全球航天運(yùn)載器發(fā)展回顧

龍雪丹 曲晶 解曉芳 楊開(kāi) 秦旭東

（1 北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所 2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

全球航天運(yùn)載器發(fā)展回顧

2016 Year in Review: World Space Vehicles

龍雪丹1曲晶1解曉芳1楊開(kāi)1秦旭東2

（1 北京航天長(zhǎng)征科技信息研究所 2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

2016年，世界航天活動(dòng)異彩紛呈，私營(yíng)航天企業(yè)蓬勃發(fā)展。全球共執(zhí)行85次航天發(fā)射，共將209個(gè)航天器送入軌道。新型航天運(yùn)載器的研制和發(fā)射場(chǎng)的建設(shè)如期實(shí)施，以火箭一子級(jí)垂直起降為代表的重復(fù)使用技術(shù)取得突破性進(jìn)展。

1 發(fā)射情況

2016年，全球在85次航天發(fā)射中，中國(guó)和美國(guó)以22次并列第一，俄羅斯和歐洲分別以19次和9次，位列三、四位，緊隨其后的分別為印度7次、日本4次、朝鮮1次、以色列1次。

火箭家族增添新成員，更新?lián)Q代首飛均獲成功

長(zhǎng)征－5、7兩型新火箭投入使用，拉開(kāi)了中國(guó)運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的序幕。2016年6月25日，中國(guó)新一代中型火箭長(zhǎng)征－7完成首秀，為后續(xù)載人航天工程推進(jìn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?；鸺哂薪剀壍?3.5t、700km太陽(yáng)同步軌道5.5t的運(yùn)載能力，采用無(wú)毒、無(wú)污染推進(jìn)劑。11月3日，長(zhǎng)征－5在海南文昌發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空，準(zhǔn)確將有效載荷送入預(yù)定軌道，首次任務(wù)取得圓滿成功，使中國(guó)運(yùn)載火箭步入世界前列，是中國(guó)從航天大國(guó)邁向航天強(qiáng)國(guó)的重要支撐和顯著標(biāo)志之一。長(zhǎng)征－5系列運(yùn)載火箭采用模塊化、通用化、系列化設(shè)計(jì)，近地軌道運(yùn)載能力覆蓋10～25t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為6～14t。

4月28日，俄羅斯新型聯(lián)盟－2.1a/“伏爾加”（Soyuz－2.1a/Volga）從東方航天發(fā)射場(chǎng)首飛，將3顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。同時(shí)，本次發(fā)射還標(biāo)志著該發(fā)射場(chǎng)正式投入使用，它是俄羅斯境內(nèi)首個(gè)民用航天發(fā)射場(chǎng)，可保障俄羅斯完全自主地開(kāi)展航天活動(dòng)。目前，該發(fā)射場(chǎng)一期建設(shè)接近尾聲，二期建設(shè)已獲得批準(zhǔn)，預(yù)計(jì)2023年前完成全部基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。

10月18日，美國(guó)軌道-ATK公司的安塔瑞斯－230（Antares－230）火箭成功首飛，這也是“安塔瑞斯”自2014年10月28日發(fā)射失敗后的首次飛行。一子級(jí)改用RD－181發(fā)動(dòng)機(jī)替代AJ－26，在提升火箭動(dòng)力系統(tǒng)可靠性的同時(shí)提高了運(yùn)載能力?；鸺痫w質(zhì)量298t，高200km、傾角38°圓軌道的運(yùn)載能力接近7t，600km太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力約為2.1t。

美國(guó)太空探索技術(shù)公司回收的獵鷹－9火箭

12月20日，日本“艾普斯龍”（Epsilon）增強(qiáng)型火箭完成首飛，其太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力從450kg增加到590kg。該火箭的改進(jìn)目標(biāo)是增加火箭運(yùn)載能力，滿足小型衛(wèi)星市場(chǎng)的需求，增加載荷可用空間，同時(shí)還增加發(fā)射頻率，以便未來(lái)增強(qiáng)該火箭在商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

美俄火箭遭遇失利，航天發(fā)射蒙上陰影

航天發(fā)射是一項(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)活動(dòng)，任何國(guó)家都無(wú)法保證100%的成功率。

2 0 1 6年9月1日，美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon-9）火箭攜帶以色列阿莫斯－6（Amos－6）衛(wèi)星在發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行點(diǎn)火試驗(yàn)，由于浸泡在超低溫推進(jìn)劑中的高壓氦氣瓶出現(xiàn)問(wèn)題引發(fā)爆炸，火箭和衛(wèi)星一同被炸毀，發(fā)射臺(tái)嚴(yán)重受損，衛(wèi)星價(jià)值約2億美元。由于火箭爆炸造成發(fā)射計(jì)劃延期，國(guó)際移動(dòng)衛(wèi)星公司（INMARSAT）將以阿里安－5（Ariane－5）替換獵鷹－9執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射。針對(duì)故障原因，太空探索技術(shù)公司對(duì)發(fā)射前試驗(yàn)及加注流程進(jìn)行了改進(jìn)，并于2017年1月15日成功復(fù)飛。

12月1日，俄羅斯在聯(lián)盟－U火箭發(fā)射進(jìn)步MS－04（Progress MS－04）貨運(yùn)飛船任務(wù)中，船箭提前約140s分離，最終失敗。經(jīng)調(diào)查，發(fā)動(dòng)機(jī)組裝過(guò)程中的違規(guī)操作，導(dǎo)致三子級(jí)液氧泵吸入多余物而起火損壞，最終造成氧箱破裂成為失利的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

2 型號(hào)規(guī)劃與研制

各國(guó)重視航天政策制定，規(guī)劃未來(lái)型譜及技術(shù)發(fā)展

美國(guó)出版《重審美國(guó)航空航天局技術(shù)路線圖及優(yōu)先級(jí)（2016）》，對(duì)2015年版美國(guó)航空航天局（NASA）技術(shù)發(fā)展路線圖中新增的優(yōu)先發(fā)展技術(shù)進(jìn)行重新梳理，最終確定了未來(lái)需要給予重點(diǎn)關(guān)注的21項(xiàng)最高優(yōu)先級(jí)技術(shù)。

俄羅斯出臺(tái)《2016－2025年聯(lián)邦航天計(jì)劃》，歷經(jīng)多次修改后，總預(yù)算由27000億盧布縮減至14000億盧布，運(yùn)載火箭型譜由原來(lái)的8個(gè)縮減至2個(gè)，分別為“聯(lián)盟”和“安加拉”（Angara）系列，載人登月推遲至2030年。

歐洲發(fā)布新版《歐洲航天戰(zhàn)略》，旨在加快航天發(fā)展、提升歐洲航天在全球的領(lǐng)先地位，強(qiáng)調(diào)繼續(xù)發(fā)展阿里安－6火箭和織女星－C（Vega－C）火箭，研發(fā)可重復(fù)使用和低成本發(fā)射技術(shù)。

重型火箭研制穩(wěn)步推進(jìn)，瞄準(zhǔn)未來(lái)載人深空探索

美國(guó)以火星探索任務(wù)為遠(yuǎn)期目標(biāo)的“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）項(xiàng)目，完成了五段式固體助推器的第二次地面鑒定試車。初步結(jié)果顯示，改進(jìn)后的助推器性能符合火箭總體要求；開(kāi)展了4次RS－25發(fā)動(dòng)機(jī)熱試車，飛行用發(fā)動(dòng)機(jī)1次，試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)3次，總時(shí)長(zhǎng)超過(guò)2400s，驗(yàn)證了航天飛機(jī)時(shí)代遺留下來(lái)的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和新型控制器的表現(xiàn)。芯級(jí)氫箱結(jié)構(gòu)件在米丘德工廠的垂直組裝中心上完成焊接，準(zhǔn)備運(yùn)抵試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)載荷試驗(yàn)；上面級(jí)試驗(yàn)件已安裝在試驗(yàn)臺(tái)上，即將進(jìn)行試驗(yàn)；用以支持火箭發(fā)射的地面系統(tǒng)也在同步進(jìn)行翻新和建設(shè)工作。雄心勃勃的太空探索技術(shù)公司公布了用于火星探索的完全重復(fù)使用的星際運(yùn)輸系統(tǒng)方案，近地軌道運(yùn)載能力預(yù)計(jì)在300～550t，目前已經(jīng)制造出12m直徑復(fù)合材料貯箱用于研發(fā)試驗(yàn)，“猛禽”（Raptor）發(fā)動(dòng)機(jī)也已完成首次點(diǎn)火試車。

俄羅斯穩(wěn)步推進(jìn)重型運(yùn)載火箭研制，預(yù)計(jì)耗時(shí)5～7年的時(shí)間，研制近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到120～160t的重型運(yùn)載火箭，以期2030年左右實(shí)施載人登月，為在月球建立基地鋪平道路。

新型號(hào)研制有序開(kāi)展，以降低成本、提高競(jìng)爭(zhēng)力為目標(biāo)

美國(guó)“火神”（Vulcan）火箭、歐洲阿里安－6、日本H－3火箭在2016年度通過(guò)初步設(shè)計(jì)評(píng)審，預(yù)計(jì)在2020年左右投入使用。

“火神”采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，芯級(jí)直徑5m，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約11t。在年發(fā)射10～20次的條件下，單發(fā)初始構(gòu)型“火神”的起步價(jià)為1億美元。隨后，“火神”將逐步應(yīng)用部分可重復(fù)使用技術(shù)，不斷降低發(fā)射成本，最終取代現(xiàn)役主力火箭宇宙神－5（Atlas－5）和德?tīng)査?（Delta－4）。

H－3火箭采用兩級(jí)構(gòu)型，可加裝2個(gè)或4個(gè)助推器，太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力為4t以上，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為6.5t以上，年發(fā)射次數(shù)有望達(dá)到6次，目標(biāo)是投入使用后使現(xiàn)有發(fā)射價(jià)格是以往的50%。

此外，韓國(guó)航空宇宙研究院（KARI）完成了75噸級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和7噸級(jí)上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的全工況試驗(yàn)。這兩型發(fā)動(dòng)機(jī)將用于羅老－2（KSLV－2）火箭上，研制成功后，有望使韓國(guó)在近地軌道衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)上擺脫對(duì)國(guó)外火箭的依賴，并打開(kāi)亞洲商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)。

微小型商業(yè)火箭迎來(lái)機(jī)遇，多家公司獲得商業(yè)訂單

隨著微小衛(wèi)星的快速發(fā)展，新興商業(yè)航天公司提出了多種微小衛(wèi)星專用火箭方案，采用更先進(jìn)的制造技術(shù)、更有效的自檢手段、更優(yōu)化的發(fā)射模式。

2016年，維珍銀河公司（Virgin Galactic）的發(fā)射器－1（LauncherOne）完成動(dòng)力系統(tǒng)和硬件在環(huán)試驗(yàn)，已獲得44次發(fā)射任務(wù)訂單。發(fā)射器－1為空射二級(jí)運(yùn)載火箭，其載機(jī)是改裝過(guò)的747－400飛機(jī)，低地球軌道運(yùn)載能力大于400kg。目前，發(fā)射器－1有充足的研制資金，預(yù)計(jì)在2017年下半年進(jìn)行試飛。該公司曾預(yù)估該火箭發(fā)射200kg有效載荷進(jìn)入太陽(yáng)同步軌道軌道的費(fèi)用低于1000萬(wàn)美元。

火箭實(shí)驗(yàn)室公司（RocketLab）的“電子”（Electron）火箭已簽訂4份發(fā)射合同，共計(jì)19次發(fā)射任務(wù)。該火箭可將150kg的有效載荷發(fā)射到500km的太陽(yáng)同步軌道，未來(lái)逐步實(shí)現(xiàn)每72h進(jìn)行1次發(fā)射任務(wù)，發(fā)射價(jià)格約490萬(wàn)美元。

重復(fù)使用方案多途并舉，垂直起降技術(shù)漸入佳境

美國(guó)藍(lán)色起源公司第4次成功進(jìn)行“新謝潑德”亞軌道飛行器回收試驗(yàn)

美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開(kāi)展的試驗(yàn)性太空飛機(jī)－1（XS－1）項(xiàng)目完成第一階段的可行性評(píng)估，進(jìn)入第二階段，準(zhǔn)備進(jìn)行樣機(jī)研制和試驗(yàn)。試驗(yàn)性太空飛機(jī)－1為火箭動(dòng)力帶翼水平返回著陸的亞軌道級(jí)，可通過(guò)攜帶一次性上面級(jí)將載荷送入軌道。2015年，美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）提出在“火神”火箭一子級(jí)傘降回收的基礎(chǔ)上，提出了二子級(jí)傘降回收的方案。太空探索技術(shù)公司成功完成5枚獵鷹－9火箭一子級(jí)的回收，并首次成功利用海上平臺(tái)回收一子級(jí)，證明有動(dòng)力垂直返回技術(shù)趨于成熟。藍(lán)色起源公司（Blue Origin）利用同一枚“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道旅游飛行器實(shí)現(xiàn)4次飛行和有動(dòng)力返回著陸，并提出了基于垂直起降技術(shù)的“新格林”（New Glenn）運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)方案。

良渚的鳥(niǎo)崇拜集中在鳥(niǎo)卵崇拜上。這主要體現(xiàn)在良渚玉器的獸面紋中兩只眼和鳥(niǎo)紋中的鳥(niǎo)身，均很像鳥(niǎo)卵。鳥(niǎo)是卵生動(dòng)物，一鳥(niǎo)能產(chǎn)很多卵，相比于哺乳類動(dòng)物，鳥(niǎo)的繁殖能力強(qiáng)得多。且鳥(niǎo)有翅膀，能飛，遠(yuǎn)較哺乳動(dòng)物神秘。也許，在良渚人看來(lái)，鳥(niǎo)就是神，或是神靈的使者。這樣說(shuō)來(lái)，良渚人崇拜鳥(niǎo)，包含有生殖崇拜和靈物崇拜兩個(gè)方面的內(nèi)涵。

印度也完成了帶翼“重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證機(jī)”（RLV-TD）的首次飛行試驗(yàn)，最大飛行速度馬赫數(shù)達(dá)5.2，最大飛行高度65km，驗(yàn)證了大攻角條件下從高超聲速飛行過(guò)渡至亞聲速飛行的受控下降段。帶翼“重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證機(jī)”不帶動(dòng)力裝置，利用HS9固體火箭助推器頂推發(fā)射。

3 啟示分析

可重復(fù)使用運(yùn)載器仍然是發(fā)展熱點(diǎn)

美國(guó)太空探索技術(shù)公司和藍(lán)色起源公司在火箭助推級(jí)或一子級(jí)垂直起降重復(fù)使用技術(shù)領(lǐng)域不斷取得突破，印度先后開(kāi)展了重復(fù)使用運(yùn)載器技術(shù)驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)、吸氣動(dòng)力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)。歐洲持續(xù)推進(jìn)單級(jí)入軌空天飛機(jī)“云霄塔”（SKYLON）的研制。

運(yùn)載火箭可重復(fù)使用技術(shù)途徑可分為三類∶利用火箭自身動(dòng)力系統(tǒng)垂直起降重復(fù)使用技術(shù)；采用無(wú)控降落傘（或可控翼傘）箭體回收重復(fù)使用技術(shù)；有翼飛回式水平降落重復(fù)使用技術(shù)。這3種回收與利用方式各有特點(diǎn)，均存在生存與發(fā)展的空間。

技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)濟(jì)實(shí)力是發(fā)展重型火箭的重要基礎(chǔ)

由于重型火箭的工程龐大，技術(shù)難度高，只有具備一定技術(shù)儲(chǔ)備和經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的獨(dú)立國(guó)家能夠開(kāi)展。從前期技術(shù)儲(chǔ)備來(lái)看，美國(guó)和俄羅斯具備一定的優(yōu)勢(shì)，但從經(jīng)濟(jì)實(shí)力上分析，只有美國(guó)和中國(guó)具備實(shí)施的可能。因此，這就是為什么美國(guó)和中國(guó)具有較為長(zhǎng)遠(yuǎn)和可行的重型運(yùn)載火箭發(fā)展規(guī)劃，而俄羅斯每年都拋出其新的重型運(yùn)載火箭方案，但遲遲看不到付諸實(shí)施行動(dòng)的原因。

低成本和高可靠是搶占商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的重要砝碼

近2年，低成本的獵鷹－9火箭一直是世界商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)的香餑餑，但2016年在地面靜態(tài)點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)發(fā)生爆炸，導(dǎo)致發(fā)射任務(wù)推遲，部分合同流失?？梢?jiàn)，發(fā)射可靠性對(duì)火箭完成商業(yè)發(fā)射任務(wù)有重要影響。

各航天大國(guó)均瞄準(zhǔn)低成本開(kāi)展下一代火箭研制，為進(jìn)一步提升國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。歐洲阿里安－64火箭按照運(yùn)載能力折算，發(fā)射價(jià)格甚至低于獵鷹－9火箭。俄羅斯在現(xiàn)有“質(zhì)子”（Proton）火箭的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制中型“質(zhì)子”火箭，進(jìn)一步搶占5t甚至更小的地球同步轉(zhuǎn)移軌道載荷發(fā)射市場(chǎng)。日本積極推進(jìn)新一代H－3火箭的研制，降低火箭發(fā)射成本、縮短發(fā)射準(zhǔn)備周期。H－3火箭光桿構(gòu)型發(fā)射成本是H－2A火箭的50%，在未來(lái)國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)中將擁有相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)力。

即將發(fā)射的印度地球同步衛(wèi)星運(yùn)載火箭－Mk3

4 未來(lái)展望

2017年，全球預(yù)計(jì)將進(jìn)行91次軌道發(fā)射，其中，中國(guó)計(jì)劃進(jìn)行28次發(fā)射。俄羅斯航天發(fā)射次數(shù)將翻倍。美國(guó)重型火箭將進(jìn)行設(shè)計(jì)鑒定，但隨著新政府的上臺(tái)，NASA可能會(huì)調(diào)整載人火星探索任務(wù)，提高月球任務(wù)的優(yōu)先級(jí)；太空探索技術(shù)公司的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭經(jīng)幾度推遲將迎來(lái)首次亮相。俄羅斯將繼續(xù)推進(jìn)更新?lián)Q代的步伐，聯(lián)盟－U火箭將在完成最后一次發(fā)射后退役。歐、日、印等國(guó)家加快新一代運(yùn)載火箭的研制工作，歐洲阿里安－6火箭研制工作即將全面展開(kāi)；日本H－3火箭將完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審；印度地球同步衛(wèi)星運(yùn)載火箭－Mk3（GSLV－Mk3）即將迎來(lái)首飛；韓國(guó)羅老－2有望于2017年完成研制。

未來(lái)，火箭型譜將更加全面，適應(yīng)能力更強(qiáng)，商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)供大于求，競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。重型火箭將得到更多關(guān)注和重視，載人深空探測(cè)預(yù)計(jì)在2030年左右得以實(shí)現(xiàn)。重復(fù)使用技術(shù)越來(lái)越受到商業(yè)公司的青睞，垂直起降技術(shù)即將進(jìn)入應(yīng)用階段。私營(yíng)公司將繼續(xù)以產(chǎn)業(yè)鏈思維開(kāi)展太空旅游、資源開(kāi)發(fā)、深空探索和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)等活動(dòng)。