2015年國外航天運載器發展回顧

2016-05-18 09:18:35龍雪丹

導彈與航天運載技術 2016年1期

曲晶，龍雪丹

（北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

2015年國外航天運載器發展回顧

曲晶，龍雪丹

（北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

對2015年國外航天運載器的發射情況與研制進展進行總結和概括，并對該領域的重大熱點事件進行綜述和分析，最后對各國2016年的發展進行展望。

運載器；航天發射；2015年

0 引言

2015年，全球共執行86次航天發射（見附表1），與2014年92次相比略有下降。

86次發射中，完全成功81次，失敗5次，成功率達94.19%。俄羅斯、美國、中國以26次、20次、19次分列前3位，其他分別為歐洲11次、印度5次、日本4次、伊朗1次。

1 美國

2015年，美國共進行20次發射，參與發射的火箭包括宇宙神5、德爾它4、法爾肯9、德爾它7320和超級斯屆比6個型號。除私營公司的法爾肯9火箭和超級斯屆比失敗外，其余均獲成功。

1.1 NaSa公布新版技術路線圖和火星探測報告

2015年5月11日，NaSa發布2015版《NaSa技術路線圖（草案）》，進一步明確未來能力和技術需求。該路線圖在2012年版的基礎上進一步完善，更為詳細地介紹了未來20年（2015～2035年）NaSa所需的任務能力和技術發展的需求。《NaSa技術路線圖（草案）》涵蓋包括發射推進、空間推進技術等在內的15個技術領域，并首次公布了NaSa關注的1 273項候選技術。NaSa明確指出路線圖的制定是以任務為牽引、能力為基礎，并依靠候選技術實現未來20年的探索任務，提高NaSa的核心探索能力，以實現載人登陸火星的終極目標。

2015年8月，NaSa公布《火星之旅：開拓太空探索》報告，進一步明確將登陸火星計劃分為3個階段，即近地軌道—地月空間—火星附近，并列出每個階段所要完成的工作重點及所需要的技術儲備，總結了火星探索面臨的挑戰。“近地軌道”階段主要在國際空間站上開展科學研究，為深空探索任務做準備；“地月空間”階段的主要目標是發展深空運輸基礎設施，并在地月空間開展一系列驗證試驗，驗證人類火星探索任務所需要的能力；“火星附近”階段將載人飛船送入火星軌道，最終實現宇航員登陸火星表面，開展科學技術研究。

1.2 重型運載火箭通過關鍵設計評審

2015年，SLS重型運載火箭順利通過關鍵設計評審，標志著該項目從詳細設計和制造階段轉入系統組裝、集成、試驗和投產階段。

SLS項目按照NaSa的系統工程進行管理，其重要里程碑事件包括關鍵決策點、系統需求評審、系統定義評審、初步設計評審、關鍵設計評審等。

目前，SLS項目已經完成了火箭芯級發動機的首輪熱試車和助推器的首次鑒定試驗，SLS 1型首飛使用的主要硬件已進入生產階段，飛船和有效載荷的關鍵設計評審也接近尾聲，計劃在2018年11月進行首飛，即eM-1任務，2021年執行eM-2任務（首次載人發射）。

1.3 美國發射聯盟公布下一代運載火箭方案

受到來自商業競爭和政治局勢變化的雙重壓力，作為政府發射主力的聯合發射聯盟（ULa）公司于2015年4月正式宣布分階段研制火神（Vulcan）火箭[1]。該火箭計劃采取漸近式發展模式：首先研制初始構型，全新一子級將采用美國國產發動機，計劃于2019年實現首飛；隨后在本世紀20年代初應用新型上面級；而后將進一步開展火箭可重復使用技術以及“多次發射-在軌組裝”模式的探索。

火神火箭的初始構型為兩級結構，芯級直徑5 m，二子級采用半人馬座上面級，可選用5 m或4 m直徑的有效載荷整流罩（與宇宙神5狀態基本相同），GTO運載能力約11 t。ULa公司估計在年發射10～20次的條件下，單發火神初始構型火箭的起步價為1億美元。該火箭投入使用后將取代現役德爾它4（德爾它4H除外）和宇宙神5系列火箭。

1.4 法爾肯9火箭成功復飛

繼2014年軌道aTK公司的安塔瑞斯火箭爆炸事故后，NaSa另一合作伙伴美國空間探索技術公司（SpaceX）的法爾肯9火箭也在執行國際空間站任務時發生爆炸，連續失利給美國商業航天蒙上了陰影。

2015年6月28日，SpaceX的法爾肯9-1.1火箭執行第7次國際空間站貨運補給任務（cRS-7），火箭升空2 min 19 s后，由于二子級氦氣瓶支架失效導致法爾肯9/天龍座系統發生爆炸。受此次任務失敗的影響，SpaceX公司在本年度的發射任務被迫推遲。

時隔不到半年，SpaceX于12月22日使用經改進后的法爾肯9火箭成功復飛，將11顆Orbcomm衛星送到高度為615 km×750 km、傾角為52°的軌道，并成功實現一子級有動力垂直回收著陸。另外，軌道aTK公司也于12月6日利用宇宙神5火箭成功發射了天鵝座飛船。

盡管商業航天遭遇挫折，但政府仍在繼續支持商業航天的發展：法爾肯9火箭此前已獲得NaSa和空軍載荷的發射資格認證；NaSa延長了第1階段貨運補給合同并積極籌備第2階段合同的競標，還向波音公司和SpaceX公司分別售出了2次和1次商業載人發射合同。1.5 NaSa公布安塔瑞斯火箭故障調查報告

2015年10月29日，NaSa發布一份由獨立調查小組針對安塔瑞斯火箭2014年10月Orb-3任務事故的調查報告[2]。報告指出火箭一子級發動機中的1臺液氧渦輪泵在點火15 s后發生爆炸，火箭失去推力，并墜毀在發射臺附近。這一結論與軌道aTK公司的調查結論基本一致，但事故的原因卻有些不同。NaSa報告中給出了3個可能導致故障的技術原因（渦輪泵軸承魯棒性設計不充分、渦輪泵多余物、生產或其他工藝缺陷），并提出了相應的改進建議；而軌道aTK公司則將故障歸結于aJ-26發動機的生產加工缺陷，并未提及設計魯棒性問題，還認為多余物不可能導致故障的發生。

1.6 快速響應小火箭超級斯屆比首飛失敗

2015年11月4日，快速響應小型運載火箭超級斯屆比從夏威夷考艾島的太平洋導彈靶場攜帶夏威夷大學的HiakaSat衛星及12顆立方體衛星組成的有效載荷模塊進行首次飛行，起飛約1 min火箭發生爆炸。

超級斯屆比為地基導軌發射的小型三級固體火箭，長18 m，直徑1.32 m，起飛質量24 t，LeO運載能力300 kg。它是美國國防部為實現衛星快速部署而開展的多個快速響應發射技術研制項目之一，由快速響應空間辦公室主持研制。此次發射失敗不僅帶來經濟上的損失，也將導致美國國防部在快速響應發射技術研制方面更為被動。

1.7 daRpa取消aLaSa飛行試驗計劃

美國國防預先研究計劃局（defense advanced Research projects agency，daRpa）宣布取消利用改進型F-15噴氣式戰斗機發射小衛星的“空射輔助進入空間”（airborne Launch assist Space access，aLaSa）2016年的飛行試驗計劃。取消原因是2015年進行的2次新型火箭燃料試驗均以爆炸而告終[3]。

2011年11月，daRpa發布aLaSa計劃，目標是基于乙炔開展機載衛星發射技術方面的研究工作。2014年3月，波音公司獲得一份價值約為104萬美元的合同，負責aLaSa計劃的研制和演示驗證。該計劃的目的是演示運載能力，使其能在接到通知后以低于100萬美元的成本將45 kg的有效載荷送入近地軌道。aLaSa項目的難點是使用了乙炔推進劑，采用“預混合”的方式，以減少火箭需要的組件，使火箭可以攜帶更多的有效載荷，降低制造和運行成本。但該推進劑存放在載機上過于危險。dapaR目前考慮將其用于地面發射系統。未來，波音公司、軌道aTK公司將與dapRa合作研究Na-7推進劑，并進行第3輪試驗。

1.8 商業公司爭相驗證一子級可重復使用技術

2015年11月，藍源公司的亞軌道重復使用飛行器新謝帕德在第2次試驗中到達100.5 km高度后，乘員艙同助推級分離后依靠降落傘安全收回，助推級實現了有動力垂直著陸。新謝帕德是1枚完全重復使用的垂直起降的亞軌道飛行器，由乘員艙和助推級2部分組成。乘員艙設計可搭載6名乘員，助推級由Be-3氫氧發動機提供動力，起飛推力489 kN。此次試驗為藍源公司亞軌道太空旅游計劃的順利實施鋪平了道路。

12月22日，法爾肯9火箭從卡納維拉爾角的第40號發射工位發射，一子級在約80 km的高度與二子級分離，分離速度馬赫數為10，之后滑行至140 km的最高點，后通過3次點火，利用柵格翼和著陸支架成功返回第1著陸區域。一子級長43 m，直徑3.66 m，推進劑質量409.5 t，推力為756 kN。此次發射對SpaceX公司的意義重大，繼1月和4月兩次海上平臺回收失敗后，SpaceX最終在陸地上實現火箭一子級回收，是人類歷史上首次在火箭發射中成功完成一子級有動力垂直回收，對進一步降低火箭發射價格產生深刻影響。

2 俄羅斯

俄羅斯共進行26次發射，其中3次失敗。主力火箭聯盟號和質子號承擔了俄羅斯90%以上的發射，但3次失敗使俄羅斯再度陷入困境。此外，第聶伯和隆聲號小型火箭分別進行了1次和2次發射。

2.1 成熟火箭再次出現失利

2015年4月28日，聯盟號2-1a火箭搭載進步號M-27M貨運飛船發射升空，飛行至526.716 s時，火箭末級與飛船分離異常，飛船被送入近地點193 km、遠地點278 km的軌道，遠地點高出預定軌道40 km[4]。經調查，火箭末級與飛船的異常分離是本次事故的直接原因，火箭與飛船的連接結構存在頻率響應異常。事故調查委員會認為，該連接結構在火箭系統的設計、試驗工作中未得到充分重視。

5月16日，質子號M運載火箭搭載墨西哥通信衛星1號發射升空，在飛行至第497 s、上升至161 km時，火箭三子級發動機出現故障，導致微風M上面級與有效載荷未能實現分離，發射失敗。經調查，三子級發動機渦輪泵轉子在高溫狀態下發生損耗，加之平衡系統在設計上存在缺陷，造成轉子失衡，是導致三子級發動機關機的主要原因[5]。事后，赫魯尼切夫國家航天科研生產中心及其分包商對質子號M火箭進行了相應的改進，包括：更換渦輪泵轉子軸承材料；提升渦輪泵轉子的平衡性能；改進三子級游機渦輪泵與主發動機機身之間的連接方式。

2.2 未來十年聯邦航天預算初步確定

12月，俄航天局向政府提交了修訂的“2016-2025年聯邦航天計劃”[6]，撥款額度暫定1.4萬億盧布，是上個十年預算的2倍，但比年初上報的預算額減少近一半，主要是受國際油價持續走低、俄羅斯當前經濟形式較差影響。該預算取消了包括月球著陸器、月球軌道站、月球基地、登月航天服、月球機器人保障系統研制等大部分與登月計劃相關的項目，但未來可能用于登月計劃的飛船研制項目將被保留。

2.3 研制新型聯盟號5取代現役聯盟號火箭

聯盟號5系列火箭包含中型聯盟號5.1、大型聯盟號5.3及重型共3種構型，采用模塊化設計，推進劑采用液氧/甲烷，由東方港發射場發射。聯盟號5.1為兩級構型，起飛質量約269 t，最大高度50.1 m，LeO最大運載能力為9 t，采用弗雷蓋特上面級可執行太陽同步軌道、大橢圓軌道、地球同步轉移軌道及地球同步軌道發射任務。聯盟號5.3采用三級構型，捆綁2枚芯級助推器，起飛質量約690 t，最大高度56.7 m，LeO運載能力24 t，用于發射載人和載貨飛船、衛星，采用弗雷蓋特-SBU上面級可執行地球同步軌道、大橢圓軌道、GTO軌道和地球同步軌道任務。

未來聯盟號5系列或將完全取代聯盟號系列的所有現役火箭，首飛火箭擬于2021～2022年制造完成，屆時進步航天中心每年可生產約20枚該系列火箭。

2.4 成立國家航天集團繼續推進航天企業整合

繼2014年成立聯合航天集團之后，2015年俄羅斯再次對其管理體系進行重組。俄羅斯在聯合航天集團和聯邦航天局基礎上成立國家航天集團，管理宇宙空間研究、探索和利用等方面的工作，并代表俄羅斯管理和領導航天活動，對行業法律法規進行調整。此外，聯合航天集團內還將整合動力機械科研生產聯合體等8家火箭發動機研制企業，成立聯合火箭發動機研制集團。

2015年7月，俄羅斯聯邦國家杜馬通過了成立國家航天集團的法案，隨后普京簽署總統令[7]。國家航天集團的總經理為伊戈爾?卡馬洛夫，最高管理機構為觀察委員會。觀察委員會由11人組成，包括5名總統代表、5名政府代表及1名總經理，集團主席及總經理由總統從觀察委員會成員中指定。后續，俄羅斯將完成聯合航天集團向國家航天集團的股權轉讓，聯邦航天局的撤銷工作將于2016年第二季度完成。

3 歐洲

2015年，歐洲共進行11次發射，包括阿里安5火箭6次、聯盟號ST火箭3次，織女星火箭2次，全部成功，并在可重復使用技術探索方面取得重大進展。

3.1 積極推進下一代運載火箭及地面設施研發工作

在逐步改進現役阿里安5eca和阿里安eS火箭、提升運載能力和適應性的同時，歐空局為新一代阿里安6火箭的研發進行相關準備。2015年8月12日，歐空局分別與空客-賽峰集團、法國航天局和歐洲運載火箭集團公司簽訂了價值24億歐元的阿里安6火箭研制合同，以及價值6億歐元的發射設施建設合同。其中，阿里安6火箭研制經費中的6.8億歐元將用于完成階段a和階段B初始研制任務，并預計在2016年中期完成火箭的初步設計評審，確?；鸺?020年實現首飛[8]。

阿里安6火箭研制計劃是在2014年12月歐空局部長級會議上得到一致確認的?；鸺龑⒉捎矛F有火神2主發動機和新型芬奇上面級發動機，捆綁2枚或4枚固體助推器，形成GTO運載能力5 t和11 t的兩種構型，計劃2020年首飛。歐洲正在改進現有發射設施，以滿足阿里安6新型上面級芬奇發動機的試驗要求，發動機的鑒定評審計劃于2017年進行。

3.2 過渡性試驗飛行器成功首飛

2015年2月11日，過渡性試驗飛行器（Intermediate experimental Vehicle，IXV）搭乘織女星火箭進行了首飛試驗[9]。本次任務持續約100 min，在飛行器滑翔穿過大氣層飛往太平洋濺落點的過程中，試驗了飛行器的機動性、制導系統和下一代防熱系統。本次試驗標志著歐洲在重復使用運載器和高超聲速技術研究方面取得了重大進展，為未來小型航天飛機和重復使用運載器的研制打下了堅實的基礎。

IXV為升力體布局，長4.4 m、寬2.2 m、高1.6 m、質量1 815 kg，升阻比約為0.7。兩片體襟翼用于執行平衡和飛行控制。飛行器裝備有下降與回收系統，由一組降落傘、漂浮與定位裝置組成，漂浮裝置將確保IXV漂浮在海面上等待回收[10]。

3.3 歐洲對聯盟號火箭的信心動搖

歐洲和俄羅斯于2003年開始就聯盟號火箭在庫魯發射場發射的相關事宜開展合作。截至目前，歐洲利用聯盟號ST火箭共發射10次，9次成功，1次部分成功。但2014年聯盟號ST-B火箭在執行伽利略衛星及O3b網絡服務衛星的2次任務中連續發生故障，導致歐洲對引進俄羅斯的聯盟號火箭產生了顧慮。歐空局曾在2015年初表示，如決定放棄聯盟號，歐洲將選擇阿里安5火箭發射2顆伽利略衛星，但還需進行振動等相關試驗，以鑒定阿里安5整流罩環境是否符合伽利略衛星的要求。最終，歐洲在本年度仍使用3枚聯盟號火箭發射了6顆伽利略衛星。但未來的合作是否持續下去，還有賴于發射任務的成功執行。

4 日本

2015年，日本共進行4次航天發射，其中H-2a火箭完成3次，H-2B火箭完成1次，全部成功，共將22顆衛星送入預定軌道。8月19日，H-2B火箭成功將18顆立方體衛星送入空間站并釋放。11月24日，H-2a火箭204型成功發射了一顆加拿大的通信廣播衛星，實現了日本國產火箭的首次商業發射。此次發射價格約120億日元（約合9 800萬美元）[11]。

4.1 改進艾普斯龍小型火箭提升運載能力

日本通過改進發動機、減低結構重量進一步提升其運載能力和適應性。與首飛型艾普斯龍相比較，增強型艾普斯龍高度增加了1 600 mm；SSO（500 km）運載能力從450 kg增加至590 kg；滾軸方向的載荷有效容積增加了25%。增強型艾普斯龍在2015年7月通過初步設計評審，現已進入細節設計階段。后續計劃在2016年3月進行鑒定評審，但在此之前要完成火箭新二子級發動機地面點火試驗和一些新的結構部件批產前測試[12]。

4.2 新型運載火箭被正式命名為H-3

日本宇宙航空開發機構JaXa研發的新一代火箭被正式命名為“H-3”。火箭全長約63 m，采用兩級構型，芯級直徑約5.2 m，固體助推器直徑2.5 m，可加裝2個或4個助推器，SSO運載能力為4 t以上，GTO運載能力為6.5 t以上，發射價格力爭降至現有H-2a火箭的一半?；鸺l射準備時間預計縮短至26天，發射人員數量降至現有人數（100～150人）的1/3或1/4。首枚H-3火箭計劃于2020年發射升空，未來將取代現役H-2a火箭系列，確保日本在航天運輸領域的國際競爭力。

5 印度

印度2015年共執行5次軌道發射任務，其中極地軌道衛星運載火箭（pSLV）4次，地球同步軌道衛星運載火箭（GSLV）1次。

8月27日，GSLV-MK2成功將GSaT-6通信衛星送入地球同步轉移軌道，這是繼2014年1月5日后，該型火箭的再次成功發射。GSLV-MK2采用三級構型，捆綁4枚常溫液體助推器，上面級為印度自主研制的低溫級。2010年進行首次發射時因上面級故障遭遇失敗。本次發射是該型火箭的第3次發射，連續2次成功在一定程度上改變了GSLV系列火箭經常遭遇失敗的境況。

此外，印度積極推進新型GSLV-MK3火箭的研發工作。4月28日，用于GSLV-MK3低溫上面級的ce-20液氫/液氧發動機成功進行645 s的試車，后續還將進行上面級的試車以及模擬高空環境的試車。如果試驗順利，新型GSLV-MK3火箭計劃于2016年12月首飛。GSLV-MK3采用兩級捆綁結構，全長43.4 m，起飛質量630 t，LeO運載能力10～12 t，GTO運載能力4 t。

6 國際合作

2015年，巴西正式決定單方面終止與烏克蘭政府于2003年簽訂的太空合作協議，該協議擬在巴西建造一個發射中心，用于烏克蘭旋風號4火箭的商業發射。巴西與烏克蘭政府已在該項目上投入約10億雷亞爾（約合3.2億美元），該項目終止將給兩國分別造成約5億雷亞爾損失。

2006年，巴西與烏克蘭就太空合作項目成立了阿爾坎塔拉旋風航天公司，將旋風號4運載火箭在巴西的首次發射時間定在2010年。此后，因烏克蘭火箭研制經費緊張，雙方在合資公司注資方面發生爭議，火箭發射時間被兩度推遲至2015年。受近期烏克蘭政局不穩、經濟陷入困境的因素影響，巴西最終放棄與烏克蘭的合作，并與俄羅斯商討在阿爾坎塔拉發射中心為安加拉火箭建造一個綜合發射設施。

7 2016年展望

2016年，全球預計進行118次發射[13]，其中商業發射36次，將161個有效載荷送入太空[14]。2016年，美國SLS項目將進行芯級的第2輪熱試車和4臺發動機聯合試驗，助推器也將實施第2次鑒定試驗，為2018年進行首飛做準備。用于國際空間站貨物運輸的安塔瑞斯火箭面臨復飛，SpaceX公司研制的法爾肯重型火箭計劃進行首飛，并將為政府和商業用戶提供發射服務。

俄羅斯可能研制聯盟號5系列火箭，以取代現役的聯盟號火箭。歐洲經改進后的阿里安5eS將發射伽利略衛星，以減少對俄羅斯聯盟ST火箭的依賴，阿里安6新型上面級芬奇發動機將完成熱試車。

[1] Justin R. ULa chief explains reusability and innovation of new rocket [eB/OL]. (2015-4-14) [2015-4-17]. http://spaceflightnow.com/2015/04/14/ ula-chief-explains-reusability-and-innovation-of-new-rocket.

[2] National aeronautics and Space administration. NaSa independent review TeamOrb-3 accident investigation report executive summary [eB/OL]. (2015-10-19) [2015-10-20]. http://www.nasa.gov/sites/default/ files/atoms/files/orb3_irt_execsumm_0.pdf.

[3] Heyman M. daRpa suspending aLaSa-no further tests in 2016[eB/OL]. (2015-12-7) [2015-12-7]. http://spaceflights.news/?p=16678, december7, 2015.

[4] Bergin c. Russian progress M-27M lost in space[eB/OL]. (2015-4-28) [2015-4-28]. http://www.nasaspaceflight.com/2015/04/progress-m-27msoyuz- 2-1a.

[5] Zak a. proton fails to deliver MexSat-1 satellite[eB/OL]. (2015-7-27) [2015-7-27]. http://www.russianspaceweb.com/mexsat1.html.

[6] ИTap-Tacc. cMИ: pocкocMoc oTкaзaлcя oT бoльшинcTBa пpoeкToB, кacaющиxcя пoлeToB нa Лyнy[eB/OL]. （2015-12-29）[2015-12-29]. http:/tass.ru/kosmos/2562862.

[7] ИTap-Tacc. ПyTин пoдпиcaл зaкoн o coздaнии гocкopпopaции ?pocкocMoc?[eB/OL].（2014-07-13）[2014-07-13]. http://tass.ru/kosmos/ 2115259.

[8] Moulineaux I. airbusSafran launchers awarded ariane 6 development contract by european Space agency[eB/OL]. (2015-8-12) [2015-8-12]. http://www.safran-group.com/media/20150812_airbus-safran-launchers-aw arded-ariane-6-development-contract-european-space-agency.

[9] eSa. eSa experimental spaceplane completes research flight[eB/OL]. (2015-2-11) [2015-2-11]. http://www.esa.int/Our_activities/Launchers/ IXV/ eSa_experimental_spaceplane_completes_research_flight.

[10] 康開華, 才滿瑞. 歐洲過渡性實驗飛行器項目[J]. 導彈與航天運載技術, 2012(4): 58-62.

[11] Seling p B. Japan's H-2a Launches Telstar 12 Vantage in commercial debut. (2015-11-24) [2015.11.25]. http://spacenews.com/japans-h-2alaunches-telstar-12-vantage-in-commercial-debut/.

[12] Ryoma Y. The status of epsilon launch vehicle’s further development[R]. Iac-15, d2, 1, 6, x28489, 2015.

[13] Krebs G d. Orbital launches of 2016[eB/OL]. (2015-12-4) [2015-12-4]. http://space.skyrocket.de/doc_chr/lau2016.htm.

[14] Faa. 2015 commercial space transportation forecasts[eB/OL]. (2015-4-28) [2015-4]. http://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_ offices/ast/media/commercial_Space_Transportation_Forecasts_2015.pdf.

Review of World Launch Vehicles development in 2015

Qu Jing, Long Xue-dan
(Beijing Institute of aerospace Long March Scientific and Technical Information, Beijing, 100076)

This paper mainly reviews the orbital launches of foreign countries in 2015, summarizes the development progress of the new launch vehicles, analyses the significant events, and finally forecasts the development in 2016.

Launch vehicles; Space launch; 2015