研发火箭涉及的知识（StokeSpace的目标通过完全新颖的设计迅速建造可重复使用的火箭）

日前，astechnica刊文称：Andy Lapsa去了最好的航空航天工程学校。然后他非常努力地工作，他在蓝色起源公司帮助推进一些世界上最先进的火箭发动机的开发。但在2019年，也就是在这个行业工作了十年之后，他觉得他努力追求的航天未来--快速可重复使用的火箭--并没有变得更接近。

“这是不可避免的最终状态，"他说道，低成本的火箭可以发射、降落并在第二天再次飞行。“这将会发生。只是谁来做和何时做的问题。”

他对未来的设想并不独特。世界上最富有的两个人，埃隆·马斯克和杰夫·贝佐斯恰好也有这样的想法。Lapsa为他们中的一位工作，他首先帮助贝索斯开发强大的BE-4引擎，然后担任蓝色起源的BE-3项目主任。

“我喜欢杰夫对太空的愿景，”Lapsa在接受Ars采访时说道，“我跟他在不同的项目上紧密合作了一段时间，我基本上百分之百地赞同这个愿景。除此之外，我想我只会说，我会让他们的执行历史来说话，我认为我们可以更快地前进。”

这是一种礼貌的说法，在贝佐斯创立蓝色起源二十多年后，该公司尚未进入轨道。因此，三年前，30多岁的Laspsa和那里另一位刚满30岁的火箭科学家Tom Feldman开始四处寻找一个能更快发挥作用的地方。与其说他们被中年危机所激励，不如说是被一种愿望所激励，那就是将低成本、定期进入太空的时代提前到来以及那可能为人类开启的未来。

环顾四周

这对推进器工程师环顾了美国的行业，其中包括几十家火箭公司。他们的一个朋友，一位名叫Tim Ellis的前蓝色起源工程师，在2016年共同创办了一家位于洛杉矶的公司，名为Relativit Space。当时，这家公司还没有完全致力于Terran-R火箭--一种完全可重复使用的中等运载火箭。Lapsa和Feldman也没有那么看好增材制造或挑战3D打印整个火箭的极限。

Lapsa说道：“我认为整个火箭的增材制造是新颖的，但你想选择有意义的生产工具，你想让最好的答案获胜。而我认为他们的做法有点过于单一。”

最后，他们考虑了SpaceX。Lapsa说他和Feldman正在寻找一家公司的三个关键因素：快速、可重复使用的火箭、合适的工程团队以及“习惯性执行”历史。SpaceX几乎拥有这一切，因为该公司的主要重点是革命性的、可重复使用的Starship火箭。它拥有可以说是世界上最大和最有才华的火箭工程师团队，没有哪家公司获机构飞得更频繁或更耀眼。

然而这并不适合他们。

“毫无疑问，他们有一个惊人的执行历史，有令人敬畏的东西，绝对改变了我们的行业，”Lapsa说道，“但我确实认为有一个不同风格的公司的空间。我们跟那些在3年、5年、10年或15年后从SpaceX出来的人谈了很多，他们是以前的自己的躯壳。”

于是在2019年底，Lapsa和Feldman决定成立自己的公司--Stoke Space。两人都没有筹集资金或经营企业的经验。他们心中没有计划，也没有对他们的火箭进行具体设计。相反，他们有一个强烈的信念，那就是他们想要的未来并没有发生，但它就在那里。

Lapsa说道：“我们进行了一次信仰的飞跃并跳下了悬崖。”

早期的日子

Lapsa和Feldman在第一年做了很多思考。在整个2020年，在华盛顿州只有他们五个人，从一张干净的纸和一个简单的概念开始。大多数火箭公司首先建造一个小型、可消耗的火箭以作为学习如何到达太空的手段。Stoke Space从第一天起就以建造一个完全可重复使用的火箭为目标。

首先，他们必须想出一个可执行的设计，也就是说，不需要新的科学发现。他们还希望火箭能尽可能快地调头以便在第二天准备再次飞行。这些高层次的要求推动了Stoke的设计决策。火箭必须是坚固的，它必须能够容忍一些故障而不丢失，同时在两次发射之间不需要详细检查或重大整修。

SpaceX已经通过猎鹰9号及其垂直起降为一级的发射和回收指明了方向，因此Stoke从二级开始。Lapsa说道：“这个行业真的还不知道可重复使用的二级是什么样子。”

在Stoke小团队从事工程工作的同时，Lapsa也开始学习筹款的内幕和外延。 由于他看到商业航天业吸引了数十亿美元的风险资本，后来又通过特殊目的收购公司吸引了公共投资，Lapsa认为为一个创新的发射概念筹集资金不会那么困难。但他错了。

“对我来说最大的惊喜是，筹集资金真的非常、非常困难，”他说道，“你看到很多头条新闻，如XYZ筹集了一百万美元，我当时想，‘好吧，这能有多难？’嗯，真的很难。你必须对你所做的事情有非常高的信念，才能在精神上驾驭这条道路。”

等到2020年底，该公司完成了900万美元的种子轮融资，将在2021年实现适度增长。

一个新颖的设计

有了这笔初始资金和一个工程设计，该公司就开始了开发工作。在最初的种子轮融资后的20个月里，Stoke已经建立了一个二级引擎、一个二级原型、涡轮泵和制造设施。另外，它还将员工人数增加到72人并最终确定了火箭的总体设计。据悉，该火箭的运载能力为1.65公吨，可完全重复使用到低地球轨道。

上个月，该公司开始在华盛顿州摩西湖的一个工厂中试射其上面级的发动机。图片和视频显示了一个环形结构，其有15个不连续的推进器在几秒钟内发射。这个圆形结构的直径为13英尺，这种新颖的设计是Stoke对从轨道上返回二级的最大挑战之一的回答。

最常见的是，传统的火箭有一个带有单一引擎的末级。这种二级火箭引擎有一个较大的喷嘴--通常是钟形的，以此来优化发动机排气在真空中的流动。火箭的所有部件都尽可能地被设计成轻型，这种扩展的喷嘴往往相当脆弱，因为它们只在地球大气层以上暴露。因此，从地球上取回末级的一个问题--特别是当想用引擎来控制和减缓其下降速度--就是要保护这个大喷嘴。

而做到这一点的一个方法是将发动机喷嘴埋在一个大的隔热罩中，但这将需要更多的结构和质量且它可能在动态上不稳定。Stoke对此给出的一个解决方案是使用一个由30个较小的推进器组成的环。在真空中，来自这些喷嘴的羽流被设计为合并并作为一个整体行动。而在再入大气层时，由于发射的小型推进器数量较少，更容易保护喷口。

“你在测试的照片中看到的是一个高性能的末级发动机，它可以在大气层内以深油门运行，从而支持垂直降落，但随后也可以在太空中以比RL 10发动机的某些变体更高的ISP执行，”Lapsa说道。

另一个重要的二级问题是在再入大气层时保护整个飞行器不受超高温大气的影响。NASA的航天飞机用脆性热瓦完成了这一任务，但这些热瓦需要30,000个员工小时来检查、测试和在两次飞行之间进行整修。SpaceX正在为Starship使用一种不同类型的陶瓷瓦片，其设计更具有可重复使用性。

鉴于Stoke在火箭引擎方面的背景，Lapsa指出，尝试再生冷却的隔热罩是最合理的。该飞行器的延展性金属外层将有小的空腔以使推进剂流过材料，在再入大气层时保持冷却。因此，二级将在某种程度上像太空舱-基地一级一样，带着再生冷却的热防护罩返回地球。

下一步的跳跃测试

Stoke Space在到达太空方面有一条非常漫长的路要走。引擎测试是一个重要的步骤，但它们只是许多步骤中的第一步。该公司的下一步是在华盛顿州中部的摩西湖工厂进行二级的全尺寸版本的“跳跃”测试。这个原型将没有发射时的整流罩，但它仍将有19英尺高。

最初，测试将是低海拔的，可能以数百英尺为单位。Lapsa表示，如果有工程上的需要那么公司会考虑这样做。但就目前而言，目标是证明在上升和下降过程中控制火箭的能力并使其软着陆。这是一个令人震惊的困难的制导、导航和控制问题，特别是对于分布式推进器的新颖系统。

Lapsa说道：“这是这种架构的最后一个证明点。它是新的。它是不同的。它很奇怪。它是原创的。我们有很多关于这个东西将如何工作的问题。但我们已经减轻了很多风险。”

如果Stoke能设法让上面一级着陆，那么它就可以推进一级并开始将尚未命名的火箭变成轨道飞行器。这听起来很容易，但它并不容易。

除了技术挑战，还有监管和资金问题需要解决。Lapsa在筹集资金方面做得更好，该公司现在已有超1亿美元的银行存款。他表示，到目前为止，团队花的钱比他们的预算要少，这是一个很有希望的迹象。