国家安全发射：四企竞逐 两喜两愁

文/ 田丰

▲ 火神火箭

作为未来数年间美国军用航天发射的“划地之战”，备受瞩目的“国家安全发射”（NSSL）项目第二阶段招标结果于今年8 月揭晓，经过两轮激烈“搏杀”之后，美国空军宣布联合发射联盟（ULA）和太空探索技术公司（SpaceX）两家公司中标。后续两家将分别以60%、40%比例瓜分从2022年到2026 年预计总数为30 至34 次的高价值国防发射任务合同。虽然空军尚未公布具体合同额，但业界认为联合发射联盟合同额约为35 亿美元，太空探索技术公司约为25 亿美元。

最惨“落榜者”——欧米伽运载火箭

正所谓“几家欢喜几家愁”，招标结果的公布也代表四家竞标企业中的另外两位——蓝色起源公司和诺格创新系统公司（以下简称“诺格”）将无缘该项目。其中军工巨头诺格公司最为失落，为竞标“国家安全发射”专门设计了名为“欧米伽”的新型运载火箭，可谓诚意十足，但最终仍难逃“落榜”命运，竞标失败后“欧米伽”将彻底失去空军资助。有鉴于此，“诺格”最终于9 月末决定彻底中止旗下“欧米伽”新型运载火箭的所有后续研制工作。原定明年的首飞任务已经取消，火箭配套设施开始拆除，相关800名员工陆续转岗，官网也撤下了相关介绍，仿佛这款火箭从未存在过。

其实相对于竞标中对手清一水的液体火箭而言，欧米伽火箭的设计颇具特色。该火箭设计的提出始于2016 年，当时轨道·ATK 公司仿照“星座计划”时期仅进行过一次不完整试飞便告“夭折”的“战神1”火箭思路，构思了一款采用分段式大推力固体火箭发动机作为芯级，并在火箭末级辅以高比冲的膨胀循环氢氧发动机的方案，意图打造一款“固液结合”的新型火箭。

2018 年轨道·ATK 公司被“诺格”收购，随后“诺格”将该构型完善后命名为“欧米伽”。该火箭动力系统灵活，组合了多种“久经考验”的美制成熟发动机产品，成本低，高可靠，周期短。首先火箭芯一级、芯二级均采用复合材料壳体制成的Castor（卡斯托）系列固体发动机，仅通过分段数量多少予以区分，因此一、二级可以共线生产，从而简化生产降低成本。该发动机技术衍生自航天飞机的固体助推器，并在美国宇航局的太空发射系统上有所应用，分摊了部分成本。火箭三级（末级）采用两台比冲高达453.8s 的阿罗杰特·洛克达因产RL-10C 氢氧发动机，以应对高轨任务需求。最后，根据运力需求可灵活搭配2～6 枚不等的自家GEM 系列固体助推器，该助推器现应用于宇宙神5 火箭以及一同竞标的“火神”火箭，属于成熟型号，研发成本已被客户摊平。为进一步增强竞争力，“欧米伽”在发射设施上也是能省则省，没有选择新建发射台，而是利用固体发动机对地面系统的低要求的特性“蹭”台发射。在东海岸发射时将与“太空发射系统”共享LC-39B 发射台，而在西海岸发射时“诺格”则相中了德尔它4 系列火箭使用的SLC-6 发射台。

可以说“欧米伽”火箭就是为“国家安全发射”项目而生，由于“猎鹰9”“阿里安5”“质子”等已经坐稳吨级运力级别的商业发射市场，欧米伽火箭自立项之初便不打算卷入纯商业发射的价格竞争，也不指望通过商单回本，而是全力瞄准“国家安全发射”。“欧米伽”为什么宁可不接商单而要争取“国家安全发射”呢？这还要从这个项目的前身说起。

▲ “猎鹰9”发射GPS-3

“国家安全发射”项目的前世今生

上世纪80 年代末到90 年代初，航天飞机和当时美国的其他主流运载火箭相继出现重大事故，而欧洲却在世界商业发射市场异军突起。为确保美国在冷战末期航天发射领域的领导地位，美国空军在1994 年发起了“改进型一次性运载火箭”（EELV，Evolved Expendable Launch Vehicle）计划，意图扶植两款（原定一款）商业上具备竞争力，且能满足军方发射需求的新型运载火箭，两型火箭互为备份，以维持必要的国防发射能力。1998 年，空军最终选定了波音公司的德尔它4 和洛·马公司的宇宙神5 两型火箭中标EELV 项目。

然而好景不长，两款火箭高估了商业发射市场的任务数量，两家公司都出现了亏损和难以收回成本的情况，因此2006 年“波音”和“洛·马”合资成立联合发射联盟（ULA），将EELV 的两型火箭尽收麾下。当时美国空军未能阻止此次并购，结果造成了ULA 实质性垄断军方发射业务。发射垄断最终带来了低效和高价，尤以单发均价高达4 亿美元的德尔它4 火箭为甚。虽然报价昂贵，但EELV 项目实施25 年来两款火箭确实成功执行了大量高价值国防载荷的发射业务。不过近年来德尔它4 火箭进入退役阶段，而宇宙神5 火箭虽“正值壮年”，但美政界却一直对该火箭使用的俄制RD-180 发动机耿耿于怀，莫名担心俄罗斯借“机”威胁美国家安全，因此勒令“宇宙神5”必须在2022 年底前彻底退出美国国防发射领域。

然而事实上，俄美合作诞生的RD-180 发动机不仅廉价而且可靠，初期报价仅1000 万美元出头，涨价后也不过2500 万美元左右，远低于德尔它4 系列采用的RS-68 发动机。自2002年首飞算起，RD-180 已经推动宇宙神5 火箭累计执行85 次发射任务，成功率几近100%，从未导致有效载荷损失。反倒是“全美制”的德尔它4 系列火箭在早期出过一些问题。

▲ 欧米伽火箭竖立发射台示意图

▲ 使用俄制RD-180 发动机的宇宙神5 火箭

表1：美国空军发布的“国家安全发射”轨道需求

至此，美国空军为面对未来的国防发射需求，同时剔除RD-180 这个风险要素，于2019 年将项目改名为“国家安全发射”（National Security Space Launch）。项目拟再选定两家承包商采用“纯美制”火箭执行后续发射，同时要求投标火箭同时具备从东、西海岸向多种轨道发射一定质量载荷的能力（详见表1），严苛的运力需求和资质条件对投标火箭提出了很高的要求。但考虑国防载荷通常价值高昂，发射费用较纯商业订单有一定溢价，利润丰厚，加之发射需求稳定可观，相对“阴晴不定”的商业发射市场，国防发射业务确实是“香饽饽”。即使投标门槛高企，仍然吸引了三大军工巨头（ULA 是波音、洛·马合资）和两家头部私营航企竞标。而且NSSL 项目名称删去了EELV 中“一次性”（Expendable）的修饰词，意即可重复使用的运载火箭系统也将被纳入此次招标中，最终5 款竞标火箭中竟有4 款具备重复使用能力或潜力，仅有“欧米伽”为传统一次性运载火箭。

▲ 新格伦火箭

表2：竞标“国家安全发射”第二阶段合同的火箭基本参数对比

两轮投标，六箭争雄，四家争霸

2018 年初，NSSL 正式展开第一阶段研发资助投标，“蓝源”、“诺格”、太空探索技术公司和“联合发射联盟”四家参与竞标。从资历来看，联合发射联盟和太空探索技术公司是国防发射领域的“老面孔”，而“蓝色起源”和“诺格”则是“新玩家”。2018 年10 月，空军揭晓资助结果，这笔钱将用于支持在研投标火箭的研发工作，其中“蓝色起源”获5 亿美元，“联合发射联盟”获9.67 亿美元，“诺格”获7.62 亿美元，太空探索技术公司则意外“空手而归”。太空探索技术公司投标的是其在研的新一代“星舰”可完全重复使用运载火箭，空军称该火箭用于发射高价值国防载荷的技术和进度风险过大，因此拒绝资助。但太空探索技术公司表示不服，于去年5 月一纸诉状将美国空军告上法庭，控告空军偏袒其他投标方。今年10 月美国加州法院最终裁决太空探索技术公司诉讼无效，空军第一阶段招标合法，结束了这场长达18 个月的诉讼。

2019年5月，“国家安全发射”的第二轮竞标正式启动，该阶段将正式争夺未来4年间30余次发射的合同归属。投标方依然是第一阶段四家，但太空探索技术公司重新拿出了自家的“重型猎鹰”及“猎鹰9”两款现役运载火箭参与投标，至此共有5款火箭参与第二轮正式竞标，其基本情况如下：

除“诺格”的欧米伽火箭外，“联合发射联盟”投标的是在研的火神运载火箭，“火神”总体上延承了“宇宙神5”的设计思路，整箭直径统一成5.4 米的同时，改进了芯一级贮箱的设计和工艺，动力上采用另一家投标商“蓝色起源”研发的两台BE-4 液氧甲烷发动机，代替俄制RD-180 发动机，搭配“诺格”提供的GEM 系列固体助推器，芯二级采用装有两台RL-10 发动机的半人马5上面级。而基于通用芯级的更强运力版本和“先进低温上面级”（ACES）则因需求不明而被搁置。“火神”在实现全“美国造”的同时运力水平相对“宇宙神5”又有提升，可以覆盖现役的重型德尔塔4 火箭，总体竞争力很强。但整箭研发进度受BE-4 严重拖累，“联合发射联盟”曾公开抱怨BE-4 是如期首飞的最大障碍。

而作为BE-4 发动机供应商，“蓝色起源”曾承诺不会争抢国防发射这块“肥肉”，最后却在投标时食言出手。作为“半路杀出的程咬金”，“蓝色起源”只能拿出自家的新格伦可回收火箭参与竞标。但该火箭与“火神”同采用BE-4 发动机，为防止“一机拖两箭”的局面出现，业界普遍认为两家同时中标的希望渺茫。正所谓无巧不成书，在业界担忧之后，“BE-4”的研发过程果然是“一波未平一波又起”，2017 年开始试车后推力及稳定性一直未能达标。于是2019 年初公司将整个预燃室-涡轮泵系统推翻重来，同年8 月终于完成全推力试车，但后续试车发现泵系稳定性仍存缺陷，至今仍未彻底解决。

“蓝色起源”竞标所用的自家新格伦火箭进度更不容乐观，芯二级采用的BE-3U 发动机曾竞标“火神”的芯二级发动机，但终究输给了成熟的RL-10 发动机。目前“新格伦”只有7米直径复合材料整流罩已获公开，整箭进度还受发射台建设和回收船改装进度的拖累，其首飞日期很可能在2022 甚至更晚。考虑到“蓝色起源”从未给军方发射过载荷，还需额外的认证时间，2022 年准时接替EELV 火箭几无可能，这也是美国空军所不能接受的，也注定了其竞标失败的结局。

▲ 重型德尔它4 火箭发射NROL-71

▲ “重型猎鹰”发射STP-2 任务

▲ “蓝色起源”BE-4 发动机试车

有趣的是，不同于第一阶段投标，太空探索技术公司这个“业界新贵”在二阶段反成“老司机”，对高轨及大质量载荷拿出“重型猎鹰”火箭，其余任务则采用高度成熟且廉价的“猎鹰9”火箭，两者高低搭配联合投标。作为四家中唯一采用成熟现役型号的企业，加上近年来多次为军方发射载荷的优良业绩，以及复用火箭提供的高频率发射支撑和低廉报价，中标可谓情理之中。

两轮竞标尘埃落定之后，五款火箭的命运已经基本明朗。不过太空探索技术公司并非坐享中标之利，根据环评报告透露太空探索技术公司未来还需研发（或外购）新型长整流罩，并在LC-39A 发射台兴建垂直整合部分特殊军方载荷所使用的移动勤务塔，还要对保密流程进行优化改进。而对于无奈落选的“欧米伽”和“新格伦”，两款火箭的命运可谓大相径庭，“新格伦”在世界首富贝索斯的不间断资助下，仍将继续推进研发。

回顾整个项目竞标过程，美国空军在“全美制”原则之下，既剔除了军用发射中俄制发动机的潜在风险，又刺激了美国现役运载火箭的更新换代。同时注重军民融合，招标中不但有传统军工巨头，还吸纳了两家私营航天企业。评标中，军方综合了进度、风险、可靠性和发射量等多种因素，同时吸取了EELV 项目型号技术隔离，互为备份的思路，力争在期限前平稳进行发射服务的更新换代。而所选两家承包商也是风格迥异，一“新”一“旧”，一“稳”一“快”，让技术创新和能力保障并行不悖，其思路和做法值得我们关注和分析。