美国空军推动新型火箭研制

陈允宗（北京航天科技信息研究所）

美国各型号运载火箭集锦

1 背景情况

美国空军1994年为确保进入空间，启动“改进型一次性运载火箭”（EELV）项目，目标是为美国国家安全有效载荷发射任务打造价格适中、性能可靠的运载火箭。为确保可靠地进入空间，美国空军要求EELV项目具有双重保障，即使个别火箭出现故障，国防卫星发射任务仍有其他火箭可供选择。现今，EELV项目拥有联合发射联盟公司（ULA）和美国太空探索技术公司（SpaceX）两家发射服务供应商，前者的德尔他－4（Delta－4）和宇宙神－5（Atlas－5）系列火箭，后者的猎鹰－9（Falcon－9）火箭均已通过EELV资格鉴定，具备美国国防重要有效载荷发射资质。

然而，ULA公司的宇宙神－5系列采用俄罗斯进口RD－180发动机作为芯级主发动机。出于政治考量，美国国会要求美国空军拥有至少两家本土发射服务供应商来执行国家安全有效载荷发射任务，且不能依靠非美国盟国的推进系统，要求美国空军在2022年前停止使用俄罗斯RD－180发动机。由于成本原因，德尔他－4系列火箭除德尔他－4H型继续服役至21世纪20年代初期以外，其余4个构型将在2019年7月后退役。

为此，美国空军采取了循序渐进的策略，先为火箭推进技术基础研究提供拨款，再与商业公司签订推进系统解决方案研究合作协议，然后招标研制新型火箭样机，具体如下：

首先，分别在2014财年和2015财年与约翰·霍普金斯大学(Johns Hopkins University)、坦纳研究所（Tanner Research）和穆格公司（MOOG）签订火箭推进技术基础研究合同，围绕材料制造与研发以及先进技术等重点领域开展研究。

随后，在2016年1月和2月，先后同SpaceX公司、轨道-ATK公司、ULA公司和航空喷气发动机-洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）签订火箭推进系统研制合作协议，旨在为规划中的或正在开展的EELV级火箭改造或研制工作提供火箭推进系统解决方案。

然后，在2017年10月5日利用美国联邦商机网发布“EELV发射服务协议”建议征询公告，目标是为火箭研制提供拨款，促进美国商业航天发射能力发展，确保其经过升级改造后满足美国国家安全需求。

经过1年时间的竞标采购流程，美国空军终于在2018年10月10日宣布与蓝色起源公司（Blue Origin）、 诺 格 公 司（Northrop Grumman） 和ULA公司等分别签订新型EELV火箭样机研制合同。新型火箭样机分别是ULA公司的“火神”（Vulcan）/“半人马座”（Centaur）火箭、诺格公司的“欧米茄”（OmegA）火箭和蓝色起源公司的“新格伦”（New Glenn）火箭。在蓝色起源公司、诺格公司和ULA公司开展新型火箭样机研制期间，美国空军将继续与ULA公司和SpaceX公司签订商业发射服务合同，利用德尔他－4、宇宙神－5和猎鹰－9等成熟火箭型号发射国家安全卫星。

新型EELV火箭样机

2 新型火箭

ULA公司的“火神”/“半人马座”火箭

ULA公司获得潜在价值9.67亿美元的合同，用于开展“火神”/“半人马座”火箭样机研制，相关研制经费将从2018－2024财年逐年划拨。目前，2018财年的1.09亿美元已经划拨。

“火神”/“半人马座”火箭充分吸收德尔他－4和宇宙神－5火箭的成功经验，采用先进的工程与制造技术，具备低续生成本。ULA公司希望凭借该火箭彻底改变航天飞行，为用户提供经济可靠的航天运输能力。目前，“火神”/“半人马座”火箭已完成初步设计评审和关键设计评审，计划2021年首飞，具备初始运载能力。

该火箭为两级型结构，采用“半人马座”上面级，可根据任务选用4m或5m直径整流罩，其中4m型能够捆绑最多4个固体助推器，5m型最多可捆绑6个固体助推器。芯一级采用2台蓝色起源公司的BE－4发动机。该发动机海平面推力250t。“半人马座”上面级采用航空喷气发动机-洛克达因公司的RL－10发动机。有效载荷整流罩和复合材料结构由瑞士华格公司（RUAG）提供。火箭最大起飞推力1723t，低地球轨道（LEO）运载能力25t，地球同步转移轨道（GTO）运载能力14.9t，地球同步卫星轨道（GSO）运载能力7t。该火箭的研制将为美国46个州增加22000个直接或间接就业岗位。

“火神”/“半人马座”火箭飞行示意图

ULA公司未来还将研制“火神”/“先进低温渐进级”（ACES）火箭。该火箭采用“先进低温渐进级”代替“半人马座”上面级，运载能力能够达到德尔他－4H水平。据ULA公司首席执行官布鲁诺介绍，“火神”/“先进低温渐进级”型火箭在轨时间可以从数小时延长到数周。ULA公司还计划采用空中直升机来回收BE－4发动机，实现部分可重复使用能力。

近2年，ULA公司将改造卡纳维拉尔角SLC－41发射工位，计划在此执行宇宙神－5和“火神”火箭发射任务。此外，ULA公司正在着手准备“火神”火箭的研制和试验，对相关生产制造设备进行改进。

蓝色起源公司的“新格伦”火箭

蓝色起源公司获得潜在价值5亿美元的合同，用于开展“新格伦”火箭样机研制，相关研制经费将从2018－2024财年逐年划拨。目前，2018财年的1.09亿美元已划拨，合同预计在2024年7月31日完成。

2012年起，蓝色起源公司开始研制“新格伦”火箭，但直到2016年才对外公布该项目。“新格伦”火箭采用两级结构，一子级采用7台BE－4发动机，二子级采用2台BE－3U发动机，整流罩直径7m，LEO运载能力45t，GTO运载能力13t，预计2021年首飞。其一子级利用海上平台回收，设计可重复使用25次。

目前，“新格伦”火箭已经赢得日本天空完美日星公司（Sky Perfect JSAT）、泰国穆航天公司（Mu Space）、欧洲卫星通信公司（EUTELSAT）以及美国卫星初创公司一网公司（ONEWEB）等4家客户的订单。其中，一网公司一家就预定了5次发射。媒体估算，“新格伦”火箭现已拿到8次商业发射任务。近日，蓝色起源公司又同佛罗里达航天（Space Florida）签订协议，将建设一座价值6000万美元的火箭试验与维修厂房。

诺格公司的“欧米茄”火箭

诺格公司获得潜在价值7.9亿美元的合同，用于开展“欧米茄”火箭样机研制，相关研制经费将从2018－2024财年逐年划拨。目前，2018财年的1.09亿美元已划拨，合同预计2024年12月31日完成。

“欧米茄”火箭采用三级结构，包括欧米茄－500和欧米茄－500XL两个系列，除上面级采用低温氢火箭氧火箭发动机外，一、二子级和助推器均采用固体火箭发动机。

欧米茄－500系列火箭GTO运载能力为4.9～10.1t。其一子级采用两段式的卡斯托－600（Castor－600）固体发动机，二子级采用一段式的卡斯托－300固体发动机，直径均为3.7m，最多可以捆绑6枚GEM－63XL固体助推器，上面级采用2台RL－10C氢氧发动机，整流罩直径5m、长度15m。

欧米茄－500XL系列火箭GEO运载能力在5.25～7.8t，火箭构型与欧米茄－500系列基本相同，只是一子级采用了更大的四段式卡斯托－1200固体发动机，另外还可以采用20m长的整流罩。

诺格公司计划在2019年完成“欧米茄”火箭的推进系统地面试车，2021年实现首飞。在过去3年中，诺格公司和美国空军共为“欧米茄”火箭研制投入了3亿多美元。

3 未来计划

装备了BE－4发动机“新格伦”火箭

“欧米茄”火箭

2019年3月1日，美国空军EELV项目按美国国会要求正式更名为“国家安全航天发射”（NSSL）项目。5月4日，美国空军航天与导弹系统中心发布NSSL第二阶段发射服务采购合同建议征询公告，为2020－2024财年授出的发射合同进行公开招标，计划在2020年,选出两家发射服务供应商，并按照60：40比例分配任务。蓝色起源公司、诺格公司和ULA公司必须参加该阶段竞标，否则须返还之前获得的研制拨款。此前未获得美国空军EELV火箭样机研制合同的SpaceX公司也可参与发射任务竞标。

蓝色起源公司、诺格公司或ULA公司如被淘汰出局，将不再获得后续新型火箭样机研制合同拨款。未来，美国空军将采购工作后期重新评估美国工业基础，决定是否继续开展下一阶段的招标工作。

4 小结

循序渐进，确保去俄制发动机过程的平稳过渡

鉴于国防安全有效载荷的重要性，美国空军在去俄制RD－180发动机的过程中采取了循序渐进的审慎策略，早在2014财年和2015财年即与约翰·霍普金斯大学、坦纳研究所和穆格公司签订火箭推进技术基础研究合同，围绕材料制造与研发以及先进技术等重点领域开展研究；随后在2016年同SpaceX公司、轨道-ATK公司、ULA公司和航空喷气发动机-洛克达因公司签订火箭推进系统研制合作协议；之后在2017年10月发布关于“EELV新型火箭样机研制协议”的建议征询书；历时1年方才选定蓝色起源公司、诺格公司和ULA公司等三家新型EELV火箭样机研制承包商。

德尔他－4上的RL－10发动机

顺势而为，增加可重复使用火箭在EELV火箭采购中的潜在占比

2018年7月，美国众议院发布《2019财年国防授权法案会议纪要》，要求美国国防部在2019年3月1日后将EELV计划更名为“国家安全航天发射计划”，以支持可重复使用火箭的国防采购。与此相呼应，美国空军的3份EELV新型火箭样机研制合同中，有2份涉及到可重使用火箭，即ULA公司的“火神”/“半人马座”火箭和蓝色起源公司的“新格伦”火箭。这种布局不仅将增加可重复使用火箭在国防采购中的潜在占比，同时在一定程度上反映出美国军方对可重复使用火箭应用前景的看好。

降低风险，签订固体火箭样机研制合同

美国空军与诺格公司签订了“欧米茄”火箭样机研制合同。“欧米茄”火箭除上面级采用低温氢/氧发动机外，一、二子级和助推器均采用固体火箭发动机。ULA公司的“火神”/“半人马座”火箭和蓝色起源公司的“新格伦”火箭在芯一级上均采用液氧/甲烷推进系统，其主发动机均为BE－4。BE－4发动机还处于研制阶段。液氧/甲烷推进技术还未在其他大型运载火箭芯一级上获得实际应用，存在研制不确定性。美国空军通过选择固体火箭“欧米茄”作为备份方案，将有效降低EELV火箭样机研制项目的整体技术风险，确保项目进度。