2018年國外航天運載系統(tǒng)發(fā)展綜述

張綠云 曲晶 龍雪丹 楊開 陳允宗（北京航天長征科技信息研究所）

2018年全球共進行了114次航天發(fā)射，自20世紀90年代以來首次突破100次。其中，失敗2次，部分成功1次，成功率為97.4%。在114次航天發(fā)射中，中國39次，美國34次，俄羅斯20次，其次是歐洲（8次）、印度（7次）和日本（6次），中國首次躍居世界第一。

1 推進重型火箭研制，為實現(xiàn)深空探索目標奠定基礎(chǔ)

2018年9月，基于《2018 NASA戰(zhàn)略規(guī)劃》，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了《國家太空探索活動報告》，提出了美國國家太空探索活動的戰(zhàn)略目標，確定了美國國家太空探索活動從2018年到2024年之后在近地軌道、繞月軌道、月球表面及火星4個領(lǐng)域的載人探索路線圖，將通過“商業(yè)航天活動和國際合作”實現(xiàn)2030年前載人重返月球的目標，最終為載人登陸火星及其他目的地奠定基礎(chǔ)。

美國深空探索路線圖

除了美國，俄羅斯和日本也明確了未來深空探索的發(fā)展目標和途徑。俄羅斯表示將繼續(xù)推進月球探測項目，重點研發(fā)聯(lián)邦號（PTK NP）載人飛船與重型運載火箭。日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（JAXA）在2018年3月底發(fā)布了第四版《中長期發(fā)展規(guī)劃》，在載人空間探索方面，將積極參與美國“月球基地”建設(shè)等國際空間探索計劃，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，并開發(fā)空間補給、載人空間駐留、載人月面著陸和高精度導(dǎo)航技術(shù)。

重型運載火箭是實現(xiàn)載人登月、月球基地開發(fā)及火星探測的前提和基礎(chǔ)，因此，盡管受到研制難度大和經(jīng)費等問題的影響，美俄仍在不遺余力地推進重型運載火箭研制項目。

2018年，美國NASA主要開展了“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）首飛箭芯級、級間段等結(jié)構(gòu)的組裝與試驗、助推器結(jié)構(gòu)制造、芯級發(fā)動機試車，以及肯尼迪航天中心39B發(fā)射臺、發(fā)射控制中心和活動發(fā)射平臺等發(fā)射設(shè)施的升級改進。其中，首飛火箭芯級即將進入集成與發(fā)動機聯(lián)試階段；RS－25芯級發(fā)動機即將完成第5輪熱試車，點火時長達到650s，最大推力水平達到113%。目前，美國計劃在2020年年中實現(xiàn)SLS火箭的首飛。此外，NASA同時還在為SLS火箭的第2次任務(wù)制造芯級和固體助推器的結(jié)構(gòu)件，并進行發(fā)動機試車，以支持未來的載人和星際探索任務(wù)。

美國SLS火箭氫箱結(jié)構(gòu)件

SLS火箭RS－25芯級發(fā)動機試車

除了美國政府，美國私營公司—太空探索技術(shù)公司（SpaceX）也在深空探索領(lǐng)域取得了很大進展。2018年2月7日，SpaceX公司在肯尼迪航天中心39A發(fā)射工位發(fā)射了首枚“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭，使其成為了目前世界上運載能力最大的火箭，任務(wù)中成功陸地回收了2枚助推器，但芯級海上回收失敗。“獵鷹重型”采用兩級結(jié)構(gòu)，捆綁2枚與芯級一樣的助推器，全長70m，最大直徑12.2m，低地球軌道（LEO）運載能力為63.8t，其成功投入使用將以其較低的發(fā)射價格為NASA深空探索發(fā)展目標提供經(jīng)濟可承受的能力支撐。此外，SpaceX公司再次對“星際運輸系統(tǒng)”（ITS）進行了方案修改，將其更名為“超重-星艦”（Super-heavy Starship）方案，運載能力降低至100t，使其逐步向可實現(xiàn)的方向發(fā)展，并在2018年公布了計劃2023年為期6天的載人繞月飛行任務(wù)的乘客身份。“超重-星艦”火箭級高度為63m，直徑為9m，采用31臺“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷發(fā)動機，計劃采用新研制的可耐受高達83MPa壓力高溫富氧燃氣的超級合金；飛船高度增加至55m，計劃采用不銹鋼進行制造，使用7臺“猛禽”發(fā)動機。

“獵鷹重型”火箭首飛

SpaceX公司的BFR系統(tǒng)飛行示意圖

2018年初，俄羅斯總統(tǒng)普京簽署重型火箭研制法令，并指定科羅廖夫能源火箭航天集團（RKK Energia）為主研制單位。2018年年底，俄羅斯正式確定采用俄羅斯進步國家航天火箭科研生產(chǎn)中心（TsSKB-Progress）提出的重型火箭設(shè)計方案，采用兩級構(gòu)型，芯級和助推器直徑均為4.1m，芯級配備單臺RD－180發(fā)動機，周圍捆綁6枚裝配單臺RD－171MV發(fā)動機的助推器，二子級采用2臺RD－0146發(fā)動機。目前，該設(shè)計方案仍處于初步設(shè)計階段，計劃在2028年實現(xiàn)火箭首飛。

2 積極推進新一代大中型火箭研制，以低成本發(fā)射為主要目標

美國的“火神”火箭演示圖

美國的“新格倫”火箭演示圖

2018年，美、俄、歐、日等國家/地區(qū)繼續(xù)推進新一代大中型運載火箭研制。其中，美國“火神”（Vulcan）、“新格倫”（New Glenn）和“歐米茄”（OmegA）新型火箭獲得美國空軍“改進型一次性運載火箭”（EELV）樣機研制合同，計劃2021年投入使用；俄羅斯聯(lián)盟－5（Soyuz－5）火箭進入研制階段；歐洲阿里安－6（Ariane－6）火箭開始首飛火箭的制造；日本H－3火箭完成關(guān)鍵設(shè)計評審。新一代大中型火箭通過模塊化設(shè)計，簡化流程，采用先進技術(shù)等途徑實現(xiàn)低成本發(fā)射的目標。

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的“火神”/“半人馬座”（Centaur）火箭已完成初步設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)計評審，即將進入火箭研制與試驗、生產(chǎn)制造設(shè)備與發(fā)射工位改進階段。“火神”火箭為兩級結(jié)構(gòu)，一子級采用BE－4液氧/甲烷發(fā)動機，二子級采用RL10－C氫氧發(fā)動機，還為其設(shè)計了直徑為4m和5m的整流罩，最終有望發(fā)展成捆綁助推器為0個、2個、4個和6個的4種構(gòu)型，實現(xiàn)LEO軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）最大運載能力分別為25t和14.9t的目標。未來，商業(yè)發(fā)射將占該公司業(yè)務(wù)的20%～30%，因此該公司在2019年1月從洛馬公司（LM）商業(yè)發(fā)射服務(wù)子公司（LMCLS）接手了商業(yè)營銷業(yè)務(wù)，未來將負責“火神”火箭的商業(yè)運營。

2018年，美國藍色起源公司（Blue Origin）重點進行了一子級BE－4液氧/甲烷發(fā)動機的試車，預(yù)計其可在2019年進行驗收試驗。此外，該公司積極推動“新格倫”火箭的商業(yè)營銷，截至目前已獲得歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）等4家公司總計8次商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射合同。

2018年，軌道-ATK公司[現(xiàn)已被諾格公司（Northrop Grumman）收購]順利推進其“下一代運載器”（NGL）固體發(fā)動機的研制工作，并將火箭正式命名為“歐米茄”，選定上面級發(fā)動機，火箭研制項目進入全面研制、生產(chǎn)設(shè)備及發(fā)射場建設(shè)階段。火箭最大直徑3.7m，GTO軌道運載能力可達10t。

7月17日，俄羅斯航天國家集團（Roskosmos）與科羅廖夫能源火箭航天集團正式簽署了聯(lián)盟－5火箭的研制合同，主承包商為進步國家航天火箭科研生產(chǎn)中心，火箭已進入研制階段。目前，俄羅斯正采用3D模擬技術(shù)編制發(fā)動機設(shè)計文件，預(yù)計2019年中完成；主承包商正在進行生產(chǎn)準備和拜科努爾航天發(fā)射場聯(lián)盟－5火箭發(fā)射設(shè)施建設(shè)，計劃2024年首飛，之后40年間將以每年6枚的發(fā)射量進行衛(wèi)星和載人發(fā)射。聯(lián)盟－5火箭的LEO軌道運載能力為18t（載人型為15.5t），GTO軌道運載能力為5t，發(fā)射價格約6000萬美元，未來將具備較強的商業(yè)衛(wèi)星市場競爭能力。

2018年，歐洲阿里安空間公司（Arianespace）持續(xù)推進阿里安－6火箭的研制，計劃2020年首飛。在系統(tǒng)層面，阿里安－6火箭于7月通過成熟度節(jié)點7評審，完成了詳細設(shè)計和工業(yè)化設(shè)計評估，火箭研制進入首飛箭制造和組裝階段。截至目前，阿里安－6火箭共獲得3次政府發(fā)射和1次商業(yè)發(fā)射合同。

日本穩(wěn)步推進H－3火箭的研制，計劃2020年首飛，2022年具備商業(yè)發(fā)射能力。2018年7月，完成系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計評審，并在推進系統(tǒng)取得關(guān)鍵進展。其中，LE－9一子級發(fā)動機的前2輪熱試車順利完成，實現(xiàn)了單次時長275s的實際飛行目標；完成了二子級發(fā)動機LE－5B－3的第2次鑒定試驗。H－3火箭長63m，芯級直徑5.2m，通過一子級采用2臺或3臺發(fā)動機、捆綁2個或4個助推器，以及采用多種直徑的整流罩以滿足客戶不同發(fā)射需求，GTO軌道運載能力可達7t。

3 成熟火箭遭遇發(fā)射故障，質(zhì)量保證仍是重中之重

2018年，歐洲阿里安－5ECA火箭因上面級軟件故障而未能將2顆通信衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，打破了其連續(xù)82次成功的佳績；俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭因傳感器部件在組裝過程中受損，首次未能將航天員送入“國際空間站”。

1月26日，阿里安－5ECA火箭從庫魯航天發(fā)射中心執(zhí)行2顆通信衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，火箭起飛9min26s之后出現(xiàn)異常，箭體偏離預(yù)定軌道，最終未能將衛(wèi)星送入預(yù)定的超地球同步轉(zhuǎn)移軌道。據(jù)調(diào)查，操作人員未將火箭的發(fā)射方位角設(shè)置為本次軌道所需的70°，而是基于以往地球同步軌道（GSO）任務(wù)的90°進行設(shè)置，因此火箭彈道從一開始就向南偏移了20°。

10月11日，俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭從拜科努爾航天發(fā)射場發(fā)射聯(lián)盟 MS－10載人飛船，火箭起飛約117s發(fā)生故障，隨后航天員緊急啟動應(yīng)急逃逸系統(tǒng)，安全著陸，但發(fā)射任務(wù)失敗。據(jù)調(diào)查，用于助推器和一子級分離的一臺傳感器部件在發(fā)射場組裝過程中受損，致使一個助推器噴嘴蓋未能打開，助推器與一子級分離失敗，其頭部與一子級燃料箱相撞，火箭姿態(tài)失控。

聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射故障

事后，歐洲強化火箭發(fā)射準備文件的制定和檢查流程，并引入額外的一致性檢查措施，確保后續(xù)任務(wù)的成功；俄羅斯采取了一系列措施，在不到40天的時間內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)盟－FG火箭的復(fù)飛。作為兩國的成熟火箭，阿里安－5ECA和聯(lián)盟－FG火箭的發(fā)射故障表明，航天發(fā)射一直都屬于高風險的活動，產(chǎn)品設(shè)計缺陷、操作失誤、人為因素等都會導(dǎo)致發(fā)射故障，從火箭設(shè)計、生產(chǎn)制造、試驗到發(fā)射的各個環(huán)節(jié)的全面的質(zhì)量管控，一直都是航天領(lǐng)域的重中之重。

4 小運載市場發(fā)展活躍，為小衛(wèi)星提供專享發(fā)射機會

根據(jù)歐洲咨詢公司（Euroconsult）2018年8月6日發(fā)布的《小衛(wèi)星市場展望》報告，未來10年預(yù)計將有約7000顆小衛(wèi)星需要發(fā)射入軌，幾乎是以往10年發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量（1200顆）的6倍，其中衛(wèi)星星座占比超過80%。為滿足年均600～800顆小衛(wèi)星的發(fā)射需求，并提高對市場需求的反應(yīng)速度（即準時將衛(wèi)星送入所期望的軌道），近年來，全球已有多家初創(chuàng)公司開展專用小型運載火箭的研制工作。

研制進展最快的型號為美國火箭實驗室公司（RocketLab）的“電子”火箭和日本的SS－520火箭。其中，“電子”（Electron）火箭為兩級構(gòu)型，采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和液氧/煤油發(fā)動機，長17m，直徑1.2m，單次發(fā)射價格為490萬美元，太陽同步軌道（SSO）和LEO軌道運載能力分別為150kg和225kg。“電子”火箭已成功進行了第2次飛行試驗，并于2018年11月成功進行了首次商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，標志著火箭實驗室公司常態(tài)化商業(yè)發(fā)射服務(wù)的開始，也拉開了全球小衛(wèi)星專屬發(fā)射服務(wù)的序幕。2018年2月3日，日本JAXA從內(nèi)之浦宇宙空間觀測所（USC）發(fā)射了第5枚SS－520火箭，成功將搭載的超小型衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。目前，SS－520火箭以其4kg的LEO軌道運載能力成為了世界上運載能力最小的火箭，火箭長9.54m、直徑約0.5m，起飛質(zhì)量僅為2.6t。

除了已經(jīng)成功發(fā)射的“電子”和SS－520火箭，全球涌現(xiàn)了數(shù)十家初創(chuàng)公司，力求在小衛(wèi)星發(fā)射市場占有一席之地。其中，維珍軌道公司（Virgin Orbit）的發(fā)射器－1（LauncherOne）空射系統(tǒng)已經(jīng)獲得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）發(fā)射許可，并在波音747載機和運載器－1火箭集成的基礎(chǔ)上成功進行了火箭掛飛試驗，即將進行系統(tǒng)首飛。美國向量航天系統(tǒng)公司（Vector Launch In）即將進行向量－R（Vector－R）火箭的第3次亞軌道發(fā)射，為2019年的首次軌道發(fā)射做準備。螢火蟲航天系統(tǒng)公司（FSS）負責人也表示，該公司自研的“阿爾法”（Alpha）火箭的研制也取得了很大進展，目前處于試驗階段，計劃在2019年底實現(xiàn)首飛。此外，全球多個小型運載火箭型號的研制工作也在積極推進，但基本都處于融資、方案設(shè)計、技術(shù)研發(fā)及試驗等階段。

目前，隨著小衛(wèi)星研制和發(fā)射市場的發(fā)展，全球多家公司都在積極開展小型運載火箭的研制，處于設(shè)計或試驗階段的火箭型號達到幾十個。

AR－22發(fā)動機點火試車

5 垂直起降復(fù)用技術(shù)得到廣泛關(guān)注，帶翼水平返回復(fù)用飛行器項目穩(wěn)步推進

在美國SpaceX公司和藍色起源公司的垂直起降重復(fù)使用技術(shù)取得重要突破，并逐漸轉(zhuǎn)入實際應(yīng)用階段之后，歐洲和日本也跟隨其腳步提出了相關(guān)的垂直起降技術(shù)驗證計劃，一方面是探索可行的重復(fù)使用技術(shù)方案；另一方面則是通過驗證計劃來確定該方案能否真正實現(xiàn)降低成本的目標。法國國家空間研究中心（CNES）、德國航空航天中心（DLR）聯(lián)合開展了一項名為“卡利斯托”（Callisto）的垂直起降重復(fù)使用火箭驗證項目，實現(xiàn)火箭的發(fā)射、回收和復(fù)飛。該項目已經(jīng)進行了2年，目前仍處于初步設(shè)計階段。“卡利斯托”驗證機直徑1m，高13.5m，采用4噸級氫氧發(fā)動機，計劃從2020年開始進行驗證飛行，試驗場選在圭亞那航天中心。

日本提出的驗證機方案高7m，質(zhì)量2t，采用推力4t的液氫/液氧發(fā)動機，計劃在2019年3月開展100m的飛行試驗，2019年下半年進行5km的飛行試驗。因此，近期垂直起降重復(fù)使用火箭技術(shù)會得到持續(xù)的廣泛關(guān)注，但是對于發(fā)射成本的影響，還需要SpaceX公司等應(yīng)用方通過實際數(shù)據(jù)來證明。

此外，美國國防高級研究計劃局（DARPA）完成“試驗性太空飛機”（ESP）動力系統(tǒng)關(guān)鍵試驗。ESP是一種帶翼飛回式的可重復(fù)使用運載器，由波音公司（Boeing）作為主承包商，采用航空噴氣發(fā)動機-洛克達因公司（Aerojet Rockerdyne）的AR－22氫氧發(fā)動機。AR－22是在航天飛機主發(fā)動機的基礎(chǔ)上改進而來，其重復(fù)使用能力已經(jīng)得到了充分驗證。2018年7月，航空噴氣發(fā)動機-洛克達因公司利用NASA斯坦尼斯航天中心（SSC）的試車臺完成了預(yù)定的試驗計劃，在連續(xù)10天時間內(nèi)，AR－22發(fā)動機可以每24h進行一次時長100s的工作。該項關(guān)鍵試驗證明，AR－22發(fā)動機能夠支撐未來的快速發(fā)射操作。同時，也為后續(xù)的飛行試驗奠定了基礎(chǔ)，保證了項目進度。

6 小結(jié)

2018年，世界航天活動蓬勃發(fā)展，各國推出了新的航天政策，明確了未來航天的發(fā)展方向。各國積極推進重型運載火箭、新一代大中型運載火箭以及專用小型運載火箭的研制。2018年，美國SLS重型火箭研制項目主要完成了首飛箭的結(jié)構(gòu)制造、組裝與試驗、芯級發(fā)動機試車，以及發(fā)射設(shè)施改進等工作，為芯級4臺發(fā)動機的聯(lián)合試車做準備；俄羅斯將明確重型運載火箭的設(shè)計方案；SpaceX公司再次對其“星際運輸系統(tǒng)”進行了方案修改，并提出了載人繞月飛行方案，2019年將著力進行飛船驗證試驗。

大中型運載火箭發(fā)射市場競爭仍然趨于激烈，美、歐、俄、日等國家/地區(qū)積極推進下一代大中型火箭的研制，在確保可靠性的同時，著力降低發(fā)射成本，提高市場競爭力。近年來，為滿足日益增長的微小衛(wèi)星發(fā)射需求，各國多家私營公司開展專用小型運載火箭的研制，目前已有“電子”和SS－520兩型火箭首飛成功。各國繼續(xù)研究和驗證可重復(fù)使用技術(shù)，歐洲和日本緊隨SpaceX公司和藍色起源公司的腳步，也提出了垂直起降技術(shù)驗證計劃。美國政府繼續(xù)穩(wěn)步推進帶翼水平返回復(fù)用飛行器研制項目。