可持续太空旅行初创公司利用石蜡发射卫星

• 几家初创的太空企业正在努力让德国成为欧洲航天领域的领袖，HyImpulse便是其中之一。
• 2023年，HyImpulse的SL1微型发射器将使用一种以石蜡为驱动力的可持续性混合推进系统，将第一颗小型卫星送入太空。
• 这种火箭是在计算机上设计的，因为采用数字孪生技术可以减少时间和成本。

2021年7月，“亿万富翁太空竞赛”的报道占据了全球新闻媒体的头条。英国的商业巨头理查德·布兰森（Richard Branson）乘坐“宇宙飞船2号”飞到太空边沿，那天是7月11日。然而，就在9天之后（7月20日），亚马逊的创始人杰夫·贝索斯（Jeff Bezos）乘坐名字叫新谢泼德号（New Shepard）的火箭完成了自己的太空飞行。

如果仅从发射日期来算，布兰森比对手领先了一步。然而，如果参照国际航空航天联合会的定义，即太空的起点是海拔100公里处，贝索斯才是名副其实的赢家，因为布兰森只到达了86公里处，而贝索斯的官方飞行高度却达到了107公里处。

新闻媒体对这两次发射进行了大面积的报道，这使得三家新创的德国航天公司暗淡无色，难以登上世界新闻媒体的头版。其实，它们的目标都是使用微型发射器将小型卫星送入轨道。如果这一目标可以顺利实现的话，这将使所有人都能从中受益，而且受益的程度要远远超过贝索斯和布兰森无可否认的壮观的太空飞行。

德国的太空竞赛

2021年初，德国航空航天中心（DLR）举办了一场微型发射器竞赛。有三家德国公司获得了参赛资格，它们分别是德国的初创公司HyImpulse、Isar Aerospace Technologies（伊萨航空航天技术公司）和Rocket Factory（火箭工厂）。伊萨航空航天技术公司最终被评为这次竞赛的获胜者，并获得了欧洲空间局（简称欧空局）近1,300万美元（折合人民币约8,223万元）的资助。

但是，HyImpulse的年轻研究团队并没有为此感到气馁。对于竞赛的举办方把这次奖项授予竞争对手，其联合首席执行官Christian Schmierer并不感到特别意外。

他说：“很明显伊萨公司将赢得第一轮比赛，因为他们展示出了最强的财务支持，”他还介绍说，技术只占评估内容的30%。“我们和竞争对手的区别在于我们的推进系统是以石蜡为燃料的。”

燃料的生态选择

用石蜡驱动火箭乍听起来可能有点不可思议，但经过尝试和测试，这还真是一种实用的选择。在石蜡中添加液态氧有助于增加推进系统的安全性。

“如果使用煤油的火箭坠毁，将会对海洋或陆地产生污染，”Schmierer说道。他解释说，由于HyImpulse的火箭不会爆炸，所以不会引起环境灾难。他又介绍说：“石蜡可以回收和熔化，对我们的员工来说，也是安全的。”

当然，石蜡并不是完美的。它仍然是石油工业的一种副产品，燃烧时对环境依然是有害的。HyImpulse希望最迟在2030年之前用生态型石蜡取代普通石蜡，而这种做法有望成为有史以来第一次不对气候造成影响的太空飞行。

Schmierer认为，生态型石蜡是人工生产的，这样做使得发射火箭但又不对环境造成破坏成为可能。他介绍说：“我们通过从空气中去除二氧化碳的方法来制造可以作为燃料储存的石蜡。然后，在发射过程中，这些二氧化碳被排回到空气中，使得飞行过程并不产生多余的二氧化碳。”

可持续的火箭和航天飞行

2016年之前，Peter Rickmers博士一直在德国不来梅大学的应用空间技术和微重力中心工作，他在那里开发了一个基于液态氧和石蜡的混合推进系统。如今，他在德国航空航天中心负责“可重复使用性飞行实验”项目。

Rickmers解释说，蜡只不过是一串碳分子和氢分子的集合。他介绍说：“一行中的碳分子和氢分子越多，材料的密度就越大。材料首先油化，然后变成凝胶，最后变成蜡。”但是，对于Rickmers来说，最重要的问题是这些碳分子和氢分子要从哪里来。

“我是使用可持续的方法来创造呢？还是把它们从地下挖出来？”他问道。Rickmers认为，如果碳来自空气，而将氢气与水分离所需的电力来自诸如太阳能发电厂的可再生能源，那么火箭发射则可以被视为对气候没有影响。燃油燃烧时会产生水，水会落入海中，最初从空气中提取的二氧化碳将释放回环境中。

Schmierer强调，HyImpulse利用可再生能源通过碳捕获生成石蜡的这一计划正可实现这一目标。他说道：“只要我们能获得融资，我们计划明年就开始开发。”

到2030年实现气候中立的太空飞行

HyImpulse设定了一项目标：到2030年实现推进过程中的碳中和。Schmierer相信，目前在德国南部地区拥有60名员工的这家初创企业将实现这一宏伟目标。他说：“跟所有的竞争对手相比，我们的技术水平最高。”

HyImpulse开发和测试火箭发动机的时间已有十多年。这一理念诞生于2006年，当时现任首席执行官Mario Kobald还在斯图加特大学做研究工作。Kobald现在领导的管理团队在学生时代就认识了，当时他们正在参与一项混合动力发动机的开发项目。

2016年，这个由四名发明家组成的团队发射的学生混合动力火箭创下了达到32.3公里远点的世界纪录。他们四人在学生时代就在德国航空航天中心做测试工程师。2018年，他们利用欧盟提供的大约290万美元（约合人民币1,830万元）的资金开始了HyImpulse的创建工作，慕尼黑技术大学的Rudolf Schwarz教授提供了进一步的投资。

搭乘HyImpulse的微型发射器

HyImpulse的团队目前正在进行两个火箭项目。第一个项目是一个亚轨道火箭，这一推进系统将于今年冬天进行飞行测试。亚轨道发射就是向天空进行高空发射，并在到达一定高度后立即返回地面，而不进入地球轨道。

这枚探空火箭将用于科研和观测地球。Schmierer认为，下一个重大挑战将使怀疑人士信服。他说道：“到目前为止，发动机只在地面上进行了测试。有些人不相信我们的方法，现在，我们必须向他们证明这项技术确实有效。”

然而，HyImpulse的最终目标还是实现其微型发射器的处女航。可运载500公斤有效载荷的SL1的首次测试飞行计划将于2023年进行，当然先决条件是新冠疫情或供应瓶颈不会破坏到这一计划。“我们正在为提前安排的太空旅行飞行而努力，”Kobald说道。

HyImpulse在卫星运营商中发现了潜在的客户。Schmierer说：“第一次飞行将仅用于运载卫星。由于这将是一次试飞，客户必须愿意接受更大的风险。”HyImpulse的业务模式要求客户按每公斤有效载荷进行付费。目前的价格估计为每公斤18,500美元（折合人民币大约11.7万元）。

该公司希望到2030年通过系列生产将这一金额降低到每公斤8,000美元（折合人民币5万多元）左右。考虑到整个开发过程，Schmierer估计单次发射的成本在69万美元（折合人民币436万多）到100多万美元（折合人民币632万多）之间。一旦首航完成，接下来的进展就会加快。HyImpulse计划在2025年进行6次发射，2030之后，希望每年发射30次以上。

通过系列生产降低成本

在接下来的10年里，HyImpulse计划每年在德国的工厂建造50枚火箭和大约400台发动机。这一宏伟目标之所以有可能实现，唯一的原因是这些火箭是通过数字化技术创建的。工作人员可以使用欧特克Fusion 360来模拟发动机的负载和规格要求。

新的功能可以在现场进行数字测试，从而避免了生产过程中可能出现的施工错误。Schmierer介绍说：“我们选择Fusion 360的一个原因是，这个系统非常灵活，需要时很容易做出调整。通过数字方式设计单个组件，然后再对它们进行编译来创建火箭非常容易。”

不过，接下来有一个需求的问题：这一业务模式是否可行，是否有足够的客户？到目前为止，HyImpulse已经与对他们的工作表示感兴趣的两家公司签署了谅解备忘录。

其中一个是Yuri，这是一家专门从事微重力研究的初创公司；另一个是Exolaunch，这家公司为卫星提供了“拼箭”服务。尽管HyImpulse没有透露任何其他潜在客户的信息，但该团队深信不疑的是，市场对他们的服务是有一定需求的。

进入轨道的卫星越多，预测的结果就越准确

像HyImpulse这样的公司在开发微型发射器以将小型卫星送入太空的计划中看到了巨大的销售潜力。“小型卫星可以帮助我们更好地了解气候的变化，将来可在保护环境方面发挥作用，”Schmierer说道。

太空中的卫星越多，准确地测量并分析尚未探测过的区域就变得越容易。将来会出现专门用于船舶和航空器通信的系统，以及用于监控铁路网络和管道的新应用程序。“所有这些公司都将是我们客户的客户，”Schmierer说道。

他还预测，“一些公司将专注于对数据的评估。”但是，像HyImpulse这样的公司是实现这一目标的前提条件。有人首先需要为卫星制造商提供将其卫星送入轨道的机会。

在轨卫星的数量越多，数据的数量就越大，预测的结果就越准确。日常生活中的许多方面已经依赖于我们对空间的有效利用。Rickmers认为，也许人们并没有注意到，“从导航到天气预报，从股票交易到灾难控制，如果没有卫星通信，许多系统将会受到限制，甚至完全崩溃。”

如果德国的这些初创航天公司实现了他们将小型卫星送入轨道的目标，那么交通部门将能够更精确地对交通堵塞进行预测，驾驶员可以从中受益。此外，它还可以更准确地确定事故发生的地点，并更准确地预测洪水。农民将能够精确地确定给农田进行施肥和灌溉的确切时间，因为卫星数据将准确地显示农田里干旱的位置。

Schmierer认为，如果HyImpulse希望在国际和德国范围内的竞争中长期保持优势，开发推进技术是关键。他说道：“我们的发射器是推动卫星进入地球轨道的关键。如果手中有了这把利器，那么有效载荷和客户就会接踵而来。”

进入轨道并返回地面

在开发清洁的推进技术的同时，我们不应忘记，凡是发射上去的最终还必须要下来，至少在理想的世界中应该是这样。其实，不需要多少年，地球轨道上的卫星数量将不成比例地增加，所以，人类必须解决太空碎片的问题。

欧空局太空碎片办公室主任Holger Krag预测，在接下来的几年里，发射到太空的卫星将超过迄今为止发射的总量。“我们目前正在经历一场革命，”Krag说道。根据Krag的博客，欧空局估计，目前的在轨卫星有7,500多颗，其中4,500颗仍在运行，而其余的卫星则是垃圾。

Krag解释说，欧空局的飞行任务控制部门大约每两周就必须采取一次行动，以确保其一颗卫星不会与另一颗卫星发生碰撞。他感叹国际间仍然缺乏法规和标准应对这一难题，并担心这对人类的进一步发展提出了挑战。为了改变这一局面，欧空局正在与瑞士的创业公司ClearSpace合作，该公司的目标是在2025年之前执行第一个清除太空碎片的任务。HyImpulse的卫星发射器将能够把机器人设备载入太空，以便收集碎片并将其带回地球。

HyImpulse还在努力确保其火箭在返回地面时还保持着一个整块（而不是支离破碎），以便能够再次使用。开发绿色推进方法是提高太空飞行可持续性的重要一步，所有空间实验室都必须努力做到这一点。将来的太空飞行只有在不对地球造成损害的情况下才能够持续发展。