2015年国外航天运载器发展回顾

2016-05-18龙雪丹

导弹与航天运载技术 2016年1期

关键词：研制火箭轨道

曲晶，龙雪丹

（北京航天长征科技信息研究所，北京，100076）

2015年国外航天运载器发展回顾

曲晶，龙雪丹

（北京航天长征科技信息研究所，北京，100076）

对2015年国外航天运载器的发射情况与研制进展进行总结和概括，并对该领域的重大热点事件进行综述和分析，最后对各国2016年的发展进行展望。

运载器；航天发射；2015年

0 引言

2015年，全球共执行86次航天发射（见附表1），与2014年92次相比略有下降。

86次发射中，完全成功81次，失败5次，成功率达94.19%。俄罗斯、美国、中国以26次、20次、19次分列前3位，其他分别为欧洲11次、印度5次、日本4次、伊朗1次。

1 美国

2015年，美国共进行20次发射，参与发射的火箭包括宇宙神5、德尔它4、法尔肯9、德尔它7320和超级斯届比6个型号。除私营公司的法尔肯9火箭和超级斯届比失败外，其余均获成功。

1.1 NaSa公布新版技术路线图和火星探测报告

2015年5月11日，NaSa发布2015版《NaSa技术路线图（草案）》，进一步明确未来能力和技术需求。该路线图在2012年版的基础上进一步完善，更为详细地介绍了未来20年（2015～2035年）NaSa所需的任务能力和技术发展的需求。《NaSa技术路线图（草案）》涵盖包括发射推进、空间推进技术等在内的15个技术领域，并首次公布了NaSa关注的1 273项候选技术。NaSa明确指出路线图的制定是以任务为牵引、能力为基础，并依靠候选技术实现未来20年的探索任务，提高NaSa的核心探索能力，以实现载人登陆火星的终极目标。

2015年8月，NaSa公布《火星之旅：开拓太空探索》报告，进一步明确将登陆火星计划分为3个阶段，即近地轨道—地月空间—火星附近，并列出每个阶段所要完成的工作重点及所需要的技术储备，总结了火星探索面临的挑战。“近地轨道”阶段主要在国际空间站上开展科学研究，为深空探索任务做准备；“地月空间”阶段的主要目标是发展深空运输基础设施，并在地月空间开展一系列验证试验，验证人类火星探索任务所需要的能力；“火星附近”阶段将载人飞船送入火星轨道，最终实现宇航员登陆火星表面，开展科学技术研究。

1.2 重型运载火箭通过关键设计评审

2015年，SLS重型运载火箭顺利通过关键设计评审，标志着该项目从详细设计和制造阶段转入系统组装、集成、试验和投产阶段。

SLS项目按照NaSa的系统工程进行管理，其重要里程碑事件包括关键决策点、系统需求评审、系统定义评审、初步设计评审、关键设计评审等。

目前，SLS项目已经完成了火箭芯级发动机的首轮热试车和助推器的首次鉴定试验，SLS 1型首飞使用的主要硬件已进入生产阶段，飞船和有效载荷的关键设计评审也接近尾声，计划在2018年11月进行首飞，即eM-1任务，2021年执行eM-2任务（首次载人发射）。

1.3 美国发射联盟公布下一代运载火箭方案

受到来自商业竞争和政治局势变化的双重压力，作为政府发射主力的联合发射联盟（ULa）公司于2015年4月正式宣布分阶段研制火神（Vulcan）火箭[1]。该火箭计划采取渐近式发展模式：首先研制初始构型，全新一子级将采用美国国产发动机，计划于2019年实现首飞；随后在本世纪20年代初应用新型上面级；而后将进一步开展火箭可重复使用技术以及“多次发射-在轨组装”模式的探索。

火神火箭的初始构型为两级结构，芯级直径5 m，二子级采用半人马座上面级，可选用5 m或4 m直径的有效载荷整流罩（与宇宙神5状态基本相同），GTO运载能力约11 t。ULa公司估计在年发射10～20次的条件下，单发火神初始构型火箭的起步价为1亿美元。该火箭投入使用后将取代现役德尔它4（德尔它4H除外）和宇宙神5系列火箭。

1.4 法尔肯9火箭成功复飞

继2014年轨道aTK公司的安塔瑞斯火箭爆炸事故后，NaSa另一合作伙伴美国空间探索技术公司（SpaceX）的法尔肯9火箭也在执行国际空间站任务时发生爆炸，连续失利给美国商业航天蒙上了阴影。

2015年6月28日，SpaceX的法尔肯9-1.1火箭执行第7次国际空间站货运补给任务（cRS-7），火箭升空2 min 19 s后，由于二子级氦气瓶支架失效导致法尔肯9/天龙座系统发生爆炸。受此次任务失败的影响，SpaceX公司在本年度的发射任务被迫推迟。

时隔不到半年，SpaceX于12月22日使用经改进后的法尔肯9火箭成功复飞，将11颗Orbcomm卫星送到高度为615 km×750 km、倾角为52°的轨道，并成功实现一子级有动力垂直回收着陆。另外，轨道aTK公司也于12月6日利用宇宙神5火箭成功发射了天鹅座飞船。

尽管商业航天遭遇挫折，但政府仍在继续支持商业航天的发展：法尔肯9火箭此前已获得NaSa和空军载荷的发射资格认证；NaSa延长了第1阶段货运补给合同并积极筹备第2阶段合同的竞标，还向波音公司和SpaceX公司分别售出了2次和1次商业载人发射合同。1.5 NaSa公布安塔瑞斯火箭故障调查报告

2015年10月29日，NaSa发布一份由独立调查小组针对安塔瑞斯火箭2014年10月Orb-3任务事故的调查报告[2]。报告指出火箭一子级发动机中的1台液氧涡轮泵在点火15 s后发生爆炸，火箭失去推力，并坠毁在发射台附近。这一结论与轨道aTK公司的调查结论基本一致，但事故的原因却有些不同。NaSa报告中给出了3个可能导致故障的技术原因（涡轮泵轴承鲁棒性设计不充分、涡轮泵多余物、生产或其他工艺缺陷），并提出了相应的改进建议；而轨道aTK公司则将故障归结于aJ-26发动机的生产加工缺陷，并未提及设计鲁棒性问题，还认为多余物不可能导致故障的发生。

1.6 快速响应小火箭超级斯届比首飞失败

2015年11月4日，快速响应小型运载火箭超级斯届比从夏威夷考艾岛的太平洋导弹靶场携带夏威夷大学的HiakaSat卫星及12颗立方体卫星组成的有效载荷模块进行首次飞行，起飞约1 min火箭发生爆炸。

超级斯届比为地基导轨发射的小型三级固体火箭，长18 m，直径1.32 m，起飞质量24 t，LeO运载能力300 kg。它是美国国防部为实现卫星快速部署而开展的多个快速响应发射技术研制项目之一，由快速响应空间办公室主持研制。此次发射失败不仅带来经济上的损失，也将导致美国国防部在快速响应发射技术研制方面更为被动。

1.7 daRpa取消aLaSa飞行试验计划

美国国防预先研究计划局（defense advanced Research projects agency，daRpa）宣布取消利用改进型F-15喷气式战斗机发射小卫星的“空射辅助进入空间”（airborne Launch assist Space access，aLaSa）2016年的飞行试验计划。取消原因是2015年进行的2次新型火箭燃料试验均以爆炸而告终[3]。

2011年11月，daRpa发布aLaSa计划，目标是基于乙炔开展机载卫星发射技术方面的研究工作。2014年3月，波音公司获得一份价值约为104万美元的合同，负责aLaSa计划的研制和演示验证。该计划的目的是演示运载能力，使其能在接到通知后以低于100万美元的成本将45 kg的有效载荷送入近地轨道。aLaSa项目的难点是使用了乙炔推进剂，采用“预混合”的方式，以减少火箭需要的组件，使火箭可以携带更多的有效载荷，降低制造和运行成本。但该推进剂存放在载机上过于危险。dapaR目前考虑将其用于地面发射系统。未来，波音公司、轨道aTK公司将与dapRa合作研究Na-7推进剂，并进行第3轮试验。

1.8 商业公司争相验证一子级可重复使用技术

2015年11月，蓝源公司的亚轨道重复使用飞行器新谢帕德在第2次试验中到达100.5 km高度后，乘员舱同助推级分离后依靠降落伞安全收回，助推级实现了有动力垂直着陆。新谢帕德是1枚完全重复使用的垂直起降的亚轨道飞行器，由乘员舱和助推级2部分组成。乘员舱设计可搭载6名乘员，助推级由Be-3氢氧发动机提供动力，起飞推力489 kN。此次试验为蓝源公司亚轨道太空旅游计划的顺利实施铺平了道路。

12月22日，法尔肯9火箭从卡纳维拉尔角的第40号发射工位发射，一子级在约80 km的高度与二子级分离，分离速度马赫数为10，之后滑行至140 km的最高点，后通过3次点火，利用栅格翼和着陆支架成功返回第1着陆区域。一子级长43 m，直径3.66 m，推进剂质量409.5 t，推力为756 kN。此次发射对SpaceX公司的意义重大，继1月和4月两次海上平台回收失败后，SpaceX最终在陆地上实现火箭一子级回收，是人类历史上首次在火箭发射中成功完成一子级有动力垂直回收，对进一步降低火箭发射价格产生深刻影响。

2 俄罗斯

俄罗斯共进行26次发射，其中3次失败。主力火箭联盟号和质子号承担了俄罗斯90%以上的发射，但3次失败使俄罗斯再度陷入困境。此外，第聂伯和隆声号小型火箭分别进行了1次和2次发射。

2.1 成熟火箭再次出现失利

2015年4月28日，联盟号2-1a火箭搭载进步号M-27M货运飞船发射升空，飞行至526.716 s时，火箭末级与飞船分离异常，飞船被送入近地点193 km、远地点278 km的轨道，远地点高出预定轨道40 km[4]。经调查，火箭末级与飞船的异常分离是本次事故的直接原因，火箭与飞船的连接结构存在频率响应异常。事故调查委员会认为，该连接结构在火箭系统的设计、试验工作中未得到充分重视。

5月16日，质子号M运载火箭搭载墨西哥通信卫星1号发射升空，在飞行至第497 s、上升至161 km时，火箭三子级发动机出现故障，导致微风M上面级与有效载荷未能实现分离，发射失败。经调查，三子级发动机涡轮泵转子在高温状态下发生损耗，加之平衡系统在设计上存在缺陷，造成转子失衡，是导致三子级发动机关机的主要原因[5]。事后，赫鲁尼切夫国家航天科研生产中心及其分包商对质子号M火箭进行了相应的改进，包括：更换涡轮泵转子轴承材料；提升涡轮泵转子的平衡性能；改进三子级游机涡轮泵与主发动机机身之间的连接方式。

2.2 未来十年联邦航天预算初步确定

12月，俄航天局向政府提交了修订的“2016-2025年联邦航天计划”[6]，拨款额度暂定1.4万亿卢布，是上个十年预算的2倍，但比年初上报的预算额减少近一半，主要是受国际油价持续走低、俄罗斯当前经济形式较差影响。该预算取消了包括月球着陆器、月球轨道站、月球基地、登月航天服、月球机器人保障系统研制等大部分与登月计划相关的项目，但未来可能用于登月计划的飞船研制项目将被保留。

2.3 研制新型联盟号5取代现役联盟号火箭

联盟号5系列火箭包含中型联盟号5.1、大型联盟号5.3及重型共3种构型，采用模块化设计，推进剂采用液氧/甲烷，由东方港发射场发射。联盟号5.1为两级构型，起飞质量约269 t，最大高度50.1 m，LeO最大运载能力为9 t，采用弗雷盖特上面级可执行太阳同步轨道、大椭圆轨道、地球同步转移轨道及地球同步轨道发射任务。联盟号5.3采用三级构型，捆绑2枚芯级助推器，起飞质量约690 t，最大高度56.7 m，LeO运载能力24 t，用于发射载人和载货飞船、卫星，采用弗雷盖特-SBU上面级可执行地球同步轨道、大椭圆轨道、GTO轨道和地球同步轨道任务。

未来联盟号5系列或将完全取代联盟号系列的所有现役火箭，首飞火箭拟于2021～2022年制造完成，届时进步航天中心每年可生产约20枚该系列火箭。

2.4 成立国家航天集团继续推进航天企业整合

继2014年成立联合航天集团之后，2015年俄罗斯再次对其管理体系进行重组。俄罗斯在联合航天集团和联邦航天局基础上成立国家航天集团，管理宇宙空间研究、探索和利用等方面的工作，并代表俄罗斯管理和领导航天活动，对行业法律法规进行调整。此外，联合航天集团内还将整合动力机械科研生产联合体等8家火箭发动机研制企业，成立联合火箭发动机研制集团。

2015年7月，俄罗斯联邦国家杜马通过了成立国家航天集团的法案，随后普京签署总统令[7]。国家航天集团的总经理为伊戈尔•卡马洛夫，最高管理机构为观察委员会。观察委员会由11人组成，包括5名总统代表、5名政府代表及1名总经理，集团主席及总经理由总统从观察委员会成员中指定。后续，俄罗斯将完成联合航天集团向国家航天集团的股权转让，联邦航天局的撤销工作将于2016年第二季度完成。

3 欧洲

2015年，欧洲共进行11次发射，包括阿里安5火箭6次、联盟号ST火箭3次，织女星火箭2次，全部成功，并在可重复使用技术探索方面取得重大进展。

3.1 积极推进下一代运载火箭及地面设施研发工作

在逐步改进现役阿里安5eca和阿里安eS火箭、提升运载能力和适应性的同时，欧空局为新一代阿里安6火箭的研发进行相关准备。2015年8月12日，欧空局分别与空客-赛峰集团、法国航天局和欧洲运载火箭集团公司签订了价值24亿欧元的阿里安6火箭研制合同，以及价值6亿欧元的发射设施建设合同。其中，阿里安6火箭研制经费中的6.8亿欧元将用于完成阶段a和阶段B初始研制任务，并预计在2016年中期完成火箭的初步设计评审，确保火箭在2020年实现首飞[8]。

阿里安6火箭研制计划是在2014年12月欧空局部长级会议上得到一致确认的。火箭将采用现有火神2主发动机和新型芬奇上面级发动机，捆绑2枚或4枚固体助推器，形成GTO运载能力5 t和11 t的两种构型，计划2020年首飞。欧洲正在改进现有发射设施，以满足阿里安6新型上面级芬奇发动机的试验要求，发动机的鉴定评审计划于2017年进行。

3.2 过渡性试验飞行器成功首飞

2015年2月11日，过渡性试验飞行器（Intermediate experimental Vehicle，IXV）搭乘织女星火箭进行了首飞试验[9]。本次任务持续约100 min，在飞行器滑翔穿过大气层飞往太平洋溅落点的过程中，试验了飞行器的机动性、制导系统和下一代防热系统。本次试验标志着欧洲在重复使用运载器和高超声速技术研究方面取得了重大进展，为未来小型航天飞机和重复使用运载器的研制打下了坚实的基础。

IXV为升力体布局，长4.4 m、宽2.2 m、高1.6 m、质量1 815 kg，升阻比约为0.7。两片体襟翼用于执行平衡和飞行控制。飞行器装备有下降与回收系统，由一组降落伞、漂浮与定位装置组成，漂浮装置将确保IXV漂浮在海面上等待回收[10]。

3.3 欧洲对联盟号火箭的信心动摇

欧洲和俄罗斯于2003年开始就联盟号火箭在库鲁发射场发射的相关事宜开展合作。截至目前，欧洲利用联盟号ST火箭共发射10次，9次成功，1次部分成功。但2014年联盟号ST-B火箭在执行伽利略卫星及O3b网络服务卫星的2次任务中连续发生故障，导致欧洲对引进俄罗斯的联盟号火箭产生了顾虑。欧空局曾在2015年初表示，如决定放弃联盟号，欧洲将选择阿里安5火箭发射2颗伽利略卫星，但还需进行振动等相关试验，以鉴定阿里安5整流罩环境是否符合伽利略卫星的要求。最终，欧洲在本年度仍使用3枚联盟号火箭发射了6颗伽利略卫星。但未来的合作是否持续下去，还有赖于发射任务的成功执行。

4 日本

2015年，日本共进行4次航天发射，其中H-2a火箭完成3次，H-2B火箭完成1次，全部成功，共将22颗卫星送入预定轨道。8月19日，H-2B火箭成功将18颗立方体卫星送入空间站并释放。11月24日，H-2a火箭204型成功发射了一颗加拿大的通信广播卫星，实现了日本国产火箭的首次商业发射。此次发射价格约120亿日元（约合9 800万美元）[11]。

4.1 改进艾普斯龙小型火箭提升运载能力

日本通过改进发动机、减低结构重量进一步提升其运载能力和适应性。与首飞型艾普斯龙相比较，增强型艾普斯龙高度增加了1 600 mm；SSO（500 km）运载能力从450 kg增加至590 kg；滚轴方向的载荷有效容积增加了25%。增强型艾普斯龙在2015年7月通过初步设计评审，现已进入细节设计阶段。后续计划在2016年3月进行鉴定评审，但在此之前要完成火箭新二子级发动机地面点火试验和一些新的结构部件批产前测试[12]。

4.2 新型运载火箭被正式命名为H-3

日本宇宙航空开发机构JaXa研发的新一代火箭被正式命名为“H-3”。火箭全长约63 m，采用两级构型，芯级直径约5.2 m，固体助推器直径2.5 m，可加装2个或4个助推器，SSO运载能力为4 t以上，GTO运载能力为6.5 t以上，发射价格力争降至现有H-2a火箭的一半。火箭发射准备时间预计缩短至26天，发射人员数量降至现有人数（100～150人）的1/3或1/4。首枚H-3火箭计划于2020年发射升空，未来将取代现役H-2a火箭系列，确保日本在航天运输领域的国际竞争力。

5 印度

印度2015年共执行5次轨道发射任务，其中极地轨道卫星运载火箭（pSLV）4次，地球同步轨道卫星运载火箭（GSLV）1次。

8月27日，GSLV-MK2成功将GSaT-6通信卫星送入地球同步转移轨道，这是继2014年1月5日后，该型火箭的再次成功发射。GSLV-MK2采用三级构型，捆绑4枚常温液体助推器，上面级为印度自主研制的低温级。2010年进行首次发射时因上面级故障遭遇失败。本次发射是该型火箭的第3次发射，连续2次成功在一定程度上改变了GSLV系列火箭经常遭遇失败的境况。

此外，印度积极推进新型GSLV-MK3火箭的研发工作。4月28日，用于GSLV-MK3低温上面级的ce-20液氢/液氧发动机成功进行645 s的试车，后续还将进行上面级的试车以及模拟高空环境的试车。如果试验顺利，新型GSLV-MK3火箭计划于2016年12月首飞。GSLV-MK3采用两级捆绑结构，全长43.4 m，起飞质量630 t，LeO运载能力10～12 t，GTO运载能力4 t。

6 国际合作

2015年，巴西正式决定单方面终止与乌克兰政府于2003年签订的太空合作协议，该协议拟在巴西建造一个发射中心，用于乌克兰旋风号4火箭的商业发射。巴西与乌克兰政府已在该项目上投入约10亿雷亚尔（约合3.2亿美元），该项目终止将给两国分别造成约5亿雷亚尔损失。

2006年，巴西与乌克兰就太空合作项目成立了阿尔坎塔拉旋风航天公司，将旋风号4运载火箭在巴西的首次发射时间定在2010年。此后，因乌克兰火箭研制经费紧张，双方在合资公司注资方面发生争议，火箭发射时间被两度推迟至2015年。受近期乌克兰政局不稳、经济陷入困境的因素影响，巴西最终放弃与乌克兰的合作，并与俄罗斯商讨在阿尔坎塔拉发射中心为安加拉火箭建造一个综合发射设施。

7 2016年展望

2016年，全球预计进行118次发射[13]，其中商业发射36次，将161个有效载荷送入太空[14]。2016年，美国SLS项目将进行芯级的第2轮热试车和4台发动机联合试验，助推器也将实施第2次鉴定试验，为2018年进行首飞做准备。用于国际空间站货物运输的安塔瑞斯火箭面临复飞，SpaceX公司研制的法尔肯重型火箭计划进行首飞，并将为政府和商业用户提供发射服务。

俄罗斯可能研制联盟号5系列火箭，以取代现役的联盟号火箭。欧洲经改进后的阿里安5eS将发射伽利略卫星，以减少对俄罗斯联盟ST火箭的依赖，阿里安6新型上面级芬奇发动机将完成热试车。

[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] 康开华, 才满瑞. 欧洲过渡性实验飞行器项目[J]. 导弹与航天运载技术, 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