2020 年国外航天运输系统发展综述

杨开 米鑫（ 中国航天火箭技术研究院 北京航天控制仪器研究所）

2020 年，全球航天发射达到114 次，完全成功104 次，失败10 次，发射载荷数量首次破千。其中，美国44 次[含从新西兰发射的“电子”（Electron）火箭]、中国39 次、俄罗斯17 次[含从库鲁发射的联盟－ST（Soyuz－ST）火箭]、欧洲5 次、日本4 次、印度2 次、伊朗2 次、以色列1 次。“长征”系列火箭发射34 次，猎鹰－9（Falcon－9）发射25 次，联盟－2（含联盟－ST）发射15 次，“电子”发射7 次，宇宙神－5（Atlas－5）发射5 次[1]。其中，发射器－1（LauncherOne）、火箭－3（Rocket－3）首飞遭遇失利，“电子”火箭遭遇2018 年首飞以来的第二次失利，火箭－3 在2020 年底的第二次发射也遭遇失利，“织女星”（Vega）在2019 年失利之后在2020 年又一次发射失败，伊朗则是遭遇了2017 年以来连续的第5 次失利，中国也遭遇4 次失利。猎鹰－9 和联盟－2.1a 火箭均成功执行首次载人航天发射任务，宇宙神－5 和H－2A 都成功发射火星探测器，宇宙神－5 成功发射价值15 亿美元的“太阳轨道器”（SolO）。

2020 年全球航天运输系统发射数据

1 发射需求快速增长，商业和深空成为政策和发展热点

发射需求持续快速增长，且呈现出多元化的特点。运营商因频谱调整需补充C 频段卫星，使得2020 年大型地球同步轨道（GSO）通信卫星订单大幅增至18 个[2]。美国军方的“国家安全航天发射”（NSSL）服务第二阶段合同授出以及欧洲政府给予阿里安－ 6（Ariane － 6）火箭的保障性订单，同样使大型卫星发射订单数量大幅上涨。“星链”（Starlink）和“一网”（OneWeb）等大型星座开始部署，发射数量快速增长，2020 年全球卫星发射数量也因此首破千颗。根据欧洲咨询公司（Euroconsult）预测，未来10 年的卫星需求是上个10 年的5 倍，平均每年都有1250 颗以上[3]。此外，商业空间站、在轨服务和轨道转移、地面备份星发射等特殊需求的出现，也使得发射服务向着多元化方向发展。

“一网”星座卫星即将利用联盟－2 火箭发射（来源：Roskosmos）

商业航天企业正在成为创新发展的驱动力，各国政府出台相关刺激政策。欧盟委员会-欧洲航天局（EC-ESA）第十届航天理事会形成欧洲航天发展战略要点，强调发展新航天；美国改组商业航天运输监管机构，推出一站式的许可流程；印度设立国家航天推广与授权中心（IN-SPACe），负责商业航天企业的活动许可和监督，并向商业企业开放国家基础设施。

航天大国将目标聚焦到月球和火星等深空目的地，2020 年，全球成功发射3 个火星探测器则是这一趋势的直接表征。美国发布的新版《国家航天政策》提出“引领人类在月球、火星和更远的太空中永久存在的新时代”，确立将人类经济活动扩展到深空、在月球建立永久基地、载人火星探测等具体目标[4]。美国国家航空航天局（NASA）发布《月球持续探索与开发规划》，阐明了从月球到火星的路径，甚至已经从太空探索技术公司（SpaceX）购买了“猎鹰重型”/ 龙－ XL（Falcon Heavy/Dragon－XL）为月球轨道平台“门户”（Gateway）提供货运服务，并通过《阿尔忒弥斯协定》（Artemis Accords）吸引澳大利亚、加拿大、日本、卢森堡、意大利、英国、阿联酋和乌克兰8 国参与其深空计划。此外，美国《航天政策6 号令》（SPD － 6）规划空间核动力与核推进（SNPP）技术的战略路线图，为深空活动提供能源和动力基础。

SpaceX 公司的龙－XL 飞船（来源：SpaceX）

SLS 芯级吊装到斯坦尼斯航天中心B－2 试车台做试车前的准备

2 不同的研制模式和路径下，重型火箭的经费进度差异显著

截至2020 年底，“航天发射系统”（SLS）首飞箭完成了除芯级试车外的地面试验活动（2021 年1 月17 日，NASA 进行了SLS 首次芯级点火试验，发动机只点火了1min，未达到SLS 飞行任务中所需工作时长），包括芯级5 个部段的结构力学试验、RS－25 发动机试车、固体助推器的地面试车等，NASA 也在肯尼迪航天中心（KSC）开始固体助推器装配，标志着首飞箭发射场总装活动的启动。继2019 年与波音公司（Boeing）协商10 枚芯级的研制合同之后，2020 年NASA 又花费17.9 亿美元从航空喷气-洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne）采购18 台RS－25 发动机。NASA 依托波音公司和诺格公司（Northrop Grumman）等主要分包商，以及各个航天中心的力量，基于系统工程方法组织开展SLS 研制，2011－2020 年共投入超过180 亿美元，首飞时间从最初的2016 年底推迟到2021 年底。虽然在管理上遭受批评，但是通过系统性的研发试验活动，暴露并解决了包括氢箱焊缝泄漏、阀门故障、液氧加注预冷等潜在风险和问题，对于保证这类大型国家项目的成功仍有重大意义。俄罗斯的“叶尼塞”（Yenisei）重型火箭也是采用同样的研制模式，但由于研制经费得不到落实，在2020 年完成初步设计方案的技术审查后，仍停留在方案优化调整阶段。

对比之下，SpaceX 公司的“超重-星舰”（Super Heavy Starship）在2020 年进展极快，建成星舰－SN1 ～SN8 等多台直径9m 的全尺寸验证样机，开展低温推进剂静压试验、地面试车、150m 低空飞行和12.5km 的高空飞行试验。尽管其中6 台验证样机均在试验中被损毁，但是成功验证了不锈钢材料结构性能、动力、水平返回姿态、制导控制和推进剂从主贮箱向头部小贮箱的切换等关键技术，最早可能在2021 年实现入轨飞行试验、2022 年开展推进剂在轨加注试验。通过验证样机快速迭代，SpaceX 公司能够直接帮助改进和优化设计方案，例如，“超重”一子级的6 个着陆支架减少到4 个以增大间隔，避免发动机羽流影响。“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷发动机的成熟度也在不断提升，燃烧室压力已达33MPa，推力达2200kN，首台真空型“猛禽”完成装配，设计最高真空比冲达380s。SpaceX 公司在系统工程的基础上引入硅谷敢于冒险、容忍失败的文化，而且依靠融资（2020 年SpaceX 公司获得21 亿美元融资[5]）也能够允许公司通过大量低成本的验证样机替代论证工作。不过，“超重-星舰”是一个全新的航天运输系统，如果缺少系统性的支撑，快速迭代的研制方式仍然存在很大风险，也只有SpaceX 公司这类创企才能够承担。

星舰－SN8 样机进行12.5km 高度飞行试验（来源：SpaceX）

3 疫情和技术问题拖慢新型主力火箭研制，但更新换代步伐尚未受阻

美国联合发射联盟公司（ULA）在2020 年完成了“火神”（Vulcan）火箭GEM－64XL 固体助推器的试车；为半人马座－5（Centaur－5）上面级5.4m 直径不锈钢贮箱引入自动焊接设备，为一子级5.4m 铝合金贮箱全面引进搅拌擦焊工艺；利用模拟结构进行发射操作演练；基本完成SLC－41 发射工位兼容性改进。不过，由于一子级采用的BE－4液氧/甲烷发动机涡轮泵出现技术问题，使得“火神”首飞时间从2021 年初推迟到2021 年年底。美国军方的“国家安全航天发射”（NSSL）任务第二阶段合同被ULA 公司和SpaceX 公司瓜分，诺格公司和蓝色起源公司（Blue Origin）在竞争中失败，诺格公司直接放弃了“欧米茄”（OmegA）固体运载火箭的研制，蓝色起源公司则继续瞄准商业市场开展“新格伦”（New Glenn）火箭的研制，该公司已投入25 亿美元[6]，完成了7m 直径全尺寸整流罩的制造，新的发动机生产设施竣工，但同样受到BE－4涡轮泵技术问题的影响。

俄罗斯启动联盟－5 火箭箭体结构制造，采用铝镁合金和搅拌摩擦焊工艺，完成RD－171MV 液氧/ 煤油主发动机和RD － 0124MS 液氧/ 煤油上面级发动机的试车，首飞时间瞄准2022 年。

欧洲阿里安－6 火箭的发射工位建设遇到问题，库鲁航天发射中心因新冠肺炎疫情停摆2 个月，使得工位建设完全停滞，再加上低温脐带臂遇到技术故障，使得首飞从2020 年底推迟至2022 年第二季度。为此，ESA 希望各成员国再为阿里安－6 增加2.3 亿欧元经费，研制总经费达到38 亿欧元。阿里安－6 取得的主要进展包括完成火神－2.1、“芬奇”（Vinci）和P120C 三型发动机的系列鉴定试车活动，完成首飞箭上面级装配等。

日本H－3 火箭由于LE－9 主发动机在试车后涡轮叶片和燃烧室内壁出现裂纹，首飞从2020 年底推迟至2021 年。

虽然新型火箭进展受到一定影响，但新老型号交替进程仍在继续，现役主力型号大部分只余下最后批次火箭。其中，美国德尔他－4H（Delta－4H）剩余4发，欧洲阿里安－5 仅余8 次任务，俄罗斯质子－M（Proton－M）将在2021 年停产，日本H－2B 已经在2020 年退役。因此，国外新型主力火箭在2021－2022 年实现首飞后，将在2025 年前后全面替代现役火箭，实现主力火箭的更新换代。

4 小型火箭竞争格局仍存变数，更多新型号将面向细分市场

火箭实验室公司（RocketLab）利用“电子”火箭完成了7 次发射，共发射了55 个微小型载荷，成为小火箭创企中的领头羊。“电子”火箭在出现一次发射失利后，仅用58 天就成功恢复发射，而且一子级伞降回收复用技术验证进展顺利，2 个新的发射工位也将在2021 年投入使用，从火箭制造能力和发射设施两方面都为高频率发射提供了可能性。维珍轨道公司（Virgin Orbit）的发射器－1（LauncherOne）和阿斯特拉公司（Astra）的火箭－3 首飞遭遇失利（发射器-1 于2021 年1 月17 日成功实现首次入轨发射），但两家公司都提前预计到失利情况，将其作为必经阶段。火箭－3 在2020 年底的第二次飞行中再次失利，不过火箭二子级成功点火，火箭进入太空且接近入轨速度，相比首飞取得很大进步。这种渐进式快速迭代的研制方式几乎成为小火箭创企的普遍做法。2020 年，还有10 余个在研的微小型运载火箭在试验、融资和订单上取得重要进展，计划在2021 年进行首飞，例如，萤火虫航天公司（Firefly Aerospace）和ABL 航天系统公司（ABL Space System）等开展发动机和子级试车，相对论空间公司（Relativity Space）在得到5 亿美元融资后成为SpaceX 公司以外估值最高的火箭创企，而各家创企总计得到超过10 份发射订单[2]。随着越来越多的小火箭投入使用，以及猎鹰－9、联盟－2、“织女星”等规模较大的运载火箭，利用多星适配器和小型轨道转移飞行器争夺微小卫星发射市场份额，使得微小型运载火箭的竞争格局存在着巨大变数，火箭实验室公司仍需不断求变才能保持其领先地位。

阿斯特拉公司的火箭－3 小型运载火箭（来源：Astra）

为了在激烈竞争中获得一席之地，各家小火箭创企都在努力抓住不同的需求特点，突出和强调自身优势，通过差异化的技术方案谋求发展。维珍轨道公司的发射器－1 强调灵活性和快速响应能力，已经参与到美国军方的作战演练中；时代公司（Aevum）的无人机空射火箭同样注重灵活性，而且无人操作能够提供更高的安全性；萤火虫航天公司非常重视和发射服务中介的合作，通过共享发射，更好地发挥其“阿尔法”（Alpha）火箭更大的运载能力；面向政府对于小型深空探测载荷的需求，“电子”、“阿尔法”和发射器－1 都提出电推上面级方案；印度则继续依靠其廉价的固体推进技术，开发出运力更小、成本更低的“小型卫星运载火箭”（SSLV），试图继续利用成本优势博得市场份额；相对论空间公司的人族－1（Terran－1）小火箭获得6 颗“铱星”（Iridium）地面备份星发射订单，利用3D 打印技术，最短仅需60 天完成1 枚火箭的制造，能够满足备份星发射对交付周期的严苛要求。从需求角度而言，市场细分程度也会越来越高，很多火箭可以根据不同需求明确定位，市场也可能允许更多的火箭存活下来。

俄罗斯提出的“阿穆尔”垂直起降重复使用火箭方案（来源：Roskosmos）

5 垂直起降复用方案主流化，伞降回收技术取得重要突破

2020 年，SpaceX 公司的猎鹰－9 火箭在垂直起降方案的应用上继续突破，全年25 次发射中有20 次采用回收一子级，仅用了5 枚新生产的一子级，有2枚一子级的最大复用次数已经达到7 次（2021 年1月20 日发射的“星链”是该子级的第8 次复用），未来可能会向着航班化的运营方式发展。垂直起降方案带来巨大的成本优势，复用情况下猎鹰－9 的成本可以降至3000 万美元[7]，还不到其发射报价6250 万美元的50%。SpaceX 公司因此在2020 年得到大量订单，既有NASA 和美国军方等政府用户的高价值发射订单，也有从国际通信卫星公司（INTELSAT）、欧洲卫星公司（SES）、麦克萨技术公司（MAXAR Technologies）等得到的商业订单。复用猎鹰－ 9火箭的可靠性也得到NASA 和军方认可，被允许执行载人发射任务和重要国家安全载荷发射任务。在猎鹰－ 9 火箭不断取得突破的情况下，欧洲、日本对垂直起降方案的认可度越来越高，ESA 已经向阿里安集团（ArianeGroup）授出价值3300 万欧元的“塞米斯”（Themis）垂直起降验证机研制合同，法国提出下一代“阿里安”火箭的垂直起降复用方案规划，欧洲和日本合作的“克里斯托”（Callisto）验证机在气动、结构、控制等方面的论证研制工作全面铺开并取得了一定进展，但总体进度仍比较缓慢，需要到2025 年之后才有可能得到应用。原本因火箭落区位于内陆对垂直起降方案持反对态度的俄罗斯也提出了“阿穆尔”（Amur）垂直起降复用火箭研制计划，采用液氧/甲烷动力，近地轨道运载能力10.5t，期望将发射成本降至2200 万美元。

“电子”小型运载火箭在伞降回收技术上取得了重要突破，继2019 年成功验证通过姿控调整使一子级在返回过程保持结构完整性之后，于2020 年成功验证了降落伞技术，一子级在完成发射任务后成功展开降落伞，以低于10m/s 的速度落到海面上后被打捞，部分硬件可以再次利用，不过底部热防护还需要进一步加强。此外，该公司在2020 年还成功利用两架直升机和一子级模拟结构完成伞降过程中的空中捕获，为后续降落伞减速加直升机捕获回收的方案进行了全过程的验证。SpaceX 公司的整流罩伞降回收复用技术也在进步，2020 年，猎鹰－9 有21 次发射任务使用整流罩，其中有19 次成功回收到1 个或2个整流罩半罩，而且有8 次任务中都复用了回收的整流罩，对于降低发射成本也起到了重要作用[8]。

虽然美国国防高级研究计划局（DARPA）的“试验性太空飞机”（XS－1）项目因主承包商波音公司自身困境而终止，但是带翼飞回式的重复使用亚轨道飞行器能够带来类似于飞机操作方式的快速响应发射能力，对于军方仍有很大的吸引力，未来仍可能会由军方主导相关项目。X－37B、“追梦者”（Dream Chaser）和“太空骑士”（Space Rider）等重复使用轨道飞行器的研制和应用平稳推进，X－37B 第6 次任务发射入轨，首架“追梦者”完成机身和翼面主结构的装配，ESA 向艾维欧公司（Avio）授出价值1.67亿欧元的“太空骑士”研制合同。

“乌鸦X”无人机空射系统概念图，火箭在机腹（来源：Aevum）

6 方案创新争取竞争优势，技术创新谋求远期发展

在行业快速发展的背景下，竞争态势也愈发激烈，新生力量为了立足，需要在方案上进行更多的创新。美国弧度宇航公司（Radian Aerospace）完成2000 万美元A 轮融资，开展地面滑行助推加速的载人型水平起降单级入轨飞行器的研制，并得到NASA和国防部等政府机构的认可，计划2025 年完成首飞。美国创企时代公司完成“乌鸦X”（Ravn X）无人机空射系统的研制，而且在2019 年就已经得到美国军方的发射合同。莫门图斯公司（Momentus）、航天飞行公司（Spaceflight）等开始提供小卫星轨道转移服务，获得大量发射订单。自旋发射公司（SpinLaunch）公布了旋转加速弹射运载火箭系统的具体方案。

组合动力、核动力和旋转爆震等前沿创新技术则为航天运输系统的远期发展提供了更多可能性。ESA支持喷气发动机公司（REL）研究“佩刀”（SABRE）预冷组合发动机，在2030 年后具有应用前景；西雅图的超安全核技术公司（USNC-Tech）向NASA 提交了基于全陶瓷微囊化燃料技术的新型核热火箭发动机方案；华盛顿大学在美国海军和空军的资助下，建立了旋转爆震数学模型，发现和解释旋转爆震发动机中的“不稳定和分叉”现象，而美国中佛罗里达大学研制的旋转爆震发动机原型机成功实现连续点火工作。

7 结语

尽管遭遇疫情影响，全球航天发射次数仍达到114 次的高峰，“星链”等大型星座的商业发射需求、各航天大国发展深空探测的政策趋势、军事航天需求的快速增长等，都将进一步驱动航天运输装备和技术的快速发展，因此也会吸引更多的参与者，伴随而来的将是更加激烈的竞争态势，以及更多的方案和技术创新，形成整个航天产业的繁荣趋势。