2022 年国外航天运输系统发展综述

杨开（北京航天长征科技信息研究所）

2022 年，世界航天发射次数再创新高，达到186 次，打破2021 年146 次的发射记录。其中，178 次成功，1 次部分成功，7 次失败，成功率达到95.7%。美国、中国、俄罗斯发射次数位居前三，分别为87 次、64 次和22 次。其中，3 个型号系列发射次数超过10 次，“猎鹰”（Falcon）系列61 次、长征系列53 次、联盟-2（Soyuz-2）系列19 次。

2022 年，全球发射载荷数量约2500 个左右，发射总质量超过1000t。相比2021 年，载荷数量增幅约为35%，发射总质量增幅约为25%。其中，“星链”（Starlink）星座发射任务占比最高，在34 次发射任务中“星链”卫星发射数量超过1700 颗，约占发射载荷总数的69%，而“星链”卫星发射总质量约占全球发射总质量的49%。

1 美SLS 重型火箭完成首飞，航天探索迈向深空时代

美国“航天发射系统”（SLS）重型火箭成功进行首飞，尽管射前测试和发射准备过程一波三折，推进剂加注多次遭遇故障，发射时间不断推迟，但在排除主要问题后，SLS 在2022 年11 月16 日成功完成首飞，将“猎户座”（Orion）飞船送入奔月轨道。在开展首飞任务的同时，美国国家航空航天局（NASA）还在推进SLS 重型火箭的后续任务，持续开展芯级主发动RS-25 的地面试车，推动后续火箭制造装配，第二枚SLS 的主要箭体部段已基本完工，即将运往发射场进行装配。另外，NASA 在7 月发布了“探索生产与运营合同”（EPOC）的预招标公告，计划由波音公司（Boeing）和诺格公司（NG）组建“深空运输公司”（Deep Space Transport），负责SLS 制造、试验、运输和发射的全流程，将目前采购硬件的模式转变为采购服务的模式，试图降低项目运营成本，实现深空探索活动的可持续发展。

SLS 首飞箭在发射台（来源：NASA）

在SLS 首飞之际，太空探索技术公司（SpaceX）持续快速迭代改进超重- 星舰（Super-Heavy Starship）方案，坚持小步快跑的方式，逐步开展多台发动机联合试车，同时SpaceX 也从美国政府取得了发射许可，有望在2023 年初实现首次入轨飞行试验。改进之后猛禽- 2（Raptor - 2）发动机性能大幅提升，燃烧室压力达到30MPa，推力从180t 提升至230t。尽管2022 年猛禽- 2 出现多次试车事故，但是每周7 台的高产能却足以支撑其快速改进和优化。

超重-星舰S24 样机在星基地试车（来源：SpaceX）

与此同时，NASA 咨询委员会在“‘阿尔忒弥斯’（Artemis）任务概述”中明确2031 年前将有7 次SLS 重型火箭发射任务以及至少2 次超重- 星舰发射，而NASA 的新版“月球到火星目标”和欧洲航天局（ESA）的“新世界”空间探索路线图（Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap）则使得深空探索路径更加清晰，核动力、空间运输、在轨低温流体管理等新技术也备受关注。美国“阿尔忒弥斯协定”（Artemis Accord）签约国扩展到22 个，美国将联合欧洲、日本等国家，以SLS 重型火箭为探索深空的主要力量，以完全重复使用且运载能力超百吨的超重- 星舰新型运输系统谋求低成本深空往返能力，将航天探索推向深空。

2 航天发射“航班化”运营初现端倪，复用技术或将成为新型火箭标配

SpaceX 公司全年利用3 个发射工位完成60 次猎鹰-9（Falcon-9）火箭发射，平均每周发射超过1 次，且全部取得成功。在60 次发射任务中：58次进行一子级回收全部成功，另外2 次因发射轨道需求以及子级复用接近上限而放弃回收；仅使用4 枚新制造一子级，其余56 次发射任务均采用复用一子级；B1058 一子级突破15 次的最大复用次数；B1062 一子级创下21 天的最短复用间隔；一子级平均复用间隔为94 天。上述数据不仅表明猎鹰-9 火箭的垂直起降复用技术愈发成熟，而且也初步显现出类似航班化运营的模式，新制造的硬件越来越少、复用次数越来越多、复用周期和间隔越来越短，检测维护投入更多。SpaceX 公司更关注复用准则的探索，通过振动试验验证重要部件的疲劳寿命能覆盖4 倍于15 次飞行任务的工作时长，建立三个级别复用检测维护准则，即每次任务后都进行的A 级检测、执行6-7 次飞行任务后的B 级定期维修、发射次数最多（13 次以上）和执行载人任务需进行C 级彻底维护。

“猎鹰”重型火箭两枚助推器同时返回着陆（来源：SpaceX）

由于猎鹰-9 在重复使用技术上的成功和突破，显著降低了发射价格，极大提升了火箭发射频率，并以此占据了大量的市场份额，迫使其他主流火箭也转向重复使用技术。联合发射联盟公司（ULA）在“火神”（Vulcan）火箭上坚持采用发动机部段伞降回收的方案，且为提高回收效率、降低操作成本，2022 年将直升机空中捕获环节取消，直接伞降到海上打捞回收，其伞降回收方案采用的充气式超声速减速装置也在宇宙神-5（Atlas-5）火箭11 月的发射任务中成功得到验证。欧洲政府机构和工业部门也都在积极推动重复使用技术发展，欧盟委员会和欧洲航天局都为“普罗米修斯”（Prometheus）液氧甲烷发动机和“塞米斯”（Themis）垂直起降验证机投资；阿里安集团（ArianeGroup）成立马伊亚航天公司（Maiaspace），专注于小型垂直起降重复使用火箭研制；阿里安集团在国际宇航联大会上提出“苏西”（Susie）重复使用轨道飞行器，以及阿里安-6（Ariane-6）后续向垂直起降重复使用方案发展的总体路径，两者结合实现完全重复使用的航天运输系统。日本也在和欧洲合作开展克里斯托垂直起降验证项目，计划在H3 未来改进和演进构型中引入重复使用技术。俄罗斯再次提出为安加拉-A5（Angara-A5）火箭采用集束式回收的方案，后续也可能实现助推器和芯一级的回收复用。

阿里安集团提出的“苏西”重复使用轨道飞行器（来源：阿里安集团）

除了主力型号外，美国火箭实验室（Rocket Lab）的“电子”（Electron）伞降回收一子级项目实现了直升机空中捕获的突破，虽然还没能完全将硬件带回，但已经对方案进行了验证。火箭实验室再度公布复用“中子”（Neutron）火箭详细方案，具有固定式着陆支架充当发射支撑、整流罩与一子级连接且同时回收等特点。相对论航天公司（Relativity Space）的地球人-R（Terran-R）重复使用运载火箭项目在2022 年已经启动了复用火箭发动机试车工作，尽管地球人- 1 小火箭仍未首飞，但该公司很可能会快速转换到新的重复使用中型火箭上。

宇宙神-5 火箭发射（来源：ULA）

3 现役主力火箭库存即将用尽，新型号研制推迟对更新换代产生影响

国外现役主力火箭正在完成最后的任务，库存数量都已经明确。根据美国国会要求，采用俄罗斯RD-180 发动机的宇宙神-5 火箭在2022 年后将不能用于国家安全发射任务，剩余的20 枚宇宙神-5 火箭将主要用于商业发射任务，即亚马逊公司的“柯依伯”（Kuiper）低轨卫星星座建设。联合发射联盟公司的德尔他-4H（Delta-4H）火箭还剩余2次发射任务，将在2024 年正式退役。俄罗斯质子-M（Proton-M）火箭的制造在2022 年结束，在退役之前还有13 枚火箭可供使用。欧洲的阿里安-5（Ariane-5）火箭在2022 年完成3 次发射任务后，仅剩余2 枚可供使用。

然而，国外新型主力运载火箭都遭遇比较严重的推迟情况，原本计划2020 年前后启动的新老主力型号更新换代，都推迟到了2023 年或之后。联合发射联盟公司用于替代宇宙神- 5 和德尔他- 4H 的“火神”火箭因BE-4 液氧甲烷发动机研制不顺利，以及上面级制造等问题，已经将首飞推迟到2023 年第一季度，而要实现2023 年执行美国国家安全发射任务的目标，该火箭还需要先完成2 次飞行任务来证明其可靠性。俄罗斯的新型安加拉- A5 火箭已经完成了3 次试验飞行任务，但在2021 年底的第三次发射任务中遭遇失利，未来接替质子号-M 的时间仍未可知。俄罗斯的新型联盟-5（Soyuz-5）火箭大量采用成熟技术，2022 年完成RD-171MV主发动机鉴定，RD-0124MS 试车创下该型发动机最高比冲记录，箭体结构试验稳步推进，但是首飞瞄准2024 年，也存在较大不确定性。欧洲在2022年启动了阿里安-6 火箭在新发射工位的靶场合练，解决了低温脐带臂的技术问题，但是首飞时间再推迟到2023 年四季度，很可能和阿里安-5 火箭之间产生空窗期。日本因H3 火箭芯一级LE-9 主发动机涡轮泵和燃烧室设计问题，花费两年多时间进行设计更改和地面试车鉴定后，2022 年11 月在发射台完成首飞箭的射前静态点火试车。（2023 年2 月17 日，H3 火箭发射失利。- 编者注）

尽管国外主力型号的改进升级均有较好的研制基础，但是新型发动机、新发射设施等新方案和新技术的引进仍造成了很多问题，导致首飞时间不断推迟，对更新换代产生了比较严重的影响，也在很大程度上说明火箭研制的难度和风险。

阿里安-6 地面合练箭完成总装（来源：ESA）

4 商业航天过于追求低成本，小型火箭遭遇多次失利

2022 年，国内外共出现8 次失利或部分成功的情况，全部都是小型运载火箭。美国创企阿斯特拉航天公司（Astra Space）的火箭-3（Rocket-3）在2022 年连续遭遇2 次失利，从2020 年首飞以来7 次发射5 次失利，尽管以795 万美元3 次发射的低价获得NASA 合同，但可靠性和成功率极低，远未达到以极高频率发射带动火箭批产而降低成本的目标，加之火箭运载能力太低，该公司被迫改变发展路线，宣称研制运载能力更大的火箭-4（Rocket-4）。但公司股价已经跌破1 美元，面临退市风险，发展前景堪忧。印度“小型卫星运载火箭”（SSLV）同样以推动本国商业航天发展为目标，报价380-440 万美元，但首飞因飞控系统判断逻辑和加速度传感器故障遭遇失利。美国萤火虫航天公司（Firefly Aerospace）的“萤火虫阿尔法”（Firefly Alpha）火箭在2021 年首飞失利后，2022 年第二次发射也未能将载荷送入预定轨道，只取得部分成功。显然，在商业航天快速发展的时代背景下，过于追求低成本，一定程度上忽视了航天发射活动的高风险性，势必对可靠性产生不利影响。

另外，欧洲织女星-C（Vega-C）火箭首飞成功（但第二次发射遭遇失利），韩国航天运载火箭-Ⅱ（KSLV-Ⅱ）第二次发射取得成功破解首飞失利的困境，美国RS1 和地球人-21 火箭，欧洲的奥格斯堡火箭工厂一号（RFA-1）、“光谱”（Spectrum）、“一流”（Prime）等多个小型火箭也将在2023 年首飞，近年来的小火箭发展热潮正在孕育出更多新型号。但是以火箭-3 连续遭遇2 次失利的典型情况，更能代表小型火箭发展所面临的困境，所以火箭实验室、相对论航天等公司都提出了重复使用的大中型火箭研制计划，在发展路线和火箭构型上非常类似于SpaceX公司先发展猎鹰-1 小火箭、再发展多发动机并联的重复使用猎鹰-9 火箭，小型火箭成为验证商业公司火箭研发能力的试验田。

5 俄航天反制裁措施效果显著，凸显自主进入空间能力价值

2022 年俄乌间爆发战争冲突，美欧对俄罗斯发起严格的政治经济制裁，俄罗斯在航天优势领域进行了有效的反制，特别是运载火箭及火箭发动机技术合作项目上的反制，给美国和欧洲产生重要影响。首先，俄罗斯停止与欧洲航天局在圭亚那航天发射场发射联盟- ST 火箭的合作项目，欧洲各国政府及相关机构的重要载荷，例如“伽利略”（Galileo）导航卫星、法国“光学空间组件”（CSO）侦查卫星等发射任务受到严重影响，欧洲不得不向美国SpaceX 公司寻求发射机会。其次，俄罗斯不再用联盟- 2 火箭为英国一网公司（Oneweb）提供发射服务，欧洲阿里安航天公司（Arianespace）与一网公司的剩余6 次发射任务面临违约赔偿，一网公司则被迫向竞争对手SpaceX 公司以及印度寻求发射机会，发射其剩余卫星，完成一期星座部署。另外，韩国的2 次原计划利用俄罗斯联盟- 2 火箭和安加拉- A5 火箭发射的任务也被取消，韩国正在增加经费从其他国家寻求发射机会。最后，俄罗斯停止向美国联合发射联盟公司提供RD - 180 的技术支持，且不再为美国诺格公司提供RD - 181 发动机。虽然联合发射联盟公司的宇宙神- 5 火箭受影响较小，但安塔瑞斯（Antares）一子级缺少发动机后，诺格公司不得不选择与美国创企萤火虫航天公司合作研制新的一子级。在新的一子级交付之前，为解决暂时的发射缺口，诺格公司也只能向竞争对手SpaceX 公司求助，利用猎鹰- 9 火箭发射“天鹅座”（Cygnus）飞船。显然，俄罗斯简单的几项反制措施，产生了一系列反应，尤其是欧洲缺乏完善自主进入空间能力的缺陷暴露无遗。

6 结束语

航天运输系统是进入空间的基础，决定着进入空间的能力，而进入空间的能力又决定着如何利用空间，决定一个国家能够在太空中走多远。2022 年，世界航天发射活动再创新高，而且重型运载火箭和重复使用技术都有了新突破，预示未来仍有更大的能力提升空间。伴随着航天运输系统技术成熟、成本下降，将会带动更大规模、更大范围的空间活动，推动航天经济和航天活动迈上新的台阶。