2018年國外航天運載器發(fā)展分析

張綠云，曲 晶，龍雪丹，楊 開，才滿瑞

（北京航天長征科技信息研究所，北京，100076）

0 引 言

2018年，全球航天活動蓬勃發(fā)展，共執(zhí)行114次[1]發(fā)射任務，自1990年以來首次突破100次。114次發(fā)射中，完全成功110次，部分成功1次，失敗3次，完全成功率96.5%。其中：中國以39次發(fā)射首次躍居世界第一，主力型號長征三號甲系列、長征二號系列運載火箭各發(fā)射14次，長征十一號運載火箭3次以及民營公司的朱雀一號運載火箭（失?。┑龋幻绹?4次位列第二，空間探索技術公司（SpaceX）的法爾肯 9/法爾肯重型火箭發(fā)射 21次，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（United Launch Alliance）的宇宙神5和德爾它4火箭共發(fā)射 7次，以及安塔瑞斯、電子號火箭等；俄羅斯17次，主要包括聯(lián)盟號2（8次）、聯(lián)盟號FG（5次）以及質(zhì)子號M火箭等；歐洲11次，包括阿里安5（6次）、聯(lián)盟號ST（3次）及織女星火箭（2次）；日本6次，包括H-2A（3次）、H-2B（1次）以及改進型艾普斯龍和SS-520火箭；印度7次，即極地軌道衛(wèi)星運載火箭（Polar Satellite Launch Vehicle，PSLV）和地球同步軌道衛(wèi)星運載火箭（Geosynchronous Satellite Launch Vehicle，GSLV），火箭分別執(zhí)行了4次和3次航天發(fā)射。

1 2018年各國航天運載器發(fā)展情況分析

2018年，各國繼續(xù)出臺新的航天政策和規(guī)劃，明確未來航天的發(fā)展方向。大中型運載火箭發(fā)射市場競爭激烈，以SpaceX公司為代表的私營公司持續(xù)掠奪市場份額，對美國、俄羅斯、歐洲、日本等國家主導的運載火箭構(gòu)成極大的壓力，各國新研的下一代運載火箭基本上瞄準2020年左右首飛。美國主導的重型運載火箭經(jīng)過幾次推遲即將在2020年迎來首飛箭的發(fā)射，私營公司也在積極推進執(zhí)行深空探索任務的重型運載火箭的研制?？焖夙憫男⌒瓦\載火箭、亞軌道旅游項目也將掀起新的發(fā)展熱潮。

1.1 美國私營公司法爾肯9火箭繼續(xù)占據(jù)主導地位，法爾肯重型火箭成功首飛開創(chuàng)歷史

SpaceX公司共執(zhí)行 21次航天發(fā)射，成功完成13次一子級或助推器回收，以高密度發(fā)射占據(jù)全球航天發(fā)射市場主導地位的同時，繼續(xù)引領重復使用運載火箭技術的應用和發(fā)展。在法爾肯 9火箭的20次發(fā)射任務中，商業(yè)載荷發(fā)射14次、政府載荷發(fā)射4次、軍事載荷發(fā)射2次。尤其是在5月11日，法爾肯9火箭的最終構(gòu)型——法爾肯9 Block5火箭成功進行了首飛并投入使用。相比之前的構(gòu)型，法爾肯9Block5火箭在發(fā)動機性能與可靠性、著陸支架、熱防護層、發(fā)動機支架、增壓氦氣氣瓶等方面進行全面的改進和升級，一方面是為了提高火箭重復使用能力、便于維護和再次發(fā)射，另一方面則是提高火箭的可靠性，為載人飛行奠定基礎。改進之后，法爾肯9 Block5火箭的近地軌道（Low Earth Orbit，LEO）運載能力達到 22.8 t，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）運載能力8.3 t，在不做大幅維修的情況下火箭一子級可重復使用10次，而在進行適當例行維護的情況下，可重復使用次數(shù)達100次。

2018年2月7日，該公司研制的法爾肯重型火箭成功實現(xiàn)首飛，成為當前世界上運載能力最大的火箭，受到全球的矚目。任務中，2枚捆綁助推器成功實現(xiàn)陸地同步回收，但芯一級海上回收失敗。法爾肯重型以法爾肯9火箭為基礎研制，芯一級與法爾肯9火箭一子級類似，采用 9臺隼-1D液氧/煤油發(fā)動機，兩側(cè)捆綁 2枚與芯一級相同的助推器；二子級采用1臺隼-1D真空發(fā)動機。火箭長70 m，起飛推力22 819 kN，LEO運載能力63.8 t，GTO運載能力26.7 t，發(fā)射成本9000萬美元。法爾肯重型火箭還采取了一些新技術，如全箭采用了冷氮噴射和機械推桿等無損冷分離裝置便于一子級和助推器回收，采用“自主飛行安全系統(tǒng)”（Autonomous Flight Safety System）依靠箭上GPS實現(xiàn)3枚子級的同時返回。目前，法爾肯重型火箭手握 3份商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射和 2份美國空軍發(fā)射合同，已知最大有效載荷質(zhì)量6.4 t左右。未來，法爾肯重型火箭還將用于發(fā)射大型有效載荷和執(zhí)行深空探索任務等，并推動運載器技術領域的良性競爭，對經(jīng)濟可承受性產(chǎn)生實質(zhì)性的影響[2]。

1.2 美國政府簽訂新型EELV火箭樣機研制合同，試驗性太空飛機動力系統(tǒng)完成關鍵性試驗

美國繼續(xù)推進下一代主力運載火箭的研制，10月10日，美國空軍宣布分別與聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）、藍源和諾·格等3家公司簽訂新型改進型一次性運載火箭（Evolved Expendable Launch Vehicle，EELV）樣機研制合同，合同金額分別為9.67億、5億和7.92億美元，以成本共擔的方式為火神/半人馬座、新格倫和歐米茄火箭樣機研制提供經(jīng)費支持。ULA公司的火神/半人馬座火箭完成初步設計和關鍵設計評審，即將進入火箭研制、試驗、生產(chǎn)制造與發(fā)射工位改進階段?；鹕?半人馬座火箭為兩級結(jié)構(gòu)，一子級采用藍源公司的BE-4液氧/甲烷發(fā)動機，二子級采用RL10-C氫氧發(fā)動機[3]，最終實現(xiàn) LEO和 GTO最大運載能力分別為25 t和14.9 t的目標。藍源公司重點進行新格倫火箭研制和一子級 BE-4液氧/甲烷發(fā)動機的試車，積極推動該火箭的商業(yè)營銷，已獲得歐洲衛(wèi)星通信公司等 4家公司的總計8次商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射合同[4]。新格倫火箭為兩級構(gòu)型，一子級采用 BE-4液氧/甲烷發(fā)動機，設計可重復使用25次，二子級采用BE-3U氫氧發(fā)動機，LEO和GTO運載能力分別為45 t和13 t。軌道ATK (Orbital Alliant Techsystems Inc )公司（現(xiàn)已被諾·格公司收購）的下一代運載器（Next-generation Launcher，NGL）被正式命名為歐米茄火箭。該火箭采用三級構(gòu)型，包括歐米茄500和歐米茄500XL兩個系列，一子級采用兩段式的卡斯托600或四段式卡斯托1200固體發(fā)動機，二子級采用一段式的卡斯托 300固體發(fā)動機，最多可以捆綁6枚GEM-63XL固體助推器，上面級采用2臺航空噴氣-洛克達因公司的RL-10C氫氧發(fā)動機，GTO運載能力可以達到10 t。

美國國防預先研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）穩(wěn)步推進試驗性太空飛機（Experimental Space Plane）第2階段研制工作，主要在斯坦尼斯航天中心成功完成了AR-22氫氧火箭發(fā)動機10天內(nèi)10次試車的系列試驗，每次試車時長為100 s。該項關鍵試驗是為證明XPS帶翼水平返回飛行器的快速發(fā)射能力做準備，也為第3階段順利開展飛行試驗奠定基礎。XPS是一種帶翼飛回式的可重復使用運載器，采用航空噴氣-洛克達因公司基于航天飛機主發(fā)動機研制的AR-22發(fā)動機，具備快速響應能力，而且可以作為高超聲速飛行試驗的平臺。

1.3 NASA發(fā)布《國家太空探索活動報告》，重型火箭發(fā)展進入新階段

9月 24日，美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）發(fā)布《國家太空探索活動報告》[5]，規(guī)劃了從近地軌道到月球再到火星的載人探索路線圖，強調(diào)通過“商業(yè)航天活動和國際合作”途徑實現(xiàn)在2030年前執(zhí)行載人登月目標，并為載人火星深空任務提供“墊腳石和訓練場”。

為實現(xiàn)載人深空探索目標，美國持續(xù)推進航天發(fā)射系統(tǒng)（Space Launch System，SLS）研制和地面探索系統(tǒng)建設。2018年，SLS首飛箭的芯級主要部段基本完成裝配，即將開始組裝集成與芯級試車；RS-25芯級發(fā)動機進入第5輪熱試車，點火時長突破650 s，最大功率水平達到113%；首飛箭固體助推器基本完成部段的制造；級間段也即將完成裝配；首飛用有效載荷支架已運抵肯尼迪航天發(fā)射中心。此外，美國還完成了39B發(fā)射臺和發(fā)射控制中心的升級改造以及活動發(fā)射平臺的臍帶安裝與試驗，為2020年SLS火箭首飛提供支撐。

除美國政府外，SpaceX公司也在規(guī)劃未來深空探索系統(tǒng)方案。2018年，該公司再次對用于月球探測和火星移民任務的星際運輸系統(tǒng)方案進行修改，并將其更名為超重-星艦，計劃在2023年左右開展為期6天的載人繞月飛行，到達距離地球500 000～650 000 km的軌道，乘員為日本網(wǎng)絡時尚零售企業(yè)家和當代藝術收藏家前澤友作及6～8位同行者。按照最新設計方案，超重-星艦的LEO運載能力為100 t，火箭長63 m，直徑9 m；猛禽發(fā)動機數(shù)量為31臺；飛船高度55 m，發(fā)動機數(shù)量為7臺，逐步向可實現(xiàn)的方向發(fā)展。

1.4 俄羅斯繼續(xù)受發(fā)射事故困擾，加速研制新型聯(lián)盟號5火箭

聯(lián)盟號 FG載人火箭遭遇其發(fā)射歷史上的首次故障。10月11日，聯(lián)盟號FG載人火箭從拜科努爾發(fā)射場發(fā)射聯(lián)盟號MS-10載人飛船，火箭起飛約117 s時發(fā)生故障，隨后宇航員緊急啟動應急逃逸系統(tǒng)，2名宇航員安全著陸脫險，但整個發(fā)射任務失敗。本次任務是聯(lián)盟號FG載人火箭自使用以來的首次發(fā)射事故，也是世界載人航天史上逃逸塔分離之后首次使用整流罩分離發(fā)動機挽救了航天員的生命[6]。經(jīng)事故調(diào)查委員會認定，用于助推器和一子級分離的一個傳感器部件在發(fā)射場組裝過程中受損，致使一枚助推器噴嘴蓋未能打開，助推器與一子級分離失敗，其頭部與一子級燃料箱相撞，火箭姿態(tài)失控，從而引發(fā)發(fā)射失敗[6]。為降低本次發(fā)射事故造成的影響，俄羅斯積極組織開展事故原因調(diào)查，并提出相應的整改措施，使得聯(lián)盟號 FG火箭在不到40天的時間內(nèi)成功實現(xiàn)了復飛。

聯(lián)盟號5火箭是俄羅斯未來載人飛行和軌道運輸?shù)倪\載工具，用于替代現(xiàn)有聯(lián)盟號和天頂號火箭，同時也為未來的重型運載火箭提供技術基礎。2018年，聯(lián)盟號5新型火箭通過初步設計評審，主承包商為能源航天集團公司。目前，俄羅斯正采用3D模擬技術編制發(fā)動機設計文件，計劃在2024年首飛，之后40年間將以每年 6枚的發(fā)射量進行衛(wèi)星和載人發(fā)射。聯(lián)盟號5新型火箭采用三級構(gòu)型，LEO運載能力為18 t，GTO運載能力為5 t。一子級采用RD-171M發(fā)動機，二子級采用RD-0124改進型，三子級使用Block DM-03上面級。聯(lián)盟號5新型火箭在設計上充分利用現(xiàn)有成熟技術，可大大縮短研制周期，降低發(fā)射成本，未來可與法爾肯9和阿里安6等火箭主要對手在大中型商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場進行競爭。

1.5歐洲阿里安5火箭參數(shù)設置錯誤致發(fā)射任務部分成功，阿里安6火箭完成詳細設計和工業(yè)化設計評估

2018年，歐洲完成了阿里安5火箭的第100次發(fā)射，但阿里安5ECA火箭出現(xiàn)了一次異常情況導致發(fā)射部分成功；阿里安5ES火箭完成最后一次發(fā)射后正式退役。

1月26日，阿里安5ECA火箭起飛9 min26 s之后出現(xiàn)異常，偏離預定軌道，衛(wèi)星被送入較低的軌道，后續(xù)雖通過衛(wèi)星變軌轉(zhuǎn)移至地球同步軌道，但對衛(wèi)星壽命會產(chǎn)生一定影響。調(diào)查結(jié)論顯示，發(fā)射故障是由于操作人員未按發(fā)射需求設置發(fā)射方位角導致的。獨立調(diào)查委員會建議強化火箭發(fā)射準備文件的制定和檢查流程，引入額外的一致性檢查措施，以保障后續(xù)發(fā)射任務的成功。此次發(fā)射是阿里安5火箭的第97次飛行，而該故障也打破了阿里安5火箭連續(xù)82次成功發(fā)射的佳績。

7月，阿里安6火箭通過成熟度節(jié)點7評審，完成了詳細設計和工業(yè)化設計評估[7]，進入制造和組裝階段，并在推進系統(tǒng)方面取得重要進展，計劃在2020年首飛。芯級火神2.1氫氧低溫發(fā)動機完成了首輪試車，點火時長總計 6315 s[7]；固體助推器所采用的 P120C發(fā)動機在織女星C火箭技術狀態(tài)下完成首次熱試車，驗證了設計方案。阿里安6火箭延續(xù)阿里安5火箭的兩級液體加固體捆綁助推器構(gòu)型，根據(jù)助推器的數(shù)量，分為阿里安62和阿里安64火箭兩個型號。阿里安62火箭捆綁2枚助推器，太陽同步軌道（Sun Synchronous Orbit，SSO）運載能力為7 t，主要瞄準政府載荷。阿里安64火箭捆綁4枚助推器，GTO運載能力為10.5 t，主要瞄準商業(yè)通信衛(wèi)星的雙星發(fā)射任務。相比較阿里安 5火箭，阿里安 6火箭的發(fā)射成本將降低 40%～50%，未來將具備很強的商業(yè)競爭力。

1.6 日本發(fā)布新版《中長期發(fā)展規(guī)劃》，H-3火箭完成系統(tǒng)關鍵設計評審

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency）發(fā)布第四版《中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確了日本2018年至2025年期間在航天領域的研發(fā)計劃[8]，規(guī)劃重申研發(fā)低成本 H-3火箭，與民營機構(gòu)合作研發(fā)火箭一子級重復使用等技術；提高在役H-2A火箭的發(fā)射成功率；持續(xù)推進艾普斯龍火箭的研制；積極參與美國月球基地建設等國際空間探索計劃。

在新型火箭研制方面，H-3火箭完成系統(tǒng)關鍵設計評審，并在推進系統(tǒng)取得關鍵進展[9]，完成推進系統(tǒng)設計，正開展相關部段的性能試驗；LE-9一子級發(fā)動機完成前2輪熱試車，累計時長分別為269.9 s和1400 s，并實現(xiàn)了單次時長275 s的熱試車；LE-5B-3二子級發(fā)動機完成第2次鑒定試驗。此外，還完成了一子級發(fā)動機段的靜力試驗和電子系統(tǒng)的設計工作，并持續(xù)開展可移動發(fā)射臺的建設和發(fā)射工位的改進工作。H-3火箭長63 m，芯級直徑5.2 m，GTO運載能力為7 t，計劃2020年首飛，2022年具備商業(yè)發(fā)射能力，可實現(xiàn)年發(fā)射次數(shù)超過8次的目標。

1.7 印度研制新型液氧煤油發(fā)動機，擬取代GSLV-MK3常溫芯級

繼2017年首飛以來，印度新型地球同步軌道衛(wèi)星運載火箭 GLSV-MK3再次成功執(zhí)行發(fā)射任務。GLSV-MK3火箭采用兩級捆綁結(jié)構(gòu)，一子級為 L110常溫級，捆綁 2枚 S200固體助推器；二子級為 C25低溫上面級。為了提高GLSV-MK3火箭的GTO運載能力，印度空間研究組織（ISRO）正在研制代號為SCE-200的新型液氧/煤油發(fā)動機以取代目前的常溫芯級，可將GTO運載能力從4 t提高至5 t。SCE-200發(fā)動機原由烏克蘭南方設計局設計，海平面推力 1903 kN，2005年印度獲得其生產(chǎn)制造權(quán)，除燃氣發(fā)生器和渦輪泵由烏克蘭負責試車之外，整機試車在印度進行。

1.8 全球小型運載火箭呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢，亞軌道太空旅游即將進入商業(yè)運營

根據(jù)歐洲咨詢公司發(fā)布的《小衛(wèi)星市場展望》報告，未來10年預計將有約7000顆小衛(wèi)星需要發(fā)射入軌。為滿足年均600～800顆小衛(wèi)星的發(fā)射需求，近年來全球已有多家初創(chuàng)企業(yè)開展專用小型運載火箭的研制工作。進展最快的為美國火箭實驗室的電子號和日本的SS-520火箭。其中，電子號在2018年度成功進行第2次飛行試驗和首次商業(yè)小衛(wèi)星發(fā)射，標志著該公司常態(tài)化商業(yè)發(fā)射服務的開始，也拉開了全球小衛(wèi)星專屬發(fā)射服務的序幕。電子號火箭為兩級液體小型運載火箭，推進系統(tǒng)采用電動推進循環(huán)，箭體由碳纖維復合材料制造而成，火箭長17 m，直徑1.2 m，最大運載能力為225 kg，發(fā)射成本為490萬美元。截至2018年底，電子號火箭已經(jīng)進行了4次發(fā)射（3次成功，1次失敗），后續(xù)該火箭還將進行20余次商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射。日本JAXA發(fā)射了第5枚SS-520火箭，成功將超小型衛(wèi)星送入預定軌道，成為目前世界上運載能力最小的火箭。SS-520為三級固體火箭，長9.54 m，直徑0.52 m，LEO運載能力僅為4 kg，發(fā)射成本低于500萬美元。

目前小型運載火箭研制項目很多，處于設計或試驗階段的火箭有幾十個，這也反映出小衛(wèi)星市場的活躍。因為近地軌道衛(wèi)星組網(wǎng)等小衛(wèi)星發(fā)射需求逐步增加，小型火箭研制門檻低，從而導致很多公司都投入到小型火箭的研制中。不過，未來的需求不足以支撐所有在研火箭生存，未來可能會出現(xiàn)公司合并，最終留下3～4個型號的小型火箭。

在亞軌道旅游方面，維珍銀河公司成功進行了4次太空船2號亞軌道飛行器的有動力飛行試驗，發(fā)動機工作時間從30 s逐步增加到最大工作時長60 s，飛行高度從25.7 km增加至83 km，飛行速度從Ma=1.87上升至Ma=2.9，實現(xiàn)了飛行速度和高度的跨越。此外，藍源公司完成了新謝帕德亞軌道飛行器的第8、9次飛行試驗，最大飛行高度分別為107 m和118.8 m，均達到亞軌道旅游標準任務高度。同時，藍源公司還在試驗中驗證了乘員艙的高空逃逸能力。雖然兩家公司并未明確給出太空旅游項目正式開展商業(yè)運營的日期，但從其飛行試驗和發(fā)射準備的進展來看，有望2019年實現(xiàn)載人亞軌道飛行。

2 2019年航天運載器發(fā)展預測和展望

2019年全球發(fā)射次數(shù)可能超過120次[10]， 其中俄羅斯（25次）、歐洲（19次）和印度（10次）發(fā)射次數(shù)都將有所突破，美國SpaceX公司的法爾肯9火箭將繼續(xù)執(zhí)行高密度發(fā)射，預計發(fā)射次數(shù)16次。法爾肯重型火箭將執(zhí)行阿拉伯太空電信公司的Arabsat-6A通訊衛(wèi)星和美國空軍的“空間試驗計劃-2”的發(fā)射任務，標志著該火箭正式投入使用。美國的德爾它4火箭（除德爾它4H火箭）和俄羅斯的聯(lián)盟號FG火箭將在完成最后一次發(fā)射任務后退役。下一代運載火箭研制方面，美國將繼續(xù)開展火神和新格倫新型液氧甲烷發(fā)動機試車；歐洲將完成阿里安6火箭鑒定樣機的制造，并將在年底進行聯(lián)合鑒定試驗；日本將完成H-3火箭樣機的制造和一子級試車。重型運載火箭研制方面，美國NASA將完成SLS的芯級4臺發(fā)動機聯(lián)合試車，SpaceX公司的超重-星箭將進行縮比尺寸飛船驗證機試驗，俄羅斯將確定重型運載火箭的主選方案。美國的商業(yè)乘員項目將迎來關鍵一年，SpaceX和波音公司都將完成載人飛行系統(tǒng)的驗證飛行。小運載市場的發(fā)展將迎來高峰期，維珍軌道公司的運載器一號、螢火蟲公司的阿爾法以及向量航天系統(tǒng)公司的向量R等火箭都將迎來首次飛行。此外，維珍銀河和藍源公司的太空旅游項目將正式搭載旅客開始商業(yè)運營。