国外运载火箭发射技术创新发展路线分析

王铁兵 朱雄峰 崔朋 刘阳（北京跟踪与通信技术研究所）

航天发射是人类探索浩瀚宇宙的第一道技术关口，是世界航天强国的重要标志性能力之一。在可预见的时间内，运载火箭仍是将卫星载荷送入空间轨道的主力工具。然而，由于航天运载工具大多为一次性使用、发射设施复杂、维护周期长等原因，高昂的发射成本、冗长的模式流程一定程度上制约了人们进军太空的步伐，也吸引着众多航天科技工作者的目光。围绕运载火箭发射技术创新发展问题，世界各国已经开展了诸多有益的探索与尝试，以“低成本、快速空间响应、高可靠性”为目标特征的技术创新发展百花齐放，有些技术方向甚至已取得阶段性突破。

1 发展需求分析

当前，智能化、分布式、网络化等太空技术创新方兴未艾，以美国太空探索技术公司（SpaceX）的“星链”（Starlink）系统等低轨互联网星座为代表的太空系统发展建设异军突起，太空已由少数世界大国所属的“高端俱乐部”逐步走入“寻常百姓家”。

从卫星系统角度看，低轨星座大多具有规模庞大、单星节点简化、动态构建组网（边发射、边应用、边退出、边补充）等特征，传统大中型运载火箭的长周期、冗长测发流程等已难以满足该类系统发射部署需求。与大卫星、大火箭的“搭车”“拼车”等模式虽能部分解决问题，但终因载荷进场不同步、主载荷延迟等各类原因难以常态发展。

从运载火箭角度看，由于各类卫星功能不同，其质量、体积差异很大，据行业数据目前很多航天发射任务运载火箭运力富余，尤其大中型火箭更为突出，有些任务载荷质量甚至不到火箭最大运力的一半。上述问题倒逼和催生了运载火箭发射技术的创新发展，商业航天发射公司通过提供各类更加简单、灵活、廉价的航天发射服务，在传统火箭发射商夹缝中开辟出一片市场。

新形势对运载火箭发射技术的创新发展需求主要包括如下几个方面。一是低成本需求，卫星单星的低廉成本要求火箭必须降低发射成本，否则相对低廉的卫星系统成本配套高昂的发射成本让用户无法接受。二是快速空间响应需求，包括研制快、运输快、测试维护快和发射部署快等，要求运载火箭必须简化对复杂发射场地、人员和设备设施的依赖，能够快速测试、快速发射和按需发射，满足星座动态构建组网需要。同时，还包括可靠性需求，要求发射部署服务过程可控和相对稳定可靠。

2 国外技术发展路线

围绕上述发展需求，国外航天发射公司已经开展了诸多创新技术研究和实践探索。通过跟踪研究和多方对比分析最新成果，按基本原理划分，主要包括火箭回收复用、空基发射、电磁弹射、旋转发射、工业化量产等技术路线。

“回收复用”技术路线

回收复用，顾名思义就是通过对发射出去的火箭的主要部分进行回收，继续用于下一次发射活动，以此来实现降低发射成本、提升快速响应时间的目的。目前，SpaceX 公司的猎鹰－9（Falcon－9）火箭，和美国火箭实验室公司（RocketLab）的“电子”（Electron）火箭、“中子”（Neutron）火箭等均选择回收复用技术路线。根据回收形式的不同，该技术路线可细分为多种形式。

按照火箭回收部分的不同，可细分为一子级/助推器回收、整流罩回收、组合体回收等。①一子级/助推器回收、整流罩回收，是指对运载火箭的某一部分进行回收再利用，SpaceX 公司的猎鹰－9 可重复使用火箭选择的即是该技术路线，截至2021 年底，猎鹰－9 系列火箭已成功实现了百余次芯一级回收、多次助推器和整流罩回收，领跑全球该技术方向发展。②组合体回收，是指将火箭的某些部分组合进行一体设计、一体回收再利用，RocketLab 公司的“中子”火箭即是该种技术路线的典型代表。2021 年12月2 日，RocketLab 公司公布了其“中子”中型运载火箭设计的新思路：利用碳纤维材料将一级火箭与整流罩一体设计，二级火箭连带卫星载荷一起包裹式安装在火箭壳体内部；在一级飞行段末段，整流罩打开但不抛掉，二级火箭连带卫星载荷被推出后继续点火飞行，整流罩重新闭合，连同一级火箭一同进行回收。该方案的优势在于二级被包裹在内部不再承受发射环境的影响，使其更加灵活和轻量化，同时还避免了海上捕获整流罩的高成本和低可靠性，加快了发射频率，实现了更高的空间运输性能。目前该方案还处在概念设计阶段。

国外运载火箭发射技术创新发展路线

按不同回收复用部分的技术路线细分

按照回收方式的不同，可细分为前场回收、原场回收和空中拦锁回收等。①前场回收，是指待回收一子级/助推器飞行结束分离后通过调整姿态、反向制动、再入点火等操作，继续向前飞向海上回收驳船或陆上回收场，猎鹰－9 火箭多为该种回收方式。②原场回收，是指待回收一子级/助推器飞行结束分离后反向飞回原发射场，该种方式避免了火箭再次利用前的长途转运等环节，但对其飞行动力余量要求也就更高。为实现更高的可重复使用性能，“中子”火箭即打算采用原场回收方式。③空中拦锁回收，与前场回收方式不同，在待回收一子级/助推器动力下降到一定高度后，利用降落伞进一步减速（约10m/s），同时释放拦锁装置，由直升机挂钩捕捉钩拦飞回原发射场。该种方式既避免了前场回收的远距离回收火箭转运问题，节省了时间，同时对待回收火箭的飞行动力余量要求也有所降低，“电子”火箭采用的即是该种回收方式，并在2020 年8 月完成了模拟一子级的空中拦锁回收试验。

新概念技术路线

按不同回收方式的技术路线细分

新概念发射技术路线

前述回收复用的核心思路是对火箭的某些部分进行回收再利用。实际上，运载火箭从地表发射到星箭分离入轨需经历多个逐步升高、逐步加速的飞行阶段，而在稠密大气层以内的一级飞行段一般是最为笨重、复杂的飞行阶段。研究表明，整个火箭飞行期间重力速度损失达1200m/s，空气阻力速度损失达100 ～800m/s，而稠密大气层内的重力和空气阻力损失几乎占据了绝大部分。因此人们设计出了许多新型发射概念，通过其他方式让火箭获得一定的初始速度和高度，从而部分取代常规火箭发射的一级飞行过程。新概念航天发射技术路线包括空基发射、电磁弹射、旋转发射等。

就是利用大型飞机等空中平台携带火箭，在飞行至一定高度后释放火箭，随着火箭发动机点火，继续爬升加速，将卫星载荷送入轨道。2021 年1 月17 日，美国维珍轨道公司（Virgin Orbit）利用一架波音747 飞机成功将发射器－ 1（launcherOne）送入太空。发射器－1 为两级小型火箭，长约21m，搭载了美国国家航空航天局（NASA）的10 颗小型卫星，试验中捆绑在由波音747 改装成的“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的机翼下方，被携带飞行至10668m 左右高空后发射入轨。2021 年6月13 日，诺格公司（NG）利用L-1011 载机将小型三级固体“飞马座”（Pegasus）火箭送入太空，成功验证了空基应急发射能力。空基发射比传统火箭发射更灵活，只需一条飞机跑道，无需发射台等复杂装置，因此机动性、灵活性更优。

就是基于电磁感应原理，通过电流产生强磁场，利用电磁力加速将火箭等在一定距离内加速到极大初始速度，火箭惯性飞行到一定高度后点火开机，继续推动卫星载荷加速入轨。美、德等国很早就开始了电磁弹射火箭技术研究。德国空气动力协会于2008 年提出了电磁辅助发射低轨道航天器的方案，利用至少341m 长的洛仑兹电磁推射管道，在几秒钟内将447kg 的固体火箭加速至4.4km/s，期间过载峰值达3300g，而低地球轨道（LEO）运载能力仅为3kg。电磁弹射方案具有发射频次高、发射间隔短、发射后需复原工作少等优势，但也存在运载能力小等弊端。

是美国航天发射初创公司—自旋发射公司（SpinLaunch）提出的新设想。利用一台大尺寸高速离心机，将飞行器（火箭+卫星）安装在旋臂一端，通过旋臂旋转加速，将飞行器从与地平面成一定角度的发射口高速抛出，飞行器在经历一段惯性飞行上升至一定高度之后，火箭发动机点火，继续推动卫星载荷加速直至入轨。SpinLaunch公司已于2021 年10 月22 日完成了1/3 缩比系统的测试试验。旋转发射方案的最大技术难点在于其旋转加速过程中产生的横向过载特别大，甚至能达到10～10量级，以目前制造技术水平的卫星与火箭还难以承受。

上述三种新概念发射技术路线具有几个共同特征：①均难以直接入轨，都是部分代替了传统火箭一级飞行段获取了一定的初始速度和高度，仍需火箭发动机继续加速；②创新形式的发射段均为低空高速飞行，气动影响更大，因此需要增强箭体结构；③运载能力均偏低，最多为百千克量级。受技术成熟度、应用需求等因素影响，目前上述技术路线均未得到大规模应用。

“工业化量产”技术路线

美国民营航天企业—阿斯特拉公司（Astra）是工业化量产技术路线的典型代表。与使用先进复合材料、回收复用等技术路线不同，该路线的核心思路是利用最成熟简便的技术方法，实现极低成本、极高产量和高密度灵活使用的目标。Astra 公司的发展目标是火箭运载能力达到200kg，价格约100 万美元（约合每千克5000 美元），计划在全球十余个地点建立发射场，甚至贴近客户临时建厂，以提高任务频率，到2025 年实现每天发射一枚火箭，通过“白菜价”的发射服务占据微小卫星发射市场。

美国Astra 公司工业化量产技术路线（来源：Astra）

综合分析

综合来看，“回收复用”技术路线最有吸引力，目前看来也是技术发展最快、最有应用前景的发展路线，其中尤以子级/助推器前场回收形式发展最快，且正向组合体原场回收等更低成本、更快空间响应时间方向发展。“工业化量产”技术路线则反其道而行之，力图充分挖掘一次性使用火箭的性能极限，预计在未来高密度航天发射场景中也会占据一席之地。在新概念发射技术路线中，空基发射技术成熟度最高，但低成本性和快速响应性能一般，和平时期应用需求并不明显；电磁弹射和旋转发射均涉及较大过载问题，尤其是旋转发射受大范围横向过载制约，目前还难以得到工程应用。

运载火箭及发射技术创新发展路线对比

续表

3 结束语

航天发射能力是建设航天强国的重要领域之一。随着太空技术持续深入发展，运载火箭发射技术创新发展路线还会越来越多、越来越丰富。有些创新技术路线会被不断改进修正，直至走向实际工程应用；有些技术路线也会由于复杂度、成本等原因而逐步被淘汰。总之，一个领域的可行技术发展路线越多，一定程度上也预示着该领域越有生命力和发展潜力。面对太空领域新的发展形势，需持续投入，不断探索，通过技术创新保持发展活力。