2022年哪些新型火箭將首飛

文/張晨

2022年又是世界運(yùn)載火箭家族新秀頻出的一年。美國航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS）推遲數(shù)年后將進(jìn)行首飛，其他一些由于疫情影響而研制進(jìn)度推遲的大型運(yùn)載火箭也將首飛。而各種商業(yè)小運(yùn)載火箭和液態(tài)甲烷推進(jìn)劑首次成為軌道級(jí)發(fā)射燃料，更賦予了這一年特殊的重要性。當(dāng)然，最值得期待的仍然是“星艦”的首次軌道級(jí)試飛。

中國

長征六號(hào)甲

中國航天科技集團(tuán)上海航天技術(shù)研究院基于長征六號(hào)運(yùn)載火箭研制了長征六號(hào)甲運(yùn)載火箭，計(jì)劃今年在太原衛(wèi)星發(fā)射中心進(jìn)行首飛。

長征六號(hào)甲運(yùn)載火箭使用無毒無污染的液氧/煤油芯一級(jí)，使用2臺(tái)YF-100高壓補(bǔ)燃火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，捆綁4個(gè)120噸2段式固體火箭助推器，二級(jí)設(shè)1臺(tái)YF-115火箭發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺痫w質(zhì)量為530噸，700千米太陽同步軌道運(yùn)載能力不低于4噸。火箭高度約50米，配置有3.35米、3.8米、4.2米及5.2米四種直徑的整流罩。

長征六號(hào)甲運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力更為強(qiáng)大，更大直徑的整流罩意味著可以發(fā)射更大尺寸的載荷。長征六號(hào)甲運(yùn)載火箭將在我國新一代空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

▲ 長征六號(hào)甲運(yùn)載火箭起飛效果圖

捷龍三號(hào)

作為捷龍系列商業(yè)運(yùn)載火箭中第二大的產(chǎn)品，捷龍三號(hào)運(yùn)載火箭使用2.64米固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，目標(biāo)為服務(wù)未來商業(yè)衛(wèi)星星座發(fā)射，具備一箭20星以上的發(fā)射能力。捷龍三號(hào)運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量140噸，500千米太陽同步軌道運(yùn)載能力為1.5噸，整流罩直徑3.35米。

捷龍三號(hào)運(yùn)載火箭具備陸、海發(fā)射能力，首飛就計(jì)劃海上發(fā)射。火箭目標(biāo)價(jià)格為1萬美元/千克，有望將商業(yè)發(fā)射服務(wù)合同履約周期縮短至6個(gè)月，具備較強(qiáng)的市場競爭能力。

▲ 捷龍三號(hào)海射船

中科一號(hào)甲

中科一號(hào)甲運(yùn)載火箭為“中科宇航”研制的四級(jí)固體運(yùn)載火箭，屬于中科一號(hào)系列運(yùn)載火箭，計(jì)劃2022年上半年在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心首飛。該系列利用200噸級(jí)、100噸級(jí)、50噸級(jí)、10噸級(jí)四型固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體助推器形成系列化構(gòu)型。

中科一號(hào)甲運(yùn)載火箭為四級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)構(gòu)型，起飛質(zhì)量135噸，近地軌道運(yùn)載能力約2噸，500千米太陽同步軌道運(yùn)載能力為1.5噸?？膳渲?.65米整流罩和3.35米整流罩。主要用于太陽同步軌道和其他近地軌道中小型航天器的單星和多星組合發(fā)射，以及臨近空間高超聲速飛行器的助推發(fā)射。

▲ 中科一號(hào)甲火箭

▲ 朱雀二號(hào)發(fā)射效果圖

朱雀二號(hào)

“藍(lán)箭航天”在朱雀一號(hào)火箭首飛失利后，專心開展中型兩級(jí)液體火箭朱雀二號(hào)的研制。朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭可能成為世界上首款使用液態(tài)氧/液態(tài)甲烷燃料組合的軌道級(jí)火箭，在搶占這一榮譽(yù)上，它的對(duì)手是美國太空探索技術(shù)公司還在調(diào)整設(shè)計(jì)中的星艦運(yùn)輸系統(tǒng)。

朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭使用液態(tài)氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，為二級(jí)構(gòu)型?！爸烊付?hào)”直徑3.35米，自重216噸，低地球軌道運(yùn)載能力6噸。一級(jí)設(shè)4臺(tái)TQ-12火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)海平面推力67噸。二級(jí)設(shè)1臺(tái)TQ-12真空型發(fā)動(dòng)機(jī)和4臺(tái)TQ-11作為游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。TQ-11為單泵四室發(fā)動(dòng)機(jī)，推力10噸。

朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭使用三平模式發(fā)射，“藍(lán)箭”在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心專門建設(shè)了一座龐大的設(shè)施來支持它的發(fā)射，這座設(shè)施也可以支持別的液體火箭的發(fā)射。目前朱雀二號(hào)運(yùn)載火箭的合練箭已經(jīng)運(yùn)抵酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心開展合練，首飛指日可待。

天龍二號(hào)

“天兵科技”的第一款軌道級(jí)運(yùn)載火箭，計(jì)劃2022年首飛。其一子級(jí)使用3臺(tái)特供版YF-102液態(tài)氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)使用一臺(tái)天火11補(bǔ)燃循環(huán)液態(tài)氧/煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，三級(jí)使用7500牛推力的常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)，起飛質(zhì)量約140噸。

美國

航天發(fā)射系統(tǒng)（SLS）

航天發(fā)射系統(tǒng)，或者稱為SLS超重型運(yùn)載火箭，繼承了航天飛機(jī)的部分技術(shù)以降低重型運(yùn)載的高昂成本。在星座計(jì)劃取消后，航天發(fā)射系統(tǒng)將托舉“重返月球”計(jì)劃，以實(shí)現(xiàn)美國人再次登陸月球的目標(biāo)。

SLS芯級(jí)直徑8.4米，配置4臺(tái)RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)。航天發(fā)射系統(tǒng)分為3個(gè)研制階段——先期使用基于航天飛機(jī)可重復(fù)使用固體火箭的5.5段式固體火箭助推器（RSRMV），第1~3發(fā)為Block1構(gòu)型，可將27噸載荷送往月球。Block1使用基于德爾它4火箭二級(jí)研制的臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)（ICPS），設(shè)1臺(tái)RL-10B2/RL-10C-2發(fā)動(dòng)機(jī)。第4發(fā)開始使用Block1B構(gòu)型。Block1B將使用更大規(guī)模的探索上面級(jí)（EUS）,實(shí)現(xiàn)44噸的奔月運(yùn)載能力和105噸的低地球軌道運(yùn)載能力。探索上面級(jí)首飛狀態(tài)下，設(shè)4臺(tái)RL-10C-3發(fā)動(dòng)機(jī)。自第5發(fā)開始，新的RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)將取代航天飛機(jī)時(shí)代的RS-25D發(fā)動(dòng)機(jī)。

▲ SLS將托舉美國人重返月球

由于航天發(fā)射系統(tǒng)將使用航天飛機(jī)遺留的固體火箭助推器，而未來這些助推器在8次任務(wù)后均被消耗完，從第9次開始，航天發(fā)射系統(tǒng)將使用BOLE助推器（助推器淘汰與壽命延長計(jì)劃）。BOLE助推器的推力曲線完全貼合SLS的需求，使得RS-25E發(fā)動(dòng)機(jī)無需節(jié)流飛行。BOLE助推器使SLS Block2達(dá)到了國會(huì)所要求的46噸奔月能力。

計(jì)劃在2021年底執(zhí)行首飛的SLS火箭由于第一次全箭試車提前關(guān)機(jī)，加上“波音”的拉垮進(jìn)度，最終任務(wù)被推遲至2022年初，第一窗口是在2月12日。但在稍晚時(shí)候，SLS四臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)中的一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，目前此次任務(wù)已經(jīng)被推遲至2022年3—4月。以“波音”的效率，不知道后面還會(huì)出什么幺蛾子。

SLS火箭將先進(jìn)行一次濕彩排（類似國內(nèi)的“合練”），進(jìn)行火箭發(fā)射倒計(jì)時(shí)的演練，隨后推回總裝大樓。在執(zhí)行阿爾忒彌斯-1任務(wù)時(shí)，SLS的基礎(chǔ)級(jí)將直接把臨時(shí)低溫推進(jìn)級(jí)和獵戶座飛船送入一條近地點(diǎn)40千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)1800千米的亞軌道。隨后該推進(jìn)級(jí)進(jìn)行2次點(diǎn)火，將獵戶座飛船送入奔月軌道。首次SLS載人任務(wù)阿爾忒彌斯-2推遲至2023年9月以后，首次月表任務(wù)阿爾忒彌斯-3則推遲至2024年以后，這還不包括考慮到登月艙和艙外航天服研發(fā)的延遲。

星艦（SN24+BN7）

在“獵鷹9”高速組網(wǎng)發(fā)射“星鏈”的時(shí)候，太空探索技術(shù)公司并沒有忽視“星艦”的研發(fā)，其首次亞軌道飛行蓄勢待發(fā)。但事實(shí)比馬斯克的想象嚴(yán)苛得多。一方面，美國聯(lián)邦航空管理局對(duì)首次組合發(fā)射持續(xù)“卡脖子”，使得已經(jīng)組裝好的超重助推BN4和星船SN20無處可去，只能停留在發(fā)射臺(tái)上。另一方面，“猛禽1”和“猛禽1.5”發(fā)動(dòng)機(jī)并沒有達(dá)到星艦飛船-超重型火箭需求的指標(biāo)，而230噸推力的“猛禽2”還沒有完成研發(fā)。星艦火箭也面臨嚴(yán)重的超重問題，最新版本的星艦飛船-超重型火箭將進(jìn)一步拉長，一級(jí)設(shè)32臺(tái)猛禽2發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)設(shè)6臺(tái)真空猛禽和3臺(tái)猛禽2，表明火箭將繼續(xù)增重。

值得注意的是，原計(jì)劃進(jìn)行的SN20+BN4的組合試飛將無法進(jìn)行，因?yàn)樵贐N4級(jí)的低溫加注測試過程中，外來物導(dǎo)致BN4受到嚴(yán)重?fù)p壞，無法進(jìn)行靜態(tài)點(diǎn)火。貼完TUFROC隔熱瓦的SN20和SN21因?yàn)榻涌诤虰N7不同也被廢棄。這樣導(dǎo)致星艦飛船-超重型火箭首飛將進(jìn)一步推遲，至少不是上半年的事情了。

▲ 堆疊的SN20和BN4

▲ 火神VC2構(gòu)型

▲ GEM-63XL助推器試車

太空探索技術(shù)公司計(jì)劃使用“星艦”部署其二代“星鏈”，總計(jì)29988顆。這些新衛(wèi)星的質(zhì)量在850~950千克之間，目標(biāo)是不高于1噸。太空探索技術(shù)公司已經(jīng)放棄使用“獵鷹9”部署二代星鏈的計(jì)劃，因?yàn)檫@些衛(wèi)星相比一代和1.5代星鏈來說大得多，以至于獵鷹9號(hào)火箭無法進(jìn)行高效組網(wǎng)。同時(shí)為了對(duì)超重系統(tǒng)進(jìn)行減重，該公司在“星艦”上創(chuàng)新性地使用發(fā)射塔上可開合的“筷子”掛住返回的超重助推器，而非使用傳統(tǒng)著陸腿的方案。

火神

計(jì)劃于2021年首飛的聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）下一代大型運(yùn)載火箭火神運(yùn)載火箭由于“藍(lán)色起源”提供的飛行用BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)遲遲未能交付，其首次飛行已經(jīng)推遲至2022年下半年。

“火神”最初計(jì)劃取代的是德爾它4系列運(yùn)載火箭。因?yàn)檫^于昂貴，可以被“宇宙神5”填補(bǔ)運(yùn)力區(qū)間的德爾它4中型+系列火箭首先退役，重型德爾它4則計(jì)劃在2023年退役。為降低發(fā)射成本及對(duì)抗太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9”，ULA曾經(jīng)提出明智模塊自主返回技術(shù)（SMART）用于回收第一級(jí)的2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，但沒有下文提及。

2019年，在“國家安全太空發(fā)射”競標(biāo)時(shí)，美國空軍明確提出會(huì)被外國技術(shù)卡脖子的火箭不得參與競標(biāo)，意味著使用俄制RD-180火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的宇宙神5運(yùn)載火箭無法發(fā)射新的美國軍事衛(wèi)星載荷。因此，“火神”成為了ULA未來唯一發(fā)射國家安全載荷的運(yùn)載器。

“火神”使用5.4米直徑一級(jí)，配置2臺(tái)250噸推力的BE-4液態(tài)氧/液態(tài)甲烷分級(jí)燃燒火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，可配置0~6個(gè)GEM-63XL固體火箭助推器。ULA還提出了并聯(lián)3個(gè)一級(jí)模塊的運(yùn)載火箭方案。其二級(jí)使用半人馬座5低溫上面級(jí)，使用2臺(tái)RL-10C-1-1液態(tài)氫/液態(tài)氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，其運(yùn)載能力覆蓋10.6~27.2噸，地球靜止轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力覆蓋2.9~14.4噸，可將最大7.2噸的載荷送入地球靜止軌道。

火神運(yùn)載火箭的首飛由于“藍(lán)色起源”遲遲未能交付飛行用BE-4而推遲至2022年下半年。首飛為2助推器構(gòu)型，將發(fā)射游隼月球著陸器，隨后火神4助推構(gòu)型還將發(fā)射數(shù)次內(nèi)華達(dá)山脈公司的追夢者升力體可重復(fù)使用航天飛機(jī)。2023年后火神火箭還將發(fā)射3次美國太空軍載荷。

人族1

人族1是美國相對(duì)論空間公司的一款小型運(yùn)載火箭，使用液態(tài)氧/液態(tài)甲烷推進(jìn)劑，兩級(jí)構(gòu)型。人族1運(yùn)載火箭計(jì)劃2022年在卡納拉維拉爾角太空軍基地LC-16發(fā)射，也可在范登堡太空軍基地330號(hào)設(shè)施發(fā)射。人族1火箭可將1.5噸的載荷送入300千米低地軌道，或者將900千克的載荷送入500千米的太陽同步軌道。人族1火箭高35米，直徑3米，一級(jí)設(shè)9臺(tái)推力10.2噸的“永世1”發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)設(shè)1臺(tái)真空“永世1”發(fā)動(dòng)機(jī)，推力12.85噸。

▲ 人族1運(yùn)載火箭

▲ H-3的構(gòu)型圖

人族1火箭的特點(diǎn)在于其使用了3D打印技術(shù)，可以有效降低生產(chǎn)成本，發(fā)射報(bào)價(jià)為1200萬美元。相對(duì)論空間公司還提出要研制人族R全復(fù)用火箭以和太空探索技術(shù)公司的“獵鷹9”競爭。人族R運(yùn)載火箭的低地球軌道運(yùn)載能力超過20噸。

RS-1

RS-1運(yùn)載火箭是由ABL公司研發(fā)的低成本小型快速反應(yīng)運(yùn)載火箭，使用“極其簡單”的設(shè)計(jì)，以保持較低的發(fā)射成本。RS-1不需要固定的發(fā)射基礎(chǔ)設(shè)施，計(jì)劃能夠在一周的準(zhǔn)備時(shí)間內(nèi)從任何地點(diǎn)發(fā)射。RS-1火箭計(jì)劃在科迪亞克進(jìn)行首次發(fā)射，也可以在范登堡太空軍基地、卡納拉維拉爾角和瓦勒普斯島發(fā)射。值得注意的是它還將在英國的設(shè)德蘭太空中心發(fā)射。

RS-1火箭設(shè)2級(jí)，使用液態(tài)氧/煤油組合，第一級(jí)設(shè)9臺(tái)E-2發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)設(shè)單臺(tái)真空型E-2發(fā)動(dòng)機(jī)，可將1.35噸的載荷送入近地軌道?！癛S-1”最早計(jì)劃在2021年底發(fā)射，后推遲至2022年。但2022年1月20日其二級(jí)試車時(shí)發(fā)生了爆炸，摧毀了試驗(yàn)的二級(jí)，可能會(huì)進(jìn)一步推遲。

▲ H-3首飛箭合練。為優(yōu)化廢氫排放條件，H-3火箭基準(zhǔn)高度位于發(fā)射臺(tái)下底面，看上去助推器顯得很小。

日本

H-3

H-3大型運(yùn)載火箭為日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)旨在降低H-2A/H-2B高昂成本而開發(fā)的下一代大型運(yùn)載火箭。相比H-2A/H-2B，H-3運(yùn)載火箭使用了相對(duì)簡單的大推力開式膨脹循環(huán)LE-9氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)取代較為復(fù)雜的補(bǔ)燃循環(huán)LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)。H-3運(yùn)載火箭計(jì)劃在日本政府2022財(cái)年的稍晚時(shí)候發(fā)射。H-3運(yùn)載火箭原計(jì)劃于2020年首飛，后由于LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)試車不順利而推遲。其首飛將發(fā)射ALOS-3測繪成像衛(wèi)星。

H-3運(yùn)載火箭高63米，直徑5.2米（在發(fā)射貨運(yùn)飛船時(shí)使用5.4米整流罩），設(shè)0、2或4個(gè)助推器。不設(shè)固體助推器的時(shí)候使用3臺(tái)LE-9氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，此時(shí)被稱為H-3-30，而設(shè)置固體助推器的時(shí)候一般使用2臺(tái)LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)，被稱為H-3-22和H-3-24。最大的H-3-24構(gòu)型起飛質(zhì)量為574噸，可將7.9噸的載荷送入地球靜止轉(zhuǎn)移軌道。H-3-24將發(fā)射日本下一代貨運(yùn)飛船HTV-X及日本的火衛(wèi)一采樣返回任務(wù)MMX。

為降低成本選擇的開式膨脹循環(huán)可謂是坑人。真空推力高達(dá)150噸的LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)遇到的問題不斷，從氫泵氧泵到燃燒室問題出了個(gè)遍。日本人是否徹底掌握了大推力膨脹循環(huán)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)，還要看“H-3”未來的表現(xiàn)。

歐洲

阿里安6

阿里安6運(yùn)載火箭是為降低阿里安5運(yùn)載火箭較高價(jià)格而研制的歐洲下一代大型運(yùn)載火箭。為滿足模塊化通用化的需求，“阿里安6”設(shè)置2個(gè)構(gòu)型——2個(gè)P120C助推器的阿里安62，及4個(gè)P120C助推器的阿里安64構(gòu)型。P120C固體火箭助推器也可以直接作為織女星C火箭的第一級(jí)。一子級(jí)設(shè)1臺(tái)140噸推力的HM-60B，二子級(jí)設(shè)一臺(tái)具備5次啟動(dòng)能力的25噸推力Vinci膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺睆?.4米，高63米。

阿里安64運(yùn)載火箭重860噸，具備21.65噸低地球軌道和11.5噸地球靜止轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力；而阿里安62運(yùn)載火箭重530噸，具備10.35噸低地球軌道和4.5噸地球靜止轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力。

由于疫情影響，阿里安6火箭首飛持續(xù)推遲，目前計(jì)劃2022年下半年首飛，但也很可能繼續(xù)推遲至2023年。

織女星-C

織女星-C火箭是基于阿里安6的P120C助推器發(fā)展而來的小型固體運(yùn)載火箭。其二級(jí)使用了加大的Zefiro-40+固體火箭，三級(jí)繼承織女星的Zefiro-9。四級(jí)基于織女星運(yùn)載火箭的姿態(tài)與游機(jī)上面級(jí)（AVUM）進(jìn)行改進(jìn)，被稱為AVUM+。其計(jì)劃2022年4月首飛，700千米太陽同步軌道運(yùn)載能力2.2噸。

印度

小型衛(wèi)星運(yùn)載火箭（SSLV）

SSLV小型運(yùn)載火箭為4級(jí)運(yùn)載火箭，直徑2米，起飛質(zhì)量116噸。其前3級(jí)使用固體燃料，4級(jí)使用液體燃料。SSLV旨在以低成本換取較低的運(yùn)載效率，其發(fā)射報(bào)價(jià)為460萬美元，500千米太陽同步軌道運(yùn)載能力300千克。計(jì)劃2022年首飛，首飛載荷為EOS-02地球觀測衛(wèi)星。

▲ 阿里安64和62火箭構(gòu)型

▲ 織女星-C