歐、俄、日可復(fù)用運(yùn)載器的研制歷程

文/若水

▲ 天龍空天飛機(jī)與上面級(jí)在150千米左右高度分離效果圖

目前，世界上各主要航天大國(guó)（或組織）都在進(jìn)行可重復(fù)使用運(yùn)載器的研發(fā)。下面就讓我們了解一下，歐空局、俄羅斯和日本在這方面的進(jìn)展情況。

▲ 英國(guó)天龍（ Skylon）空天飛機(jī)

歐空局關(guān)于可復(fù)用運(yùn)載器的研究

歐洲航天技術(shù)的發(fā)展主要由歐空局主導(dǎo)。該組織成立于1975年，目前有22個(gè)成員國(guó)，各成員國(guó)通過歐空局進(jìn)行型號(hào)研制工作的協(xié)調(diào)與合作。

歐空局總部有一個(gè)未來發(fā)射器辦公室曾對(duì)可復(fù)用運(yùn)載器進(jìn)行過廣泛的研究。他們重點(diǎn)對(duì)單級(jí)入軌、兩級(jí)入軌以及亞軌道單機(jī)一圈返回可復(fù)用運(yùn)載器進(jìn)行了研究，最終認(rèn)為：?jiǎn)渭?jí)入軌目前受歐洲技術(shù)積累的限制，很難實(shí)現(xiàn)。兩級(jí)入軌雖然短期內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，但并不是最佳選擇，因?yàn)橐患?jí)復(fù)用二級(jí)消耗的火箭并不會(huì)比現(xiàn)在消耗型火箭節(jié)約多少成本。亞軌道單機(jī)一圈返回則看似很有前途，它既可以實(shí)現(xiàn)亞音速、超音速和高超音速覆蓋，而且不受垂直和水平起飛的限制，同時(shí)還可以作為全球點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速運(yùn)輸系統(tǒng)的解決方案。

因此，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，歐空局仍然將其太空發(fā)射系統(tǒng)聚焦在消耗型火箭的研制上。目前其主力火箭仍然為阿里安5（消耗型），2022年歐空局將實(shí)現(xiàn)阿里安6（消耗型）的首飛。直到太空探索技術(shù)公司用實(shí)際案例證明了垂直起飛垂直返回火箭的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)上的可行性，歐空局才重新把目光投向可復(fù)用運(yùn)載器，但到目前為止，在這方面的成就仍然乏善可陳。

而歐洲早期可復(fù)用運(yùn)載器的研制，主要包括英國(guó)的HOTOL空天飛機(jī)和前期由法國(guó)主導(dǎo)后由歐空局主持開發(fā)的Hermes空天飛機(jī)，兩個(gè)項(xiàng)目由于技術(shù)等原因，最終都未逃出被取消的命運(yùn)。

目前歐空局正在研制的可復(fù)用運(yùn)載器主要有HTHL和VTVL兩種技術(shù)路線。

天龍（ Skylon）空天飛機(jī)

天龍空天飛機(jī)是由英國(guó)主導(dǎo)研制的HTHL技術(shù)路線的可復(fù)用太空發(fā)射系統(tǒng)，該項(xiàng)目繼承了HOTOL空天飛機(jī)項(xiàng)目的成果，由歐空局提供相關(guān)研制經(jīng)費(fèi)。

天龍空天飛機(jī)的最大特點(diǎn)是采用了協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE），這是一種混合了沖壓和火箭兩種燃燒模式的發(fā)動(dòng)機(jī)。在大氣層中，采用吸氣模式，發(fā)動(dòng)機(jī)利用空氣中的氧氣作為氧化劑，并使其最高速度達(dá)到5馬赫。在大約25千米的高度，發(fā)動(dòng)機(jī)切換到火箭模式，使用機(jī)載的氧化劑和燃料繼續(xù)上升。攜帶有效載荷的上一級(jí)將在大約150千米的高度釋放，繼續(xù)進(jìn)行軌道飛行，而第一級(jí)將返回地球著陸并重復(fù)使用。

忒彌斯（Themis）計(jì)劃

忒彌斯計(jì)劃是歐空局2020年底提出的一個(gè)基于VTVL技術(shù)路線的部分復(fù)用火箭項(xiàng)目，原型火箭也將被稱為“忒彌斯”。最初計(jì)劃在2023年實(shí)現(xiàn)首飛，根據(jù)最新的項(xiàng)目更新，計(jì)劃在本世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)一級(jí)推進(jìn)器可重復(fù)使用。

目前，忒彌斯計(jì)劃進(jìn)展到推進(jìn)劑儲(chǔ)罐冷凍試驗(yàn)階段。該試驗(yàn)是在位于法國(guó)弗農(nóng)的阿里安試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行的。忒彌斯計(jì)劃預(yù)計(jì)在2025年完成最后的測(cè)試階段的工作，實(shí)現(xiàn)3個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的高空跳躍測(cè)試及回收，2030年左右實(shí)現(xiàn)飛行。

阿里安下一代（Ariane Next）火箭

“阿里安下一代”火箭是歐空局最早宣布研制的可復(fù)用火箭計(jì)劃。該型火箭繼承于阿里安6火箭，采用類似獵鷹9號(hào)火箭的模式，實(shí)現(xiàn)一級(jí)火箭的重復(fù)使用，目標(biāo)是將阿里安6火箭的成本減半，計(jì)劃在本世紀(jì)30年代實(shí)現(xiàn)發(fā)射服務(wù)。

▲ 2021年12月進(jìn)行忒彌斯火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)罐的冷凍試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

為了研制阿里安下一代可回收火箭，歐空局先期開展了相關(guān)的技術(shù)演示和前序項(xiàng)目。2019年開始，用一種名為FROG的小型演示器實(shí)行了幾次演示飛行，用來對(duì)火箭垂直著陸進(jìn)行測(cè)試。還有一種名為CALLISTO的單級(jí)、可重復(fù)使用的演示火箭用于改進(jìn)制造可重復(fù)使用運(yùn)載器所需的技術(shù)（包括返回和整修），并估算這種發(fā)射裝置的運(yùn)行成本，CALLISTO首飛計(jì)劃于2022年進(jìn)行。

馬伊亞”和“普羅米修斯”

2021年12月8日，法國(guó)財(cái)政部長(zhǎng)布魯諾·勒梅爾宣布，歐洲也要開發(fā)一種可重復(fù)使用的火箭，與馬斯克競(jìng)爭(zhēng)。具體要求是由阿里安集團(tuán)在2026年前開發(fā)出一款名為“馬伊亞”的小型運(yùn)載火箭。

目前有關(guān)“馬伊亞”的技術(shù)細(xì)節(jié)尚未披露，唯一確定的是，它將使用一種叫做“普羅米修斯”的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

“普羅米修斯”并不完全是一個(gè)外號(hào)，它的全稱是“前體可重復(fù)使用的液氧甲烷成本效益型推進(jìn)系統(tǒng)”，從各個(gè)單詞中取出不同音節(jié)，拼成了“普羅米修斯”。

“普羅米修斯”是法國(guó)航天局和阿里安空間公司在2015～2017年間構(gòu)思和設(shè)計(jì)的。2016年12月，法國(guó)航天局在盧塞恩舉行的部長(zhǎng)級(jí)會(huì)議上把這個(gè)設(shè)想提交給歐空局。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，“普羅米修斯”可以重復(fù)使用5次，推力達(dá)到100噸，實(shí)際輸出推力在30%～100%之間可控。其可重復(fù)使用的次數(shù)似乎不如馬斯克的“灰背隼”。歐空局在解釋燃料選擇時(shí)認(rèn)為，甲烷作為火箭燃料有很多優(yōu)點(diǎn)。它更便宜，更易于處理，和氧氣的沸點(diǎn)幾乎相同。甲烷的密度是氫氣的6倍，這可以使火箭級(jí)更加緊湊，更容易回收再利用。法國(guó)國(guó)家空間研究中心還考慮在圭亞那航天中心利用生物來生產(chǎn)甲烷，更加利于環(huán)保?！捌樟_米修斯”不但具備可變推力、多次點(diǎn)火等特點(diǎn)，還具備適合芯級(jí)、上面級(jí)應(yīng)用的特點(diǎn)，飛行前后所需要的地面維護(hù)操作盡量簡(jiǎn)化。

在經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的問題上，“普羅米修斯”的目標(biāo)是把生產(chǎn)成本降到阿里安5火箭上現(xiàn)役火神發(fā)動(dòng)機(jī)的十分之一，也就是100萬歐元。為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要廣泛使用3D打印，并且達(dá)到每年50臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的產(chǎn)量，計(jì)劃在2030年投入使用。

2019年11月，在西班牙塞維利亞舉行的Space19+理事會(huì)會(huì)議上，歐空局獲得了全額資金，推動(dòng)“普羅米修斯”發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)達(dá)到適合生產(chǎn)的技術(shù)成熟度。

“普羅米修斯”70%的子系統(tǒng)都采用3D打印技術(shù)制造，包括渦輪泵的渦輪、泵入口和氣體發(fā)生器。采用計(jì)算機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行管理和監(jiān)控。

2021年5月17日，歐空局與阿里安集團(tuán)正式簽署了一項(xiàng)合同，撥款1.35億歐元，完成兩臺(tái)“普羅米修斯”全尺寸演示樣機(jī)的靜態(tài)噴射測(cè)試，并繼續(xù)建造6臺(tái)演示樣機(jī)，用來證明批量化生產(chǎn)性能。

歐空局航天能力略遜于中、美、俄3國(guó)，但是在國(guó)際合作方面最為開放，目前與各方都有相應(yīng)的項(xiàng)目合作。但正是由于歐空局這種松散的架構(gòu)，導(dǎo)致除了開展歐空局共同的項(xiàng)目外，各國(guó)還會(huì)獨(dú)立開展本國(guó)的航天研制工作，特別是商業(yè)航天興起后，歐洲各國(guó)出現(xiàn)了很多私營(yíng)性質(zhì)的航天公司。

▲ 3D打印的普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤

▲ 馬伊亞火箭一級(jí)返回效果圖

▲ 普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)可以大幅度降低成本

▲ 普羅米修斯發(fā)動(dòng)機(jī)在德國(guó)試車

俄羅斯關(guān)于可復(fù)用運(yùn)載器的研究

在可復(fù)用太空發(fā)射系統(tǒng)方面，蘇聯(lián)先后開展了“螺旋計(jì)劃（Spiral Program）”、“暴風(fēng)雪（Buran）計(jì)劃”的研制，之后的俄羅斯繼承了蘇聯(lián)豐厚的航天遺產(chǎn)，雖然在研發(fā)方面走下坡路，但仍然啟動(dòng)了基于VTVL技術(shù)路線的可復(fù)用發(fā)射系統(tǒng)的研制。

▲ 殘破的暴風(fēng)雪號(hào)航天飛機(jī)

科羅娜單級(jí)入軌火箭

俄羅斯的科羅娜火箭是與美國(guó)前期研制的DC-X火箭類似的單級(jí)入軌可復(fù)用運(yùn)載火箭，在1992～2012年期間研制，為單級(jí)入軌垂直發(fā)射垂直回收火箭。有關(guān)該火箭的相關(guān)材料較少。

2016年俄宣布計(jì)劃重啟該項(xiàng)目。在2021年制定的最新計(jì)劃中,該飛行器高度為31米，發(fā)射重量300噸，可以將13噸載荷送入近地軌道。不過單級(jí)入軌從物理原理來說，總是不那么靠譜。

阿穆爾可復(fù)用運(yùn)載火箭

阿穆爾也稱為聯(lián)盟-7火箭，該火箭是芯一級(jí)可復(fù)用新一代運(yùn)載火箭，推進(jìn)劑采用液氧甲烷，將用于替代聯(lián)盟-2系列火箭。該火箭自2020年由俄羅斯宇航局啟動(dòng)研制，計(jì)劃2026年實(shí)現(xiàn)首飛。

阿穆爾火箭高55米、直徑4.1米、重360噸，由2級(jí)組成，一級(jí)火箭可回收。近地軌道運(yùn)載能力，可回收模式為10.5噸，消耗模式為12.5噸。一級(jí)火箭由5臺(tái) RD-0169A 液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，發(fā)動(dòng)機(jī)由俄羅斯化學(xué)自動(dòng)化設(shè)計(jì)局設(shè)計(jì)，2024年將完成發(fā)動(dòng)機(jī)試車。

阿穆爾一級(jí)火箭將降落在鄂霍次克海沿岸的火箭回收?qǐng)觥ＴO(shè)計(jì)階段的飛行試驗(yàn)將在普列謝茨克航天發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行。

阿穆爾其名來源于執(zhí)行該火箭發(fā)射的俄羅斯東方發(fā)射場(chǎng)，該發(fā)射場(chǎng)與哈薩克斯坦拜科努爾航天中心同緯度，位于緊鄰我國(guó)黑龍江省的俄羅斯阿穆爾州，界河黑龍江在俄羅斯被稱為阿穆爾河。

安加拉 A5VO可復(fù)用重型運(yùn)載火箭

除了正在研制的阿穆爾可回收火箭，俄羅斯宇航局也進(jìn)行了重型可回收運(yùn)載火箭的規(guī)劃。俄羅斯計(jì)劃在安加拉火箭型譜中加入可回收版本的火箭，命名為安加拉 A5VO。目前尚未給出具體研制時(shí)間表。

據(jù)悉，該型火箭芯級(jí)及其助推將一起返回地面。

俄羅斯發(fā)展航天的最大障礙是該國(guó)的經(jīng)濟(jì)總量和人口基數(shù)與中美相比都有較大差距，加上商業(yè)航天對(duì)俄羅斯本來占據(jù)較大份額的全球商業(yè)和載人發(fā)射市場(chǎng)的擠壓，以現(xiàn)有國(guó)力與中美并駕齊驅(qū)已經(jīng)沒有可能。

▲ 俄羅斯科羅娜（ Corona）火箭

▲ 安加拉A5重型火箭從俄羅斯普列謝茨克航天中心發(fā)射升空

日本的可復(fù)用運(yùn)載器研究

日本在可復(fù)用運(yùn)載器研制方面一直秉承了垂直發(fā)射垂直返回的技術(shù)路線，而且起步于太空探索技術(shù)公司進(jìn)行獵鷹9號(hào)火箭研制之前，是繼美國(guó)和俄羅斯（蘇聯(lián)）之后，較早開展此技術(shù)路線研制的國(guó)家。但是，其整體進(jìn)度較慢，可見可復(fù)用火箭的研制確實(shí)是困難重重。

日本有關(guān)可復(fù)用運(yùn)載器驗(yàn)證系統(tǒng)的開發(fā)主要由日本的國(guó)家隊(duì)，即日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）進(jìn)行，主要有以下幾項(xiàng)。

RVT

RVT 全稱“可重復(fù)使用航天器試驗(yàn)”，由日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在1998～2003年實(shí)施。

該項(xiàng)目是由一個(gè)可重復(fù)使用火箭實(shí)施多種試驗(yàn)飛船的飛行試驗(yàn)。項(xiàng)目共完成了4個(gè)試驗(yàn)飛船，這些試驗(yàn)飛行器特性包括基于需求飛行、快速回轉(zhuǎn)、高性能和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及材料等，以驗(yàn)證重復(fù)發(fā)射火箭的能力。

RV-X

RV-X 全稱“可重復(fù)使用航天器實(shí)驗(yàn)”，由JAXA與三菱重工合作開發(fā)。該項(xiàng)目是國(guó)際合作的CALLISTO在日本的前導(dǎo)項(xiàng)目。

RV-X旨在驗(yàn)證垂直起降能力，驗(yàn)證飛行高度為100米，目標(biāo)是完成基于垂直發(fā)射垂直返回技術(shù)的高頻率復(fù)用驗(yàn)證。該項(xiàng)目在2018年中進(jìn)行了地面點(diǎn)火試驗(yàn)后，無后續(xù)相關(guān)報(bào)道。

CALLISTO

CALLISTO 全稱“引導(dǎo)運(yùn)載器創(chuàng)新的階段拋回操作合作行動(dòng)”，由JAXA、德國(guó)航空航天中心以及法國(guó)宇航局合作開發(fā)，用于歐空局阿里安下一代（Ariane Next）火箭的前期驗(yàn)證。

對(duì)標(biāo)獵鷹9的主力可復(fù)用火箭計(jì)劃

2021年11月， JAXA宣布將與近30家日本公司和機(jī)構(gòu)合作，開發(fā)可重復(fù)使用的火箭，目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用火箭首飛，發(fā)射成本降至目前水平的四分之一以下，成本競(jìng)爭(zhēng)力提升至全球市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者太空探索技術(shù)公司的水平。

負(fù)責(zé)監(jiān)管JAXA的日本文部科學(xué)省曾表示，可重復(fù)使用的發(fā)射衛(wèi)星的火箭對(duì)下一代運(yùn)載器的開發(fā)至關(guān)重要。

JAXA計(jì)劃與30多家企業(yè)和機(jī)構(gòu)共同研制開發(fā)可重復(fù)使用火箭，主要分工如下：

·三菱重工和日郵負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)物流，特別是使用無人船進(jìn)行火箭回收

·全日空研究飛機(jī)的操作和維護(hù)

·NIPPI公司和GH Craft公司創(chuàng)建一種著陸系統(tǒng)

·名古屋大學(xué)開發(fā)一種抗振動(dòng)的鋰離子電池

·佳能IT解決方案采用混合技術(shù)來簡(jiǎn)化生產(chǎn)流程

·千葉工學(xué)院被指派研究低成本的小型電動(dòng)泵

·金澤理工學(xué)院研究火箭的復(fù)合材料

其并未提及火箭和發(fā)動(dòng)機(jī)等核心工作的分工，按照目前日本主力火箭研制情況，應(yīng)該是由三菱重工具體負(fù)責(zé)。

JAXA計(jì)劃在2026年之前開發(fā)出一個(gè)原型，并在2030年進(jìn)行第一次發(fā)射測(cè)試。通過建立可重復(fù)使用的技術(shù)和增加發(fā)射次數(shù)，JAXA希望到本世紀(jì)40年代早期將成本降低到5億日元左右。

▲ RV-X點(diǎn)火試驗(yàn)

▲ RV-X結(jié)構(gòu)圖

▲ CALLISTO演示火箭效果圖

本田的小運(yùn)載計(jì)劃

2021年9月，日本汽車制造商本田公布了一項(xiàng)計(jì)劃：開發(fā)一種部分可重復(fù)使用的小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭，并于2030年進(jìn)行測(cè)試發(fā)射，該火箭可以將重量不超過1噸的衛(wèi)星送入近地軌道。

本田還計(jì)劃擴(kuò)大其業(yè)務(wù)組合，生產(chǎn)可以電動(dòng)垂直起飛和降落的飛行汽車。計(jì)劃在未來6年，在研發(fā)上投入450億美元（5萬億日元）。

本田是從2019年底開始研究可重復(fù)使用火箭的，并且已經(jīng)具備了火箭燃燒、控制和成本控制等能力。2021年11月，本田宣布完成了可重復(fù)使用原型發(fā)動(dòng)機(jī)的試車，從尾焰可以看到明顯的馬赫環(huán)。由于商業(yè)秘密原因，該公司未公開照片或視頻。