美國空軍推動新型火箭研制

陳允宗（北京航天科技信息研究所）

美國各型號運載火箭集錦

1 背景情況

美國空軍1994年為確保進(jìn)入空間，啟動“改進(jìn)型一次性運載火箭”（EELV）項目，目標(biāo)是為美國國家安全有效載荷發(fā)射任務(wù)打造價格適中、性能可靠的運載火箭。為確保可靠地進(jìn)入空間，美國空軍要求EELV項目具有雙重保障，即使個別火箭出現(xiàn)故障，國防衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)仍有其他火箭可供選擇。現(xiàn)今，EELV項目擁有聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）和美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）兩家發(fā)射服務(wù)供應(yīng)商，前者的德爾他－4（Delta－4）和宇宙神－5（Atlas－5）系列火箭，后者的獵鷹－9（Falcon－9）火箭均已通過EELV資格鑒定，具備美國國防重要有效載荷發(fā)射資質(zhì)。

然而，ULA公司的宇宙神－5系列采用俄羅斯進(jìn)口RD－180發(fā)動機(jī)作為芯級主發(fā)動機(jī)。出于政治考量，美國國會要求美國空軍擁有至少兩家本土發(fā)射服務(wù)供應(yīng)商來執(zhí)行國家安全有效載荷發(fā)射任務(wù)，且不能依靠非美國盟國的推進(jìn)系統(tǒng)，要求美國空軍在2022年前停止使用俄羅斯RD－180發(fā)動機(jī)。由于成本原因，德爾他－4系列火箭除德爾他－4H型繼續(xù)服役至21世紀(jì)20年代初期以外，其余4個構(gòu)型將在2019年7月后退役。

為此，美國空軍采取了循序漸進(jìn)的策略，先為火箭推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)研究提供撥款，再與商業(yè)公司簽訂推進(jìn)系統(tǒng)解決方案研究合作協(xié)議，然后招標(biāo)研制新型火箭樣機(jī)，具體如下：

首先，分別在2014財年和2015財年與約翰·霍普金斯大學(xué)(Johns Hopkins University)、坦納研究所（Tanner Research）和穆格公司（MOOG）簽訂火箭推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)研究合同，圍繞材料制造與研發(fā)以及先進(jìn)技術(shù)等重點領(lǐng)域開展研究。

隨后，在2016年1月和2月，先后同SpaceX公司、軌道-ATK公司、ULA公司和航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司（Aerojet Rocketdyne）簽訂火箭推進(jìn)系統(tǒng)研制合作協(xié)議，旨在為規(guī)劃中的或正在開展的EELV級火箭改造或研制工作提供火箭推進(jìn)系統(tǒng)解決方案。

然后，在2017年10月5日利用美國聯(lián)邦商機(jī)網(wǎng)發(fā)布“EELV發(fā)射服務(wù)協(xié)議”建議征詢公告，目標(biāo)是為火箭研制提供撥款，促進(jìn)美國商業(yè)航天發(fā)射能力發(fā)展，確保其經(jīng)過升級改造后滿足美國國家安全需求。

經(jīng)過1年時間的競標(biāo)采購流程，美國空軍終于在2018年10月10日宣布與藍(lán)色起源公司（Blue Origin）、 諾 格 公 司（Northrop Grumman） 和ULA公司等分別簽訂新型EELV火箭樣機(jī)研制合同。新型火箭樣機(jī)分別是ULA公司的“火神”（Vulcan）/“半人馬座”（Centaur）火箭、諾格公司的“歐米茄”（OmegA）火箭和藍(lán)色起源公司的“新格倫”（New Glenn）火箭。在藍(lán)色起源公司、諾格公司和ULA公司開展新型火箭樣機(jī)研制期間，美國空軍將繼續(xù)與ULA公司和SpaceX公司簽訂商業(yè)發(fā)射服務(wù)合同，利用德爾他－4、宇宙神－5和獵鷹－9等成熟火箭型號發(fā)射國家安全衛(wèi)星。

新型EELV火箭樣機(jī)

2 新型火箭

ULA公司的“火神”/“半人馬座”火箭

ULA公司獲得潛在價值9.67億美元的合同，用于開展“火神”/“半人馬座”火箭樣機(jī)研制，相關(guān)研制經(jīng)費將從2018－2024財年逐年劃撥。目前，2018財年的1.09億美元已經(jīng)劃撥。

“火神”/“半人馬座”火箭充分吸收德爾他－4和宇宙神－5火箭的成功經(jīng)驗，采用先進(jìn)的工程與制造技術(shù)，具備低續(xù)生成本。ULA公司希望憑借該火箭徹底改變航天飛行，為用戶提供經(jīng)濟(jì)可靠的航天運輸能力。目前，“火神”/“半人馬座”火箭已完成初步設(shè)計評審和關(guān)鍵設(shè)計評審，計劃2021年首飛，具備初始運載能力。

該火箭為兩級型結(jié)構(gòu)，采用“半人馬座”上面級，可根據(jù)任務(wù)選用4m或5m直徑整流罩，其中4m型能夠捆綁最多4個固體助推器，5m型最多可捆綁6個固體助推器。芯一級采用2臺藍(lán)色起源公司的BE－4發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)海平面推力250t。“半人馬座”上面級采用航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司的RL－10發(fā)動機(jī)。有效載荷整流罩和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)由瑞士華格公司（RUAG）提供。火箭最大起飛推力1723t，低地球軌道（LEO）運載能力25t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運載能力14.9t，地球同步衛(wèi)星軌道（GSO）運載能力7t。該火箭的研制將為美國46個州增加22000個直接或間接就業(yè)崗位。

“火神”/“半人馬座”火箭飛行示意圖

ULA公司未來還將研制“火神”/“先進(jìn)低溫漸進(jìn)級”（ACES）火箭。該火箭采用“先進(jìn)低溫漸進(jìn)級”代替“半人馬座”上面級，運載能力能夠達(dá)到德爾他－4H水平。據(jù)ULA公司首席執(zhí)行官布魯諾介紹，“火神”/“先進(jìn)低溫漸進(jìn)級”型火箭在軌時間可以從數(shù)小時延長到數(shù)周。ULA公司還計劃采用空中直升機(jī)來回收BE－4發(fā)動機(jī)，實現(xiàn)部分可重復(fù)使用能力。

近2年，ULA公司將改造卡納維拉爾角SLC－41發(fā)射工位，計劃在此執(zhí)行宇宙神－5和“火神”火箭發(fā)射任務(wù)。此外，ULA公司正在著手準(zhǔn)備“火神”火箭的研制和試驗，對相關(guān)生產(chǎn)制造設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

藍(lán)色起源公司的“新格倫”火箭

藍(lán)色起源公司獲得潛在價值5億美元的合同，用于開展“新格倫”火箭樣機(jī)研制，相關(guān)研制經(jīng)費將從2018－2024財年逐年劃撥。目前，2018財年的1.09億美元已劃撥，合同預(yù)計在2024年7月31日完成。

2012年起，藍(lán)色起源公司開始研制“新格倫”火箭，但直到2016年才對外公布該項目。“新格倫”火箭采用兩級結(jié)構(gòu)，一子級采用7臺BE－4發(fā)動機(jī)，二子級采用2臺BE－3U發(fā)動機(jī)，整流罩直徑7m，LEO運載能力45t，GTO運載能力13t，預(yù)計2021年首飛。其一子級利用海上平臺回收，設(shè)計可重復(fù)使用25次。

目前，“新格倫”火箭已經(jīng)贏得日本天空完美日星公司（Sky Perfect JSAT）、泰國穆航天公司（Mu Space）、歐洲衛(wèi)星通信公司（EUTELSAT）以及美國衛(wèi)星初創(chuàng)公司一網(wǎng)公司（ONEWEB）等4家客戶的訂單。其中，一網(wǎng)公司一家就預(yù)定了5次發(fā)射。媒體估算，“新格倫”火箭現(xiàn)已拿到8次商業(yè)發(fā)射任務(wù)。近日，藍(lán)色起源公司又同佛羅里達(dá)航天（Space Florida）簽訂協(xié)議，將建設(shè)一座價值6000萬美元的火箭試驗與維修廠房。

諾格公司的“歐米茄”火箭

諾格公司獲得潛在價值7.9億美元的合同，用于開展“歐米茄”火箭樣機(jī)研制，相關(guān)研制經(jīng)費將從2018－2024財年逐年劃撥。目前，2018財年的1.09億美元已劃撥，合同預(yù)計2024年12月31日完成。

“歐米茄”火箭采用三級結(jié)構(gòu)，包括歐米茄－500和歐米茄－500XL兩個系列，除上面級采用低溫氫火箭氧火箭發(fā)動機(jī)外，一、二子級和助推器均采用固體火箭發(fā)動機(jī)。

歐米茄－500系列火箭GTO運載能力為4.9～10.1t。其一子級采用兩段式的卡斯托－600（Castor－600）固體發(fā)動機(jī)，二子級采用一段式的卡斯托－300固體發(fā)動機(jī)，直徑均為3.7m，最多可以捆綁6枚GEM－63XL固體助推器，上面級采用2臺RL－10C氫氧發(fā)動機(jī)，整流罩直徑5m、長度15m。

歐米茄－500XL系列火箭GEO運載能力在5.25～7.8t，火箭構(gòu)型與歐米茄－500系列基本相同，只是一子級采用了更大的四段式卡斯托－1200固體發(fā)動機(jī)，另外還可以采用20m長的整流罩。

諾格公司計劃在2019年完成“歐米茄”火箭的推進(jìn)系統(tǒng)地面試車，2021年實現(xiàn)首飛。在過去3年中，諾格公司和美國空軍共為“歐米茄”火箭研制投入了3億多美元。

3 未來計劃

裝備了BE－4發(fā)動機(jī)“新格倫”火箭

“歐米茄”火箭

2019年3月1日，美國空軍EELV項目按美國國會要求正式更名為“國家安全航天發(fā)射”（NSSL）項目。5月4日，美國空軍航天與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心發(fā)布NSSL第二階段發(fā)射服務(wù)采購合同建議征詢公告，為2020－2024財年授出的發(fā)射合同進(jìn)行公開招標(biāo)，計劃在2020年,選出兩家發(fā)射服務(wù)供應(yīng)商，并按照60：40比例分配任務(wù)。藍(lán)色起源公司、諾格公司和ULA公司必須參加該階段競標(biāo)，否則須返還之前獲得的研制撥款。此前未獲得美國空軍EELV火箭樣機(jī)研制合同的SpaceX公司也可參與發(fā)射任務(wù)競標(biāo)。

藍(lán)色起源公司、諾格公司或ULA公司如被淘汰出局，將不再獲得后續(xù)新型火箭樣機(jī)研制合同撥款。未來，美國空軍將采購工作后期重新評估美國工業(yè)基礎(chǔ)，決定是否繼續(xù)開展下一階段的招標(biāo)工作。

4 小結(jié)

循序漸進(jìn)，確保去俄制發(fā)動機(jī)過程的平穩(wěn)過渡

鑒于國防安全有效載荷的重要性，美國空軍在去俄制RD－180發(fā)動機(jī)的過程中采取了循序漸進(jìn)的審慎策略，早在2014財年和2015財年即與約翰·霍普金斯大學(xué)、坦納研究所和穆格公司簽訂火箭推進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)研究合同，圍繞材料制造與研發(fā)以及先進(jìn)技術(shù)等重點領(lǐng)域開展研究；隨后在2016年同SpaceX公司、軌道-ATK公司、ULA公司和航空噴氣發(fā)動機(jī)-洛克達(dá)因公司簽訂火箭推進(jìn)系統(tǒng)研制合作協(xié)議；之后在2017年10月發(fā)布關(guān)于“EELV新型火箭樣機(jī)研制協(xié)議”的建議征詢書；歷時1年方才選定藍(lán)色起源公司、諾格公司和ULA公司等三家新型EELV火箭樣機(jī)研制承包商。

德爾他－4上的RL－10發(fā)動機(jī)

順勢而為，增加可重復(fù)使用火箭在EELV火箭采購中的潛在占比

2018年7月，美國眾議院發(fā)布《2019財年國防授權(quán)法案會議紀(jì)要》，要求美國國防部在2019年3月1日后將EELV計劃更名為“國家安全航天發(fā)射計劃”，以支持可重復(fù)使用火箭的國防采購。與此相呼應(yīng)，美國空軍的3份EELV新型火箭樣機(jī)研制合同中，有2份涉及到可重使用火箭，即ULA公司的“火神”/“半人馬座”火箭和藍(lán)色起源公司的“新格倫”火箭。這種布局不僅將增加可重復(fù)使用火箭在國防采購中的潛在占比，同時在一定程度上反映出美國軍方對可重復(fù)使用火箭應(yīng)用前景的看好。

降低風(fēng)險，簽訂固體火箭樣機(jī)研制合同

美國空軍與諾格公司簽訂了“歐米茄”火箭樣機(jī)研制合同。“歐米茄”火箭除上面級采用低溫氫/氧發(fā)動機(jī)外，一、二子級和助推器均采用固體火箭發(fā)動機(jī)。ULA公司的“火神”/“半人馬座”火箭和藍(lán)色起源公司的“新格倫”火箭在芯一級上均采用液氧/甲烷推進(jìn)系統(tǒng)，其主發(fā)動機(jī)均為BE－4。BE－4發(fā)動機(jī)還處于研制階段。液氧/甲烷推進(jìn)技術(shù)還未在其他大型運載火箭芯一級上獲得實際應(yīng)用，存在研制不確定性。美國空軍通過選擇固體火箭“歐米茄”作為備份方案，將有效降低EELV火箭樣機(jī)研制項目的整體技術(shù)風(fēng)險，確保項目進(jìn)度。