2017年国外航天运载器发展分析

杨 开，曲 晶，才满瑞



2017年国外航天运载器发展分析

杨 开，曲 晶，才满瑞

（北京航天长征科技信息研究所，北京，100076）

2017年，全球航天发射活动稳步增长，商业航天公司发射次数大幅提高。各国积极发展下一代大中型运载火箭、快速响应小型运载火箭和载人深空探索的重型运载火箭，继续研究和验证火箭动力、吸气动力的可重复使用运载器，并对2017年度国外航天运载器进行了回顾和分析，最后对2018年国外运载器的发展进行了展望。

运载器；航天发射；2017年

0 引 言

2017年，世界航天发射较为活跃，全球共执行91次发射任务[1]，与2016年85次相比有所提升。91次发射中，完全成功84次，部分成功1次，失败6次，成功率92.3%。其中：美国29次、俄罗斯19次、中国18次、欧洲11次、日本7次、印度5次、新西兰1次、伊朗1次。

1 新型运载火箭研制步伐加快，满足日益激烈的市场竞争是主要研制目标

目前，各国主要依靠20世纪90年代后期到21世纪初研制的新一代运载火箭承担政府和商业卫星发射任务。但面对以SpaceX公司为代表的商业运载火箭竞争，主要航天国家正在研制下一代大中型运载火箭，提高任务适应性、降低发射成本和缩短发射周期。

2017年，美国空军发布改进型一次性运载火箭发射服务协议，招标研制下一代运载火箭，摆脱俄罗斯制造的RD-180发动机，确保满足美国国家安全需求。联合发射联盟公司的火神火箭和轨道ATK公司的“下一代发射系统”都会参与竞争。火神火箭备选的BE-4液氧/甲烷发动机和AR-1液氧/煤油发动机取得重要进展。BE-4推力2400 kN，于2017年10月进行首次试车。AR-1推力2200 kN，于2017年5月完成关键设计评审，并开展全尺寸预燃器试验。轨道ATK公司在2017年初公布“下一代发射系统”的具体方案：采用三子级构型，一、二子级为固体级，三子级为低温氢氧级，地球同步转移轨道运载能力为5.25～8.5 t。

俄罗斯现役联盟号U火箭在成功发射进步号MS-05货运飞船之后宣布退役。能源公司在2017年提出新的联盟号5火箭方案，火箭直径4.1 m，一子级采用天顶号火箭使用的RD-171M发动机的改进型，二子级采用联盟号2-1b上使用的RD-0124，三子级使用Block DM系列上面级，未来将采用天顶号火箭在拜科努尔的发射工位[2]。该方案已得到俄罗斯政府认可，并完成了初步设计评审。联盟号5主要基于现有技术基础设计，既能快速投入使用，又能大幅降低成本，其发射成本可降至5500万美元。俄罗斯表示现在已经具备火箭制造能力，同时正在对发射设施进行改建，计划2022年首飞。联盟号5受到重视的原因包括多方面：a）将用于发射新型联邦载人飞船；b）将替代天顶号火箭，摆脱对乌克兰的依赖；c）发射成本低，在商业发射市场具有较强的竞争力。

欧洲下一代运载火箭阿里安6首飞箭开始制造。2017年完成了2个重要评审节点：a）6月完成成熟度节点6.1评审，验证了阿里安6火箭的技术特点，评估了项目的工业组织和项目规划，开始进行地面鉴定样机的制造；b）12月完成成熟度节点6.2的评审，确定阿里安6火箭的工业流程足够成熟，开始进行首飞火箭的制造[3]，实现2020年首飞目标。为了满足发射大中型载荷的需求，阿里安6火箭分为2个型号，阿里安62火箭起飞质量530 t，可以将4.5 t的卫星送入地球同步转移轨道，或将质量7 t的卫星送入800 km的太阳同步轨道；阿里安64火箭起飞质量860 t，可将12 t的载荷送入地球同步转移轨道，还能将20 t的载荷送入近地轨道。阿里安62和阿里安64火箭的发射报价分别为7500万和9000万欧元，比现役的阿里安5火箭低很多，商业竞争力明显提高。

日本H-3火箭动力系统开始试车。2017年，H-3火箭项目已开展LE-9主发动机和LE-5B-3上面级试车，进行了LE-9发动机涡轮泵试验，对固体助推器SRB-3开展全尺寸壳体强度试验。日本在H-3火箭的研制中强调降低成本，采取的具体措施包括简化设计、减少零部件数量、采用新工艺、继承成熟技术等，目标是将H-3火箭的成本降至现役H-2A火箭的一半，即4430万美元。同时，还要缩短H-3发射周期，实现30天内发射2次，每年可执行10次发射任务，争取更多商业发射机会[4]。H-3火箭一子级使用2台或3台LE-9发动机，地球同步转移轨道运载能力为6.5 t以上，预计2020年首飞。

印度新型地球同步轨道卫星运载火箭GLSV-MK3 在2017年6月5日成功进行了首飞，将3136 kg的GSAT-19卫星送到地球同步转移轨道，使印度地球同步转移轨道运载能力提升至4 t，近地轨道运载能力提升至10 t。该火箭于2002年开始研制，芯级直径4 m，采用两级捆绑结构，一子级采用常温推进剂，以Vikas发动机为动力，捆绑2枚S200固体助推器；二子级为印度自主研制的C25低温上面级。其中，固体助推器单台推力6000 kN，上面级氢氧发动机推力200 kN，体现印度在固体推进技术和低温推进技术方面的快速进步。

重型运载火箭方面，美国新型航天发射系统首飞推迟到2019年底。2017年12月17日，特朗普签署新版国家航天政策指令，正式要求NASA重返月球，并最终前往火星[5]。虽然深空探索战略稍有调整，包括取消小行星重定向任务，但探索火星的远期目标没有改变。2017年，SLS重型运载火箭的过渡性低温上面级已交付至肯尼迪航天中心，首飞箭芯级结构已制造完成，RS-25芯级发动机完成8次试车。但在2017年11月，NASA宣布其首飞时间至少推迟至2019年12月。除研制难度造成的影响以外，经费预估不足也是重要原因，因此NASA在2018财年预算案中为SLS申请的经费超过19亿美元[6]，远超以往的13～14亿美元。

俄罗斯在《2016-2025联邦航天计划》中提出“研制重型运载火箭关键部件”，为此能源公司提出以联盟号5为基础的重型火箭[7]。能源公司希望采取渐进式的发展途径获得政府支持。该方案以联盟号5一子级作为芯级，通过捆绑5枚联盟号一子级作为助推器，根据二、三、四子级的不同可形成2种重型火箭构型，近地轨道运载能力分别为108 t和88 t。目前，俄罗斯重型火箭方案尚未确定，预计首飞时间在2030年后。

2 商业火箭项目发展迅猛，一子级回收走向常态化

商业航天公司不仅争夺商业发射市场，也在攫取政府发射合同，不仅创新实现火箭回收复用还向重型运载火箭、深空探索方向快速推进。

SpaceX公司年发射次数创新高，一子级回收成常态。2017年，SpaceX公司的法尔肯9火箭共执行了18次发射任务，占美国总发射次数的2/3，尤其是发射国防部军事卫星和空军秘密载荷X-37B，打破了联合发射联盟公司对于政府军事载荷发射的垄断。在18次发射任务中，有14次尝试回收一子级并全部取得成功，一子级回收已常态化。3月30日，该公司首次利用回收的一子级成功实现火箭复用[8]，全年采用复用一子级执行发射5次，占比接近1/3。已有客户主动提出愿意采用复用火箭发射，说明其成本和价格将会更低。

法尔肯9一子级回收涉及的关键技术包括：大范围变推力能多次重启的可重复使用发动机技术、高可靠轻质的着陆缓冲机构技术、精确返回飞行与安全着陆控制技术以及返场快速检测与维护技术等。通过一子级回收复用虽然可以降低硬件成本，但也要为此牺牲很大一部分运载能力，根据SpaceX公司官方的数据推测，法尔肯9火箭一子级回收大约损失了40%的运载能力。当发射较大质量有效载荷进入地球同步转移轨道时，SpaceX公司不得不放弃回收一子级。

蓝色起源公司利用全新的新谢帕德亚轨道飞行器成功开展1次飞行试验，飞行高度约100 km，截止2017年底已完成7次垂直起降飞行试验，除第1次助推级回收失败外，其余全部成功。蓝色起源公司还在研制可执行轨道发射任务的新格伦火箭，火箭采用两级或三级构型，直径7 m，一、二子级分别使用7台和1台BE-4液氧/甲烷发动机，近地轨道运载能力高达45 t，该火箭沿用新谢帕德亚轨道飞行器的垂直起降重复使用技术。2017年，新格伦火箭整流罩直径由5.4 m提高至7 m，并获得2份商业发射订单。维珍银河公司的太空船2号完成多次无动力滑行飞行试验，验证了飞行器的结构和操纵装置，后续将开展有动力飞行试验。太空船2号采用白骑士2号载机空射，利用固液混合动力进入亚轨道，最后滑行返回地面。蓝色起源公司和维珍银河公司计划在2018年开始亚轨道太空旅游业务的商业运营。

3 小型运载火箭成为新的热点，低成本快速响应是主要需求动因

在小卫星快速发展以及快速响应进入空间需求的牵引下，国外多个小型运载火箭研制项目取得重要进展，成为航天运载领域发展的新热点。

由美国火箭实验室公司研制的电子号火箭在2017年5月25日完成首飞，以失败告终，但火箭设计得到了验证[9]。飞行中火箭按原计划完成了一子级点火、级间分离、二子级点火和整流罩分离程序，但未能按计划实现入轨目标，失败原因是由于火箭遥测信号中断，导致遥测信号中断的原因是公司的第三方发射支持商对地面设备的配置有误，从而造成“接收位置数据大面积损坏”，导致数据丢失，迫使安全员触发火箭飞行中止系统。未受到该事故影响的独立遥测信号显示，火箭在飞行中止前一直飞行正常，如果继续飞下去可以进入预定轨道。电子号火箭使用的卢瑟福发动机以电动泵代替传统的涡轮泵，简化了发动机结构，同时大量采用3D打印技术进行生产制造，大幅缩短制造时间，可在24 h内完成1台发动机的制造。电子号火箭在结构上采用复合材料，尽管箭体尺寸小，但仍保证较为合理的箭体结构系数。为了实现快速响应发射，火箭实验室公司已为其在新西兰的发射场获取了每72 h进行一次发射的许可。电子号火箭的太阳同步轨道运载能力为150 kg，发射成本为490万美元。

维珍轨道公司研制的运载器1号是一型机载空射两级液体小型运载火箭，太阳同步轨道运载能力为300 kg，发射成本不超过1000万美元。利用空中发射机动便捷的优势，将大幅提高快速响应能力，2020年将实现每月完成2次发射的目标。2017年，维珍轨道公司开展多次发动机长程试车，一、二子级的牛顿3和牛顿4液氧/煤油发动机得到充分验证；开展了箭体结构试验，并对整箭进行了加注和装配试验；同时完成了波音747载机的改装及飞行验证。

日本宇宙研究开发机构（Janpan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制的SS-520小型火箭在2017年1月15日首飞失败。后续调查发现是由于箭上电线受损短路导致电源中断，遥测信号丢失，未发送二子级点火指令，使得星箭坠入日本海域。SS-520是JAXA低成本小型火箭研制计划的一部分，通过采用民用电子器件，大幅降低成本，以促进本土小型火箭的研制活动。该火箭是目前世界上运载能力最小的火箭，近地轨道运载能力约为4 kg，发射成本低于500万美元。

4 带翼可重复使用运载器仍是终极目标，当前以军方技术验证为主

在商业公司积极推进垂直回收重复使用火箭技术的同时，美国军方仍在持续开展带翼可重复使用运载器的研究和试验，在航天飞机的技术基础上，降低发射成本，提高快速响应能力。

美国国防部预先研究计划局（Defence Advanced Research Projects Agency，DARPA）2017年5月选择波音公司作为试验性太空飞机（XS-1）项目第2、3阶段的主承包商，并为其提供1.46亿美元的研制经费[10]。波音公司的XS-1方案被称为“鬼怪快车”，主动力系统将以航天飞机主发动机为基础进行改进。第2阶段要在2019年前完成技术验证飞行器的设计、制造和试验，同时还要为其发动机完成10天内10次地面点火试车的目标。第3阶段将从2020年开始进行飞行试验，最终以马赫数为10的速度实现10天内飞行10次的目标，同时还将400～1360 kg的载荷送入轨道。XS-1作为带翼重复使用技术验证项目，之所以持续受到军方重视，主要是因为其快速响应能力，而且该飞行器还可以作为高超声速飞行试验的平台。

DARPA的另一项创新计划——英国喷气发动机公司的佩刀（SABRE，协同吸气式火箭发动机）发动机投资。佩刀发动机可用于未来的两级入轨或单级入轨空天飞机。除DARPA外，美国空军此前也曾提出基于佩刀的两级入轨可重复使用运载器方案。

5 液氧/甲烷火箭发动机取得突破，组合循环发动机受到重视

液氧/甲烷火箭发动机具有可重复使用、成本低、无毒无污染、使用维护方便等特点，未来将成为一次性使用运载火箭和可重复使用运载器推进系统的重要选择方案。组合循环发动机能够最大限度发挥不同动力的优点，具备工作范围宽、平均比冲高、使用灵活便捷等技术特点，尽管研制难度较大，但一直受到各国的重视。

美国私营的蓝色起源公司和SpaceX公司都在研制和试验液氧/甲烷发动机。蓝色起源公司的BE-4发动机采用分级燃烧循环方式，燃烧室压力13.4 MPa，海平面推力2400 kN，可重复使用25次，计划用于该公司的新格伦火箭和联合发射联盟的火神火箭。2017年，蓝色起源公司对BE-4发动机的动力总成组件进行了多次点火试验，评估发动机存在的技术风险。第1台BE-4液氧/甲烷发动机已装配下线，并在10月完成时长3 s，推力水平为50%的短时试车，证明了系统设计的可行性。SpaceX公司研制的猛禽液氧/甲烷发动机将用于超重法尔肯火箭（Big Falcon Rocket，BFR）上，该发动机采用全流量分级燃烧循环，燃烧室压力25 MPa，海平面推力1700 kN，真空推力1900 kN，节流能力20%～100%。欧空局也非常重视液氧/甲烷发动机的预研，2017年6月同阿里安航天集团签订了普罗米修斯液氧/甲烷发动机的研制合同，将投入约9100万美元的经费，目标要在2020年开始进行试车，到2030年左右投入使用[11]。该发动机的目标成本为单台110万美元，是现役火神2.1液氢/液氧发动机成本的1/10。另外，欧空局还为织女星火箭未来改进型号——织女星E火箭投入资金，研制液氧/甲烷上面级。

组合动力方面，英国喷气发动机公司在2017年5月称正在搭建一座试验设施，将用于佩刀发动机1/4缩比验证机的第1次地面试验。9月，美国DARPA向喷气发动机公司授予合同，支持该公司在美国建设试验设施，开展佩刀发动机预冷器样机的高温气流试验，用于考核预冷器在马赫数为5高温高速气流条件下的性能。DARPA还在2017年授予轨道ATK公司一份价值2144万美元的研究合同，用于先进全速域发动机项目的系统设计、部件研发以及地面演示验证。

6 展 望

展望2018年，全球发射次数预计将达百次以上。SpaceX公司的发射次数将为30次，可靠性和安全性成为影响高密度发射成败的关键影响因素；法尔肯重型火箭将在2018年迎来首秀，成为现役运载能力最大的火箭；运载器1号、电子号、SS-520等小型火箭将在2018年投入使用，开始执行商业发射任务；波音公司和SpaceX公司还将在2018年分别利用宇宙神5火箭和法尔肯9火箭执行载人飞船发射任务；SLS重型火箭项目将在2018年完成首飞箭芯级和助推器的交付，准备进行总装集成；NASA将根据新的重返月球计划为重型火箭制定更明确的规划，同时还将开展商业及国际合作，共同促进深空探索的发展。

[1] Krebs G. Orbital launches of 2017[EB/OL]. (2017-12-27) [2017-12-31]. http://space.skyrocket.de/doc_chr/lau2017.htm.

[2] Zak A. Preliminary design for Soyuz-5 races to completion[EB/OL]. (2017-12-12) [2017-12-12]. http://www.russianspaceweb.com/soyuz5-lv-2017.html.

[3] Ariane Group. Ariane group to start production of the first Ariane 62[EB/OL]. (2017-12-18) [2017-12-18]. https://www.ariane.group/en/news/ ariane6-production-en/.

[4] 杨开. 2017年国外航天运输系统发展综述[J]. 国际太空, 2018, 470(2): 57-63.

Yang Kai. 2017 year in review: foreign space vehicle[J]. Space International, 2018, 470(2): 57-63.

[5] House W. America will once again reach for the Moon-and Beyond[EB/OL]. (2017-12-13) [2017-12-13].https://www.whitehouse.gov/articles/america-will-reach-moon/.

[6] National Aeronautics and Space Administration. FY budget estimates 2018[EB/OL]. (2017-5-23) [2017-5-23].https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/fy_2018_budget_estimates.pdf.

[7] Zak A. Russia charts new roadmap to super-heavy rocket[EB/OL]. (2017-11-24) [2017-11-24]. http://www.russianspaceweb.com/superheavy-2017.html.

[8] Space Exploration Technologies Corp. World's first reflight of an orbital class rocket [EB/OL]. (2017-3-30) [2017-3-30]. http://www.spacex.com/news/2017/03/30/worl.

[9] Rocket Lab. Rocket lab electron 'Its a Test' flight successfully makes it to space[EB/OL] (2017-5-25) [2017-5-25]. https://www.rocketlabusa.com/news/updates/rocket-lab-successfully-makes-it-to-space-2/.

[10] DARPA. DARPA picks design for next-generation spaceplane[EB/OL]. (2017-5-24) [2017-5-24]. https://www.darpa.mil/news-events/2017-05-24.

[11] European Space Agency. Prometheus to power future launchers[EB/OL]. (2017-12-14) [2017-12-14]. http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Transportation/Prometheus_to_power_future_launchers/(print).

Analyse of World Launch Vehicle Development in 2017

Yang Kai, Qu Jing, Cai Man-rui

(Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information, Beijing, 100076）

The global space launch activities grow up steadily in the year of 2017, and the orbital launches by commercial companies increase substantially. Next generation medium-large launch vehicles, small responsive launch vehicles and heavy launch vehicles are being developed around the world. The reusable launch vehicles using rocket engines and combined-cycle engines are being under research. This paper mainly reviews and analyses the development of forgein launch vehicles in 2017, and makes a forecast of 2018 in the end.

Launch vehicles; Space launch; 2017

1004-7182(2018)01-0032-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180106

V47

A

2017-01-15

杨 开（1987-），男，工程师，主要研究方向为航天科技信息研究