气，隔热罩采用推进剂冷却，通过隔热罩内部的推进剂带走再入热量。据分析，再入时，Stoke Space的航天器无需额外质量用于气动控制，只需改变隔热罩偏度，利用反推推进器控制方向，从而精准控制着陆点。

图源：每日宇航员，背景为第二级圆顶，最外层边缘是隔热罩安装处，内嵌发动机。圆顶周围是30个用于连接推进器的支架

怎么能让低温材料自己流过隔热罩和外壁？Tim Dodd去Stoke Space工厂拜访时提出了这个问题。“这里是一个膨胀循环，你并不是从燃烧室获取能量，而是从再入时的热量中获取能量，（涡轮泵）它自己会转起来”，Andy Lapsa笑着解释。

Tim Dodd分析，这利用的是浪费掉的热能，重新捕获它并利用其为泵提供动力，隔热罩用了类似的办法，燃料从泵里流出后会流经隔热罩，再流过燃烧室，其中一些会回到涡轮机驱动涡轮泵，然后排出去。

Stoke Space为了让火箭第二级再入时不被烧毁设计了一种冷却系统。先是隔热罩的作用，再入时，冷的氢气会在隔热罩后面流动，通过“膨胀循环”的系统给发动机提供动力，当火箭遇到空气摩擦产生更多热量时，氢气吸收的热量让它流动更快，发动机的泵也就转得越快，从而让更多冷氢气流过隔热罩，保持冷却。

图源：每日宇航员，Andy Lapsa介绍隔热罩原型

再者，该设计还有一个巧思。第二级的隔热罩是一个圆顶状结构，并与锥体相连，锥体又与肩部相连，肩部有圆形切口用于放置推进器，如图中的“圆洞”。发动机与隔热罩的设计巧妙融合，帮助冷却并保护发动机。此外，隔热罩的形状设计得不对称，它能产生一个方向性的推力，帮助火箭再入时更好地控制方向。

图源：NSF，第二级15个发动机试射，隔热罩上产生霜冻

Tim评价：“这个系统的优点是，它是一个膨胀循环引擎，隔热罩还可以自行调节，自行驱动。确实是天才的、一举两得的系统应用。”

图源：每日宇航员YouTube

Stoke Space用的材料也是不锈钢。在新冠疫情期间得到好材料并不容易，Andy Lapsa认为，与其花几年时间去研究各种金属适用性之间几个百分点的差距，不如快点制造火箭。前方有SpaceX“引路”，用不锈钢造的火箭并不差。

2023年初，Stoke Space造出了全尺寸第二级原型Hopper1，并进行了垂直着陆（VTVL）飞行。第二级的外形像一个传统的太空舱，原型机Hopper与星虫（Starhopper）非常相似。在2022年造出第二级发动机环的原型后，至少进行了22次静态点火。

图源：维基百科、NSF，Hopper2与星虫相似

Hopper2是第二个第二级原型，它的VTVL测试让Stoke Space一“跳”成名。2023年9月，摩西湖边，Hopper2在15s点燃了15个燃烧室，飞跃起30英尺左右，秀了一把技术“肌肉”：氢/氧发动机环、主动冷却的隔热罩、差动节流推力矢量控制转向法（即调整各推进燃烧室推力大小实现转向）、软件系统等。

图源：SpaceNews，Hopper2VTVL测试，隔热罩上已经结冰

测试成功后，Stoke Space发文表示：我们成为了全球第二家成功试飞完全可重复使用上级火箭原型的公司。

第二个月，他们获得了由Industrious Ventures领投的1亿美元B轮融资。

据其2023年10月公布的发射计划，Stoke Space计划将5吨有效载荷送入近地轨道。Stoke Space还被分配到了具有历史意义的发射台LC-14，之前，该发射台被用于支持水星计划和双子座计划的关键任务。1962年，美国知名宇航员John Glenn曾在此处搭载Mercury-Atlas 6火箭绕地球3圈，蓝色起源的新格伦火箭便以他的名字命名。1966年，LC-14停用，原始发射控制中心被修复并改为会议中心，偶尔也是个旅游景点。

对Stoke Space来说，被分配到LC-14发射台是一个巨大的荣誉，此处的环境评估将会做得非常细致。

据TechCrunch，Stoke Space申请在明年进行约2次发射。LC-14的环境评估则是个头疼的问题，目前的环境评估草案显示，当前的评估只考虑Nova火箭采用“一次性使用”的配置，而不是可重复使用火箭，即发射后不收火箭部件。对此，Stoke Space将采用分阶段计划，第1阶段发射完全一次性的火箭，第2阶段则需进一步的环境分析，后续考虑发射可复用火箭。

当前，Stoke Space已完成第一级发动机的组装，并在6月完成了FFSC发动机首次点火测试。Nova的潜力倍增，7月时被美国太空军选为参加小型卫星任务OSP-4的航天器。8月底，Stoke Space还获得了国防创新部（DIU）一份450万美元的合同，用于设计点对点向太空送货的原型方案。

Stoke Space团队也扩充至125人。他们在华盛顿肯特郡的工厂完成了所有制造工作，“刚搬进去时觉得很大，现在感觉很小，非常拥挤”，Devon表示，他们也将扩充制造场地。