2017年國外航天運載器發(fā)展分析

楊 開，曲 晶，才滿瑞

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2017年國外航天運載器發(fā)展分析

楊 開，曲 晶，才滿瑞

（北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

2017年，全球航天發(fā)射活動穩(wěn)步增長，商業(yè)航天公司發(fā)射次數(shù)大幅提高。各國積極發(fā)展下一代大中型運載火箭、快速響應小型運載火箭和載人深空探索的重型運載火箭，繼續(xù)研究和驗證火箭動力、吸氣動力的可重復使用運載器，并對2017年度國外航天運載器進行了回顧和分析，最后對2018年國外運載器的發(fā)展進行了展望。

運載器；航天發(fā)射；2017年

0 引 言

2017年，世界航天發(fā)射較為活躍，全球共執(zhí)行91次發(fā)射任務[1]，與2016年85次相比有所提升。91次發(fā)射中，完全成功84次，部分成功1次，失敗6次，成功率92.3%。其中：美國29次、俄羅斯19次、中國18次、歐洲11次、日本7次、印度5次、新西蘭1次、伊朗1次。

1 新型運載火箭研制步伐加快，滿足日益激烈的市場競爭是主要研制目標

目前，各國主要依靠20世紀90年代后期到21世紀初研制的新一代運載火箭承擔政府和商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射任務。但面對以SpaceX公司為代表的商業(yè)運載火箭競爭，主要航天國家正在研制下一代大中型運載火箭，提高任務適應性、降低發(fā)射成本和縮短發(fā)射周期。

2017年，美國空軍發(fā)布改進型一次性運載火箭發(fā)射服務協(xié)議，招標研制下一代運載火箭，擺脫俄羅斯制造的RD-180發(fā)動機，確保滿足美國國家安全需求。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的火神火箭和軌道ATK公司的“下一代發(fā)射系統(tǒng)”都會參與競爭?；鹕窕鸺齻溥x的BE-4液氧/甲烷發(fā)動機和AR-1液氧/煤油發(fā)動機取得重要進展。BE-4推力2400 kN，于2017年10月進行首次試車。AR-1推力2200 kN，于2017年5月完成關鍵設計評審，并開展全尺寸預燃器試驗。軌道ATK公司在2017年初公布“下一代發(fā)射系統(tǒng)”的具體方案：采用三子級構型，一、二子級為固體級，三子級為低溫氫氧級，地球同步轉移軌道運載能力為5.25～8.5 t。

俄羅斯現(xiàn)役聯(lián)盟號U火箭在成功發(fā)射進步號MS-05貨運飛船之后宣布退役。能源公司在2017年提出新的聯(lián)盟號5火箭方案，火箭直徑4.1 m，一子級采用天頂號火箭使用的RD-171M發(fā)動機的改進型，二子級采用聯(lián)盟號2-1b上使用的RD-0124，三子級使用Block DM系列上面級，未來將采用天頂號火箭在拜科努爾的發(fā)射工位[2]。該方案已得到俄羅斯政府認可，并完成了初步設計評審。聯(lián)盟號5主要基于現(xiàn)有技術基礎設計，既能快速投入使用，又能大幅降低成本，其發(fā)射成本可降至5500萬美元。俄羅斯表示現(xiàn)在已經(jīng)具備火箭制造能力，同時正在對發(fā)射設施進行改建，計劃2022年首飛。聯(lián)盟號5受到重視的原因包括多方面：a）將用于發(fā)射新型聯(lián)邦載人飛船；b）將替代天頂號火箭，擺脫對烏克蘭的依賴；c）發(fā)射成本低，在商業(yè)發(fā)射市場具有較強的競爭力。

歐洲下一代運載火箭阿里安6首飛箭開始制造。2017年完成了2個重要評審節(jié)點：a）6月完成成熟度節(jié)點6.1評審，驗證了阿里安6火箭的技術特點，評估了項目的工業(yè)組織和項目規(guī)劃，開始進行地面鑒定樣機的制造；b）12月完成成熟度節(jié)點6.2的評審，確定阿里安6火箭的工業(yè)流程足夠成熟，開始進行首飛火箭的制造[3]，實現(xiàn)2020年首飛目標。為了滿足發(fā)射大中型載荷的需求，阿里安6火箭分為2個型號，阿里安62火箭起飛質量530 t，可以將4.5 t的衛(wèi)星送入地球同步轉移軌道，或將質量7 t的衛(wèi)星送入800 km的太陽同步軌道；阿里安64火箭起飛質量860 t，可將12 t的載荷送入地球同步轉移軌道，還能將20 t的載荷送入近地軌道。阿里安62和阿里安64火箭的發(fā)射報價分別為7500萬和9000萬歐元，比現(xiàn)役的阿里安5火箭低很多，商業(yè)競爭力明顯提高。

日本H-3火箭動力系統(tǒng)開始試車。2017年，H-3火箭項目已開展LE-9主發(fā)動機和LE-5B-3上面級試車，進行了LE-9發(fā)動機渦輪泵試驗，對固體助推器SRB-3開展全尺寸殼體強度試驗。日本在H-3火箭的研制中強調降低成本，采取的具體措施包括簡化設計、減少零部件數(shù)量、采用新工藝、繼承成熟技術等，目標是將H-3火箭的成本降至現(xiàn)役H-2A火箭的一半，即4430萬美元。同時，還要縮短H-3發(fā)射周期，實現(xiàn)30天內發(fā)射2次，每年可執(zhí)行10次發(fā)射任務，爭取更多商業(yè)發(fā)射機會[4]。H-3火箭一子級使用2臺或3臺LE-9發(fā)動機，地球同步轉移軌道運載能力為6.5 t以上，預計2020年首飛。

印度新型地球同步軌道衛(wèi)星運載火箭GLSV-MK3 在2017年6月5日成功進行了首飛，將3136 kg的GSAT-19衛(wèi)星送到地球同步轉移軌道，使印度地球同步轉移軌道運載能力提升至4 t，近地軌道運載能力提升至10 t。該火箭于2002年開始研制，芯級直徑4 m，采用兩級捆綁結構，一子級采用常溫推進劑，以Vikas發(fā)動機為動力，捆綁2枚S200固體助推器；二子級為印度自主研制的C25低溫上面級。其中，固體助推器單臺推力6000 kN，上面級氫氧發(fā)動機推力200 kN，體現(xiàn)印度在固體推進技術和低溫推進技術方面的快速進步。

重型運載火箭方面，美國新型航天發(fā)射系統(tǒng)首飛推遲到2019年底。2017年12月17日，特朗普簽署新版國家航天政策指令，正式要求NASA重返月球，并最終前往火星[5]。雖然深空探索戰(zhàn)略稍有調整，包括取消小行星重定向任務，但探索火星的遠期目標沒有改變。2017年，SLS重型運載火箭的過渡性低溫上面級已交付至肯尼迪航天中心，首飛箭芯級結構已制造完成，RS-25芯級發(fā)動機完成8次試車。但在2017年11月，NASA宣布其首飛時間至少推遲至2019年12月。除研制難度造成的影響以外，經(jīng)費預估不足也是重要原因，因此NASA在2018財年預算案中為SLS申請的經(jīng)費超過19億美元[6]，遠超以往的13～14億美元。

俄羅斯在《2016-2025聯(lián)邦航天計劃》中提出“研制重型運載火箭關鍵部件”，為此能源公司提出以聯(lián)盟號5為基礎的重型火箭[7]。能源公司希望采取漸進式的發(fā)展途徑獲得政府支持。該方案以聯(lián)盟號5一子級作為芯級，通過捆綁5枚聯(lián)盟號一子級作為助推器，根據(jù)二、三、四子級的不同可形成2種重型火箭構型，近地軌道運載能力分別為108 t和88 t。目前，俄羅斯重型火箭方案尚未確定，預計首飛時間在2030年后。

2 商業(yè)火箭項目發(fā)展迅猛，一子級回收走向常態(tài)化

商業(yè)航天公司不僅爭奪商業(yè)發(fā)射市場，也在攫取政府發(fā)射合同，不僅創(chuàng)新實現(xiàn)火箭回收復用還向重型運載火箭、深空探索方向快速推進。

SpaceX公司年發(fā)射次數(shù)創(chuàng)新高，一子級回收成常態(tài)。2017年，SpaceX公司的法爾肯9火箭共執(zhí)行了18次發(fā)射任務，占美國總發(fā)射次數(shù)的2/3，尤其是發(fā)射國防部軍事衛(wèi)星和空軍秘密載荷X-37B，打破了聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司對于政府軍事載荷發(fā)射的壟斷。在18次發(fā)射任務中，有14次嘗試回收一子級并全部取得成功，一子級回收已常態(tài)化。3月30日，該公司首次利用回收的一子級成功實現(xiàn)火箭復用[8]，全年采用復用一子級執(zhí)行發(fā)射5次，占比接近1/3。已有客戶主動提出愿意采用復用火箭發(fā)射，說明其成本和價格將會更低。

法爾肯9一子級回收涉及的關鍵技術包括：大范圍變推力能多次重啟的可重復使用發(fā)動機技術、高可靠輕質的著陸緩沖機構技術、精確返回飛行與安全著陸控制技術以及返場快速檢測與維護技術等。通過一子級回收復用雖然可以降低硬件成本，但也要為此犧牲很大一部分運載能力，根據(jù)SpaceX公司官方的數(shù)據(jù)推測，法爾肯9火箭一子級回收大約損失了40%的運載能力。當發(fā)射較大質量有效載荷進入地球同步轉移軌道時，SpaceX公司不得不放棄回收一子級。

藍色起源公司利用全新的新謝帕德亞軌道飛行器成功開展1次飛行試驗，飛行高度約100 km，截止2017年底已完成7次垂直起降飛行試驗，除第1次助推級回收失敗外，其余全部成功。藍色起源公司還在研制可執(zhí)行軌道發(fā)射任務的新格倫火箭，火箭采用兩級或三級構型，直徑7 m，一、二子級分別使用7臺和1臺BE-4液氧/甲烷發(fā)動機，近地軌道運載能力高達45 t，該火箭沿用新謝帕德亞軌道飛行器的垂直起降重復使用技術。2017年，新格倫火箭整流罩直徑由5.4 m提高至7 m，并獲得2份商業(yè)發(fā)射訂單。維珍銀河公司的太空船2號完成多次無動力滑行飛行試驗，驗證了飛行器的結構和操縱裝置，后續(xù)將開展有動力飛行試驗。太空船2號采用白騎士2號載機空射，利用固液混合動力進入亞軌道，最后滑行返回地面。藍色起源公司和維珍銀河公司計劃在2018年開始亞軌道太空旅游業(yè)務的商業(yè)運營。

3 小型運載火箭成為新的熱點，低成本快速響應是主要需求動因

在小衛(wèi)星快速發(fā)展以及快速響應進入空間需求的牽引下，國外多個小型運載火箭研制項目取得重要進展，成為航天運載領域發(fā)展的新熱點。

由美國火箭實驗室公司研制的電子號火箭在2017年5月25日完成首飛，以失敗告終，但火箭設計得到了驗證[9]。飛行中火箭按原計劃完成了一子級點火、級間分離、二子級點火和整流罩分離程序，但未能按計劃實現(xiàn)入軌目標，失敗原因是由于火箭遙測信號中斷，導致遙測信號中斷的原因是公司的第三方發(fā)射支持商對地面設備的配置有誤，從而造成“接收位置數(shù)據(jù)大面積損壞”，導致數(shù)據(jù)丟失，迫使安全員觸發(fā)火箭飛行中止系統(tǒng)。未受到該事故影響的獨立遙測信號顯示，火箭在飛行中止前一直飛行正常，如果繼續(xù)飛下去可以進入預定軌道。電子號火箭使用的盧瑟福發(fā)動機以電動泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的渦輪泵，簡化了發(fā)動機結構，同時大量采用3D打印技術進行生產(chǎn)制造，大幅縮短制造時間，可在24 h內完成1臺發(fā)動機的制造。電子號火箭在結構上采用復合材料，盡管箭體尺寸小，但仍保證較為合理的箭體結構系數(shù)。為了實現(xiàn)快速響應發(fā)射，火箭實驗室公司已為其在新西蘭的發(fā)射場獲取了每72 h進行一次發(fā)射的許可。電子號火箭的太陽同步軌道運載能力為150 kg，發(fā)射成本為490萬美元。

維珍軌道公司研制的運載器1號是一型機載空射兩級液體小型運載火箭，太陽同步軌道運載能力為300 kg，發(fā)射成本不超過1000萬美元。利用空中發(fā)射機動便捷的優(yōu)勢，將大幅提高快速響應能力，2020年將實現(xiàn)每月完成2次發(fā)射的目標。2017年，維珍軌道公司開展多次發(fā)動機長程試車，一、二子級的牛頓3和牛頓4液氧/煤油發(fā)動機得到充分驗證；開展了箭體結構試驗，并對整箭進行了加注和裝配試驗；同時完成了波音747載機的改裝及飛行驗證。

日本宇宙研究開發(fā)機構（Janpan Aerospace Exploration Agency，JAXA）研制的SS-520小型火箭在2017年1月15日首飛失敗。后續(xù)調查發(fā)現(xiàn)是由于箭上電線受損短路導致電源中斷，遙測信號丟失，未發(fā)送二子級點火指令，使得星箭墜入日本海域。SS-520是JAXA低成本小型火箭研制計劃的一部分，通過采用民用電子器件，大幅降低成本，以促進本土小型火箭的研制活動。該火箭是目前世界上運載能力最小的火箭，近地軌道運載能力約為4 kg，發(fā)射成本低于500萬美元。

4 帶翼可重復使用運載器仍是終極目標，當前以軍方技術驗證為主

在商業(yè)公司積極推進垂直回收重復使用火箭技術的同時，美國軍方仍在持續(xù)開展帶翼可重復使用運載器的研究和試驗，在航天飛機的技術基礎上，降低發(fā)射成本，提高快速響應能力。

美國國防部預先研究計劃局（Defence Advanced Research Projects Agency，DARPA）2017年5月選擇波音公司作為試驗性太空飛機（XS-1）項目第2、3階段的主承包商，并為其提供1.46億美元的研制經(jīng)費[10]。波音公司的XS-1方案被稱為“鬼怪快車”，主動力系統(tǒng)將以航天飛機主發(fā)動機為基礎進行改進。第2階段要在2019年前完成技術驗證飛行器的設計、制造和試驗，同時還要為其發(fā)動機完成10天內10次地面點火試車的目標。第3階段將從2020年開始進行飛行試驗，最終以馬赫數(shù)為10的速度實現(xiàn)10天內飛行10次的目標，同時還將400～1360 kg的載荷送入軌道。XS-1作為帶翼重復使用技術驗證項目，之所以持續(xù)受到軍方重視，主要是因為其快速響應能力，而且該飛行器還可以作為高超聲速飛行試驗的平臺。

DARPA的另一項創(chuàng)新計劃——英國噴氣發(fā)動機公司的佩刀（SABRE，協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機）發(fā)動機投資。佩刀發(fā)動機可用于未來的兩級入軌或單級入軌空天飛機。除DARPA外，美國空軍此前也曾提出基于佩刀的兩級入軌可重復使用運載器方案。

5 液氧/甲烷火箭發(fā)動機取得突破，組合循環(huán)發(fā)動機受到重視

液氧/甲烷火箭發(fā)動機具有可重復使用、成本低、無毒無污染、使用維護方便等特點，未來將成為一次性使用運載火箭和可重復使用運載器推進系統(tǒng)的重要選擇方案。組合循環(huán)發(fā)動機能夠最大限度發(fā)揮不同動力的優(yōu)點，具備工作范圍寬、平均比沖高、使用靈活便捷等技術特點，盡管研制難度較大，但一直受到各國的重視。

美國私營的藍色起源公司和SpaceX公司都在研制和試驗液氧/甲烷發(fā)動機。藍色起源公司的BE-4發(fā)動機采用分級燃燒循環(huán)方式，燃燒室壓力13.4 MPa，海平面推力2400 kN，可重復使用25次，計劃用于該公司的新格倫火箭和聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的火神火箭。2017年，藍色起源公司對BE-4發(fā)動機的動力總成組件進行了多次點火試驗，評估發(fā)動機存在的技術風險。第1臺BE-4液氧/甲烷發(fā)動機已裝配下線，并在10月完成時長3 s，推力水平為50%的短時試車，證明了系統(tǒng)設計的可行性。SpaceX公司研制的猛禽液氧/甲烷發(fā)動機將用于超重法爾肯火箭（Big Falcon Rocket，BFR）上，該發(fā)動機采用全流量分級燃燒循環(huán)，燃燒室壓力25 MPa，海平面推力1700 kN，真空推力1900 kN，節(jié)流能力20%～100%。歐空局也非常重視液氧/甲烷發(fā)動機的預研，2017年6月同阿里安航天集團簽訂了普羅米修斯液氧/甲烷發(fā)動機的研制合同，將投入約9100萬美元的經(jīng)費，目標要在2020年開始進行試車，到2030年左右投入使用[11]。該發(fā)動機的目標成本為單臺110萬美元，是現(xiàn)役火神2.1液氫/液氧發(fā)動機成本的1/10。另外，歐空局還為織女星火箭未來改進型號——織女星E火箭投入資金，研制液氧/甲烷上面級。

組合動力方面，英國噴氣發(fā)動機公司在2017年5月稱正在搭建一座試驗設施，將用于佩刀發(fā)動機1/4縮比驗證機的第1次地面試驗。9月，美國DARPA向噴氣發(fā)動機公司授予合同，支持該公司在美國建設試驗設施，開展佩刀發(fā)動機預冷器樣機的高溫氣流試驗，用于考核預冷器在馬赫數(shù)為5高溫高速氣流條件下的性能。DARPA還在2017年授予軌道ATK公司一份價值2144萬美元的研究合同，用于先進全速域發(fā)動機項目的系統(tǒng)設計、部件研發(fā)以及地面演示驗證。

6 展 望

展望2018年，全球發(fā)射次數(shù)預計將達百次以上。SpaceX公司的發(fā)射次數(shù)將為30次，可靠性和安全性成為影響高密度發(fā)射成敗的關鍵影響因素；法爾肯重型火箭將在2018年迎來首秀，成為現(xiàn)役運載能力最大的火箭；運載器1號、電子號、SS-520等小型火箭將在2018年投入使用，開始執(zhí)行商業(yè)發(fā)射任務；波音公司和SpaceX公司還將在2018年分別利用宇宙神5火箭和法爾肯9火箭執(zhí)行載人飛船發(fā)射任務；SLS重型火箭項目將在2018年完成首飛箭芯級和助推器的交付，準備進行總裝集成；NASA將根據(jù)新的重返月球計劃為重型火箭制定更明確的規(guī)劃，同時還將開展商業(yè)及國際合作，共同促進深空探索的發(fā)展。

[1] Krebs G. Orbital launches of 2017[EB/OL]. (2017-12-27) [2017-12-31]. http://space.skyrocket.de/doc_chr/lau2017.htm.

[2] Zak A. Preliminary design for Soyuz-5 races to completion[EB/OL]. (2017-12-12) [2017-12-12]. http://www.russianspaceweb.com/soyuz5-lv-2017.html.

[3] Ariane Group. Ariane group to start production of the first Ariane 62[EB/OL]. (2017-12-18) [2017-12-18]. https://www.ariane.group/en/news/ ariane6-production-en/.

[4] 楊開. 2017年國外航天運輸系統(tǒng)發(fā)展綜述[J]. 國際太空, 2018, 470(2): 57-63.

Yang Kai. 2017 year in review: foreign space vehicle[J]. Space International, 2018, 470(2): 57-63.

[5] House W. America will once again reach for the Moon-and Beyond[EB/OL]. (2017-12-13) [2017-12-13].https://www.whitehouse.gov/articles/america-will-reach-moon/.

[6] National Aeronautics and Space Administration. FY budget estimates 2018[EB/OL]. (2017-5-23) [2017-5-23].https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/fy_2018_budget_estimates.pdf.

[7] Zak A. Russia charts new roadmap to super-heavy rocket[EB/OL]. (2017-11-24) [2017-11-24]. http://www.russianspaceweb.com/superheavy-2017.html.

[8] Space Exploration Technologies Corp. World's first reflight of an orbital class rocket [EB/OL]. (2017-3-30) [2017-3-30]. http://www.spacex.com/news/2017/03/30/worl.

[9] Rocket Lab. Rocket lab electron 'Its a Test' flight successfully makes it to space[EB/OL] (2017-5-25) [2017-5-25]. https://www.rocketlabusa.com/news/updates/rocket-lab-successfully-makes-it-to-space-2/.

[10] DARPA. DARPA picks design for next-generation spaceplane[EB/OL]. (2017-5-24) [2017-5-24]. https://www.darpa.mil/news-events/2017-05-24.

[11] European Space Agency. Prometheus to power future launchers[EB/OL]. (2017-12-14) [2017-12-14]. http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Transportation/Prometheus_to_power_future_launchers/(print).

Analyse of World Launch Vehicle Development in 2017

Yang Kai, Qu Jing, Cai Man-rui

(Beijing Institute of Aerospace Long March Scientific and Technical Information, Beijing, 100076）

The global space launch activities grow up steadily in the year of 2017, and the orbital launches by commercial companies increase substantially. Next generation medium-large launch vehicles, small responsive launch vehicles and heavy launch vehicles are being developed around the world. The reusable launch vehicles using rocket engines and combined-cycle engines are being under research. This paper mainly reviews and analyses the development of forgein launch vehicles in 2017, and makes a forecast of 2018 in the end.

Launch vehicles; Space launch; 2017

1004-7182(2018)01-0032-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20180106

V47

A

2017-01-15

楊 開（1987-），男，工程師，主要研究方向為航天科技信息研究