2019年国外航天运载系统发展综述

2020-04-09杨开米鑫

国际太空 2020年2期

杨开米鑫

（1北京航天长征科技信息研究所 2北京航天控制仪器研究所）

2019年世界航天发射达到102次，成功97次(包括1次部分成功)，失败5次（不含伊朗未发射失败1次），虽然比2018年的114次有所下降，但仍再次破百。其中，中国34次、美国27次、俄罗斯25次、欧洲6次、印度6次、日本2次、伊朗2次。发射次数最多的火箭是联盟-2（Soyuz-2，包括联盟-ST），达到15次，其次是长征三号（12次）、猎鹰-9（Falcon-9，11次）、长征四号（7次）和“电子”（Electron ，6次）火箭。

1 发射需求继续呈现结构性变化，载荷小型化、多样化成为重要趋势

根据北方天空研究所（NSR）和欧洲咨询公司（Euroconsult）2019年公布的预测数据，未来10年全球卫星制造和发射服务产业的总产值为2250亿美元左右。其中，小卫星制造及发射的收入将达到428亿美元，是过去10年的4倍。虽然大型地球静止轨道（GEO）卫星订单在2019年恢复到了两位数，但是机构预测未来的年发射数量将维持平稳，约13～15颗，对于市场增长的贡献率不会很大。相比而言，新航天指数的统计数据显示，已有卫星入轨的小卫星星座超过50个，这些星座计划中卫星总数超过18000颗[仅美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”（Starlink）就有12000颗]。由此可见，小卫星将是拉动发射市场的重要动力。在军用载荷需求方面，美国空军在2019年8月针对180kg以上的小型载荷发布了发射服务招标，未来9年将采购20次发射，总经费9亿美元，而美国空军计划在2020年执行的小卫星发射任务更是多达9次。

与此同时，小型GEO载荷、月球探测器、在轨服务飞行器、商业飞船等多样化的发射需求也在逐渐显现。加拿大麦克萨技术公司（MAXAR Technologies）决定保留商业GEO卫星业务并着力发展1300kg和500kg的小型GEO卫星，波音公司（Boeing）基于BSS-702X平台推出了1800kg的小型GEO卫星。以色列首颗月球着陆器“创世纪”（Beresheet）搭载猎鹰-9火箭成功发射，尽管没能成功登陆月球，但也证明了很多国家和组织都具备了一定的深空探测能力。在美国国家航空航天局（NASA）“商业月球有效载荷服务”（CLPS）计划的牵引下，直觉机器公司（Intuitive Machines）和宇宙机器人公司（Astrobotic）分别选择猎鹰-9和“火神”（Vulcan）火箭发射自家的月球着陆器。诺格公司（Northrop Grumman）“任务扩展飞行器”（MEV）成功搭载质子-M（Proton-M）火箭发射入轨，使得商业卫星在轨服务跨出了重要一步。此外，从事轨道转移、在轨加注、空间制造方面的众多创企也在2019年取得了实质性进展，即将在未来几年发射。NASA提出近地轨道（LEO）商业化的战略，明确了“国际空间站”进行商业化运营的规则，比格罗航天公司（Bigelow Aerospace）迅速做出反应，从SpaceX公司订购了4架次“载人龙”（Crew Dragon）飞船的发射订单，每次搭载4名游客，票价5200万美元/人。

质子-M发射“任务扩展飞行器”

2 深空探测继续带动美俄重型火箭研制，“超重—星舰”可能影响政府计划

美国政府确立2024年实现载人登月的目标，并在2028年具备持续开展月球探测的能力，通过月球活动为载人探火进行验证和支撑，计划定名“阿尔忒弥斯”（Artemis）。2028年前初步规划了37次发射任务，其中“航天发射系统”（SLS）重型火箭8次。为了满足计划进度，NASA原计划取消SLS首飞箭芯级试车，但出于安全考虑而被否决。采用水平装配操作替代垂直装配后，NASA赶在2019年年底完成了首飞箭芯级装配，但仍未能避免首飞推迟至2021年的事实，而且单发火箭成本更是可能高达20亿美元。除首飞箭的进展，NASA还完成了箭体结构强度试验和发射设施改建，利用模拟样机对运输、试验和发射的操作流程进行了演练，启动了第二、三枚火箭的制造，并同承包商协调如何进一步优化研制管理、提高效率、降低成本，以应对各方对于SLS项目进度滞后、经费超支的批评。另外，SLS重型火箭在2020财年得到了25.86亿美元的经费预算。

俄罗斯以载人登月为需求和目标，确定了重型运载火箭的初步设计方案，充分利用RD-171和RD-180发动机的成熟技术，以联盟-5和6火箭的研制作为铺垫，通过捆绑实现LEO轨道运载能力100t的“叶尼塞”（Yenisei）重型火箭2028年首飞。联盟-5一子级采用RD-171MV发动机，将作为重型火箭的助推级；联盟-6一子级采用RD-180MV发动机，将作为重型火箭的芯一级。在研制经费不足的情况下，俄罗斯希望依靠渐进式的研制逻辑逐步积累，但俄罗斯本身变数就多，再加上研制周期比较长、载人登月的需求过于单一，使得其重型火箭计划的不确定性更为突出。

SLS首飞箭芯级完成装配（左）及芯级试车操作演练（右）

“星跳者”、“星舰”和“超重”火箭结构对比图

SpaceX公司“超重-星舰”（Super Heavy Starship）的设计方案仍然保持着每年更新1次的频率，2019年的新方案仍采用9m直径和“超重”（Super Heavy）火箭级+“星舰”（Starship）飞船级的两级完全重复使用方案，主要更新在于全箭采用不锈钢材料，外形进行了小幅调整，迎风面防热方案从复杂的液膜主动冷却变更为防热瓦，发动机数量也可以根据任务需求而调整。“星舰”的首个非全尺寸原型机“星跳者”（Starhopper）完成了低空跳跃试验，设计方案和相关技术得到了初步验证；“星舰”的首个全尺寸原型机MK1虽因故障不再进行飞行试验，但也为后续MK2～MK5原型机的飞行打下了一定基础。“超重-星舰”的研制模式上带有非常典型的SpaceX公司的特征，技术方案不断迭代，并快速开发原型机进行实际的飞行验证。尽管“超重-星舰”与传统运载火箭的设计方案有很大区别，受到很多质疑，但是如果未来真的能够取得成功，单次200万美元的发射成本不仅会对政府主导的深空探测计划产生冲击，更会对航天发射产生变革性影响。

“火神”芯级结构试验样机（左）、“欧米茄”一子级试车（中）、BE-4发动机全推力试车（右）

3 新型主力火箭为首飞做准备，现役型号不断改进

美国联合发射联盟公司（ULA）的“火神”火箭完成最终设计评审，开始进行芯级结构静力试验，发射工位的适应性改进基本完成，首飞箭启动制造，计划在2021年实现首飞；诺格公司的“欧米茄”（OmegA）火箭一子级固体发动机完成试车，首飞用的3个复合材料壳体完成制造，发射用的活动发射平台正在进行改造工作，瞄准2021年首飞；蓝色起源公司（Blue Origin）完成了BE-4发动机的全推力工况试车，该发动机将同时用于“火神”和“新格伦”（New Glenn）火箭；欧洲的阿里安-6（Ariane-6）火箭完成关键设计评审，芯级采用的火神-2.1发动机完成地面试车和鉴定，2020年首飞将执行一网公司（ONEWEB）的发射订单；日本在研H-3火箭的芯级LE-9发动机进行了6次试车，上面级LE-5B-3发动机结束了试车验证，SRB-3固体发动机进行了1次分离试验和1次试车，整流罩也完成了分离试验，首飞时间仍瞄准2020年。

猎鹰-9和宇宙神-5（Atlas-5）火箭分别完成了“载人龙”飞船和CST-100“星际客船”（Starliner）的无人飞行试验，证明了两型火箭针对载人任务的改进具有较高的可靠性。“猎鹰重型”（Falcon Heavy）执行军方任务时，上面级3次点火，将24个载荷送入3个不同的轨道面，突出显示了其任务的适应性和改进能力；而猎鹰-9火箭在执行“货运龙”（Cargo Dragon）飞船任务时，上面级进行了长达6h的在轨滑行，为更高轨道的发射任务验证技术。俄罗斯安加拉-A5（Angara-A5）火箭改进型安加拉-A5M将采用RD-191M发动机，推力提升10%，LEO轨道运载能力从25t提升至27.7t。为了竞争商业发射，阿里安-5火箭大幅降价，与在研的阿里安-6火箭持平，俄罗斯则将“质子”火箭的价格降至猎鹰-9的水平。

猎鹰-9火箭发射“载人龙”飞船

美国联合发射联盟公司的德尔他-4M（Delta-4M）火箭完成最后一次发射，成功将GPS-3卫星送入轨道，未来将和宇宙神-5火箭一起被“火神”火箭取代。俄罗斯联盟-FG载人运载火箭在2019年9月将联盟 MS-15载人飞船发射入轨后退役，联盟-2.1a将替代联盟-FG发射载人飞船。俄罗斯质子-M火箭将在2021年停产，2025年退役，届时将由“安加拉”火箭替代。主力火箭的更新换代正在逐步拉开序幕。

宇宙神-5火箭发射CST-100“星际客船”

4 小型火箭研制热潮持续，公司间呈现差异化发展态势

近年来，全球范围内出现的运载能力在1000kg以下的小型运载火箭型号已经接近150个，处于研制状态的大约超过40个，大多集中于美国，但也延伸至英国、澳大利亚、加拿大、西班牙等非传统航天强国。上述数字明显反映出小型火箭的研制热潮，一方面是由于小卫星的需求牵引，还有很大一部分可归因于各国对于航天产业发展的鼓励政策；另一方面，由于运载火箭的技术门槛高、资金投入大，不同公司间的实力差距导致呈现出了差异化的发展态势，只有处于顶端位置的几家公司取得成功，而绝大多数公司都处于摸索阶段，有的甚至出现停滞情况。

美国火箭实验室公司（RocketLab）的“电子”火箭自2018年成功投入使用后，2019年连续成功发射了6次，在商业发射和国防载荷发射方面都取得了重要收获，属于众多小型运载火箭企业中最为突出和成功的。美国维珍轨道公司（Virgin Orbit）的发射器-1（LauncherOne）空射运载火箭完成了火箭子级试车、挂飞试验、空投试验，已经接近首飞。另外，维珍轨道公司还提出了快速部署星座方案以及用于深空探索任务的三级构型方案，并从英国政府获得了发射场建设经费。美国萤火虫航天系统公司（FSS）的“萤火虫-阿尔法”（Firefly Alpha）火箭也已经完成了多次地面试车，瞄准2020年首飞。

而出现问题最为明显的是美国向量空间系统公司（Vector Space Systems），该公司本来拿到了美国空军的发射合同，参加了美国国防高级研究计划局（DARPA）的“发射挑战赛”（Launch Challenge）计划，也从商业卫星公司得到了一些订单，甚至在2018年就开展火箭的亚轨道飞行试验，但是由于资金和运营管理方面的问题，导致公司停止运营。这在一定程度上说明，虽然小运载火箭是运载领域门槛最低的产品，但是仍有很高的风险。

2019年“电子”小型火箭成功执行6次发射

发射器-1空射运载火箭一子级全程试车

试车台上的“萤火虫-阿尔法”火箭一子级

另外，为了能够在激烈的竞争中体现出自身优势，很多小火箭创企在技术创新上独树一帜，值得关注。例如，相对论空间公司（Relativity Space）利用3D打印技术制造出了直径2m的大型贮箱结构；自旋发射公司（SpinLaunch）将旋转电磁弹射技术用于航天发射，并获得美国空军的试验合同。

相对论空间公司的3D打印机

执行CRS-19任务的猎鹰-9一子级第4次回收

5 垂直起降是当前重复使用的主要途径，多种方案和技术路径并存

2019年，SpaceX公司的垂直起降复用技术再次取得突破，猎鹰-9火箭不仅实现了一子级的4次复用，而且10次一子级回收任务100%成功，表明其技术已经比较成熟。不过，由于“猎鹰重型”火箭芯级的再入速度较高，回收和复用还存在一定的难度。“猎鹰重型”在2019年执行了2次发射任务，虽然助推器都成功回收，但是芯级回收都未能完全成功。火箭复用带来的价格优势也在逐渐显现出来，猎鹰-9竟然“跨级”和“飞马座”（Pegasus）小型火箭竞争NASA发射任务，并以5030万美元的价格获胜。另外，蓝色起源公司的“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道飞行器在2019年成功完成了3次飞行任务，同一架飞行器实现了6次复用，虽未开启载人飞行，但已经开始搭载商业载荷，为其“新格伦”火箭的一子级垂直起降复用打下了良好的基础。

由于SpaceX公司的垂直起降技术日趋成熟和成功，欧洲原本秉持的怀疑态度正在慢慢转变，在2019年逐步提出了较为清晰的垂直起降重复使用技术验证和应用路线，通过一系列验证机计划，以及“普罗米修斯”（Prometheus）液氧/甲烷重复使用发动机的研制，为欧洲重复使用运载器的发展奠定了基础。

日本原计划在2019年开始的垂直起降技术验证机飞行试验虽然推迟至2020年，但也表明了日本对于该技术的认可。

除垂直起降技术外，其他重复使用方案和技术也得到一定程度的应用和发展。美国空军的X-37B轨道试验飞行器结束了第5次飞行任务，打破了留轨时长纪录，达到780天；用于“国际空间站”货运任务的“追梦者”（Dream Chaser）轨道飞行器的复合材料主结构完成制造，计划在2021年进行总装；美国DAPRA的试验性太空飞机（带翼重复使用亚轨道级飞行器）完成了部分制造和装配工作，2020年将会继续进行装配和地面验证；火箭实验室公司计划利用伞降回收实现“电子”小火箭的一子级复用，并在飞行任务中启动了技术验证；SpaceX公司利用伞降回收技术实现了整流罩的回收复用；英国“佩刀”（SABER）预冷组合循环发动机的预冷器完成5马赫、1000℃高温气流冷却试验，实现了重要突破，为吸气式重复使用飞行器应用提供了重要基础。

X-37B轨道飞行器返回地面

“追梦者”飞行器概念图

6 研制发射活动的支撑经费主要来自政府，商业资本也在快速增长

美国2020财年为航天运输系统的研制和采购提供了超过60亿美元的预算，欧洲航天局（ESA）未来3年将为航天运输系统提供22.4亿欧元的预算。相比而言，全球航天企业在2019年吸引的商业投资总计不过58亿美元。由此可见，政府经费仍是支撑空间运输系统发展的主要因素。不过，从纵向对比来看，全球航天企业吸引商业资本的增长速度却非常快，从2011年的4.6亿美元增长到2018年的30亿美元，再到2019年的58亿美元，其中运载系统吸引的投资占比也比较高，例如，2019年SpaceX公司就吸引了13.3亿美元的融资。上述数据说明，当前政府需求是带动航天运输系统发展的主要动力，但是商业资本也越来越看好航天运输系统和航天产业的未来前景。