國(guó)外運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路線分析

王鐵兵 朱雄峰 崔朋 劉陽(yáng)（北京跟蹤與通信技術(shù)研究所）

航天發(fā)射是人類探索浩瀚宇宙的第一道技術(shù)關(guān)口，是世界航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志性能力之一。在可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間內(nèi)，運(yùn)載火箭仍是將衛(wèi)星載荷送入空間軌道的主力工具。然而，由于航天運(yùn)載工具大多為一次性使用、發(fā)射設(shè)施復(fù)雜、維護(hù)周期長(zhǎng)等原因，高昂的發(fā)射成本、冗長(zhǎng)的模式流程一定程度上制約了人們進(jìn)軍太空的步伐，也吸引著眾多航天科技工作者的目光。圍繞運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展問(wèn)題，世界各國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了諸多有益的探索與嘗試，以“低成本、快速空間響應(yīng)、高可靠性”為目標(biāo)特征的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展百花齊放，有些技術(shù)方向甚至已取得階段性突破。

1 發(fā)展需求分析

當(dāng)前，智能化、分布式、網(wǎng)絡(luò)化等太空技術(shù)創(chuàng)新方興未艾，以美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）系統(tǒng)等低軌互聯(lián)網(wǎng)星座為代表的太空系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)異軍突起，太空已由少數(shù)世界大國(guó)所屬的“高端俱樂(lè)部”逐步走入“尋常百姓家”。

從衛(wèi)星系統(tǒng)角度看，低軌星座大多具有規(guī)模龐大、單星節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化、動(dòng)態(tài)構(gòu)建組網(wǎng)（邊發(fā)射、邊應(yīng)用、邊退出、邊補(bǔ)充）等特征，傳統(tǒng)大中型運(yùn)載火箭的長(zhǎng)周期、冗長(zhǎng)測(cè)發(fā)流程等已難以滿足該類系統(tǒng)發(fā)射部署需求。與大衛(wèi)星、大火箭的“搭車”“拼車”等模式雖能部分解決問(wèn)題，但終因載荷進(jìn)場(chǎng)不同步、主載荷延遲等各類原因難以常態(tài)發(fā)展。

從運(yùn)載火箭角度看，由于各類衛(wèi)星功能不同，其質(zhì)量、體積差異很大，據(jù)行業(yè)數(shù)據(jù)目前很多航天發(fā)射任務(wù)運(yùn)載火箭運(yùn)力富余，尤其大中型火箭更為突出，有些任務(wù)載荷質(zhì)量甚至不到火箭最大運(yùn)力的一半。上述問(wèn)題倒逼和催生了運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，商業(yè)航天發(fā)射公司通過(guò)提供各類更加簡(jiǎn)單、靈活、廉價(jià)的航天發(fā)射服務(wù)，在傳統(tǒng)火箭發(fā)射商夾縫中開(kāi)辟出一片市場(chǎng)。

新形勢(shì)對(duì)運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展需求主要包括如下幾個(gè)方面。一是低成本需求，衛(wèi)星單星的低廉成本要求火箭必須降低發(fā)射成本，否則相對(duì)低廉的衛(wèi)星系統(tǒng)成本配套高昂的發(fā)射成本讓用戶無(wú)法接受。二是快速空間響應(yīng)需求，包括研制快、運(yùn)輸快、測(cè)試維護(hù)快和發(fā)射部署快等，要求運(yùn)載火箭必須簡(jiǎn)化對(duì)復(fù)雜發(fā)射場(chǎng)地、人員和設(shè)備設(shè)施的依賴，能夠快速測(cè)試、快速發(fā)射和按需發(fā)射，滿足星座動(dòng)態(tài)構(gòu)建組網(wǎng)需要。同時(shí)，還包括可靠性需求，要求發(fā)射部署服務(wù)過(guò)程可控和相對(duì)穩(wěn)定可靠。

2 國(guó)外技術(shù)發(fā)展路線

圍繞上述發(fā)展需求，國(guó)外航天發(fā)射公司已經(jīng)開(kāi)展了諸多創(chuàng)新技術(shù)研究和實(shí)踐探索。通過(guò)跟蹤研究和多方對(duì)比分析最新成果，按基本原理劃分，主要包括火箭回收復(fù)用、空基發(fā)射、電磁彈射、旋轉(zhuǎn)發(fā)射、工業(yè)化量產(chǎn)等技術(shù)路線。

“回收復(fù)用”技術(shù)路線

回收復(fù)用，顧名思義就是通過(guò)對(duì)發(fā)射出去的火箭的主要部分進(jìn)行回收，繼續(xù)用于下一次發(fā)射活動(dòng)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)降低發(fā)射成本、提升快速響應(yīng)時(shí)間的目的。目前，SpaceX 公司的獵鷹－9（Falcon－9）火箭，和美國(guó)火箭實(shí)驗(yàn)室公司（RocketLab）的“電子”（Electron）火箭、“中子”（Neutron）火箭等均選擇回收復(fù)用技術(shù)路線。根據(jù)回收形式的不同，該技術(shù)路線可細(xì)分為多種形式。

按照火箭回收部分的不同，可細(xì)分為一子級(jí)/助推器回收、整流罩回收、組合體回收等。①一子級(jí)/助推器回收、整流罩回收，是指對(duì)運(yùn)載火箭的某一部分進(jìn)行回收再利用，SpaceX 公司的獵鷹－9 可重復(fù)使用火箭選擇的即是該技術(shù)路線，截至2021 年底，獵鷹－9 系列火箭已成功實(shí)現(xiàn)了百余次芯一級(jí)回收、多次助推器和整流罩回收，領(lǐng)跑全球該技術(shù)方向發(fā)展。②組合體回收，是指將火箭的某些部分組合進(jìn)行一體設(shè)計(jì)、一體回收再利用，RocketLab 公司的“中子”火箭即是該種技術(shù)路線的典型代表。2021 年12月2 日，RocketLab 公司公布了其“中子”中型運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)的新思路：利用碳纖維材料將一級(jí)火箭與整流罩一體設(shè)計(jì)，二級(jí)火箭連帶衛(wèi)星載荷一起包裹式安裝在火箭殼體內(nèi)部；在一級(jí)飛行段末段，整流罩打開(kāi)但不拋掉，二級(jí)火箭連帶衛(wèi)星載荷被推出后繼續(xù)點(diǎn)火飛行，整流罩重新閉合，連同一級(jí)火箭一同進(jìn)行回收。該方案的優(yōu)勢(shì)在于二級(jí)被包裹在內(nèi)部不再承受發(fā)射環(huán)境的影響，使其更加靈活和輕量化，同時(shí)還避免了海上捕獲整流罩的高成本和低可靠性，加快了發(fā)射頻率，實(shí)現(xiàn)了更高的空間運(yùn)輸性能。目前該方案還處在概念設(shè)計(jì)階段。

國(guó)外運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路線

按不同回收復(fù)用部分的技術(shù)路線細(xì)分

按照回收方式的不同，可細(xì)分為前場(chǎng)回收、原場(chǎng)回收和空中攔鎖回收等。①前場(chǎng)回收，是指待回收一子級(jí)/助推器飛行結(jié)束分離后通過(guò)調(diào)整姿態(tài)、反向制動(dòng)、再入點(diǎn)火等操作，繼續(xù)向前飛向海上回收駁船或陸上回收?qǐng)?，獵鷹－9 火箭多為該種回收方式。②原場(chǎng)回收，是指待回收一子級(jí)/助推器飛行結(jié)束分離后反向飛回原發(fā)射場(chǎng)，該種方式避免了火箭再次利用前的長(zhǎng)途轉(zhuǎn)運(yùn)等環(huán)節(jié)，但對(duì)其飛行動(dòng)力余量要求也就更高。為實(shí)現(xiàn)更高的可重復(fù)使用性能，“中子”火箭即打算采用原場(chǎng)回收方式。③空中攔鎖回收，與前場(chǎng)回收方式不同，在待回收一子級(jí)/助推器動(dòng)力下降到一定高度后，利用降落傘進(jìn)一步減速（約10m/s），同時(shí)釋放攔鎖裝置，由直升機(jī)掛鉤捕捉鉤攔飛回原發(fā)射場(chǎng)。該種方式既避免了前場(chǎng)回收的遠(yuǎn)距離回收火箭轉(zhuǎn)運(yùn)問(wèn)題，節(jié)省了時(shí)間，同時(shí)對(duì)待回收火箭的飛行動(dòng)力余量要求也有所降低，“電子”火箭采用的即是該種回收方式，并在2020 年8 月完成了模擬一子級(jí)的空中攔鎖回收試驗(yàn)。

新概念技術(shù)路線

按不同回收方式的技術(shù)路線細(xì)分

新概念發(fā)射技術(shù)路線

前述回收復(fù)用的核心思路是對(duì)火箭的某些部分進(jìn)行回收再利用。實(shí)際上，運(yùn)載火箭從地表發(fā)射到星箭分離入軌需經(jīng)歷多個(gè)逐步升高、逐步加速的飛行階段，而在稠密大氣層以內(nèi)的一級(jí)飛行段一般是最為笨重、復(fù)雜的飛行階段。研究表明，整個(gè)火箭飛行期間重力速度損失達(dá)1200m/s，空氣阻力速度損失達(dá)100 ～800m/s，而稠密大氣層內(nèi)的重力和空氣阻力損失幾乎占據(jù)了絕大部分。因此人們?cè)O(shè)計(jì)出了許多新型發(fā)射概念，通過(guò)其他方式讓火箭獲得一定的初始速度和高度，從而部分取代常規(guī)火箭發(fā)射的一級(jí)飛行過(guò)程。新概念航天發(fā)射技術(shù)路線包括空基發(fā)射、電磁彈射、旋轉(zhuǎn)發(fā)射等。

就是利用大型飛機(jī)等空中平臺(tái)攜帶火箭，在飛行至一定高度后釋放火箭，隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，繼續(xù)爬升加速，將衛(wèi)星載荷送入軌道。2021 年1 月17 日，美國(guó)維珍軌道公司（Virgin Orbit）利用一架波音747 飛機(jī)成功將發(fā)射器－ 1（launcherOne）送入太空。發(fā)射器－1 為兩級(jí)小型火箭，長(zhǎng)約21m，搭載了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的10 顆小型衛(wèi)星，試驗(yàn)中捆綁在由波音747 改裝成的“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的機(jī)翼下方，被攜帶飛行至10668m 左右高空后發(fā)射入軌。2021 年6月13 日，諾格公司（NG）利用L-1011 載機(jī)將小型三級(jí)固體“飛馬座”（Pegasus）火箭送入太空，成功驗(yàn)證了空基應(yīng)急發(fā)射能力?？栈l(fā)射比傳統(tǒng)火箭發(fā)射更靈活，只需一條飛機(jī)跑道，無(wú)需發(fā)射臺(tái)等復(fù)雜裝置，因此機(jī)動(dòng)性、靈活性更優(yōu)。

就是基于電磁感應(yīng)原理，通過(guò)電流產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)，利用電磁力加速將火箭等在一定距離內(nèi)加速到極大初始速度，火箭慣性飛行到一定高度后點(diǎn)火開(kāi)機(jī)，繼續(xù)推動(dòng)衛(wèi)星載荷加速入軌。美、德等國(guó)很早就開(kāi)始了電磁彈射火箭技術(shù)研究。德國(guó)空氣動(dòng)力協(xié)會(huì)于2008 年提出了電磁輔助發(fā)射低軌道航天器的方案，利用至少341m 長(zhǎng)的洛侖茲電磁推射管道，在幾秒鐘內(nèi)將447kg 的固體火箭加速至4.4km/s，期間過(guò)載峰值達(dá)3300g，而低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力僅為3kg。電磁彈射方案具有發(fā)射頻次高、發(fā)射間隔短、發(fā)射后需復(fù)原工作少等優(yōu)勢(shì)，但也存在運(yùn)載能力小等弊端。

是美國(guó)航天發(fā)射初創(chuàng)公司—自旋發(fā)射公司（SpinLaunch）提出的新設(shè)想。利用一臺(tái)大尺寸高速離心機(jī)，將飛行器（火箭+衛(wèi)星）安裝在旋臂一端，通過(guò)旋臂旋轉(zhuǎn)加速，將飛行器從與地平面成一定角度的發(fā)射口高速拋出，飛行器在經(jīng)歷一段慣性飛行上升至一定高度之后，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，繼續(xù)推動(dòng)衛(wèi)星載荷加速直至入軌。SpinLaunch公司已于2021 年10 月22 日完成了1/3 縮比系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)。旋轉(zhuǎn)發(fā)射方案的最大技術(shù)難點(diǎn)在于其旋轉(zhuǎn)加速過(guò)程中產(chǎn)生的橫向過(guò)載特別大，甚至能達(dá)到10～10量級(jí)，以目前制造技術(shù)水平的衛(wèi)星與火箭還難以承受。

上述三種新概念發(fā)射技術(shù)路線具有幾個(gè)共同特征：①均難以直接入軌，都是部分代替了傳統(tǒng)火箭一級(jí)飛行段獲取了一定的初始速度和高度，仍需火箭發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速；②創(chuàng)新形式的發(fā)射段均為低空高速飛行，氣動(dòng)影響更大，因此需要增強(qiáng)箭體結(jié)構(gòu)；③運(yùn)載能力均偏低，最多為百千克量級(jí)。受技術(shù)成熟度、應(yīng)用需求等因素影響，目前上述技術(shù)路線均未得到大規(guī)模應(yīng)用。

“工業(yè)化量產(chǎn)”技術(shù)路線

美國(guó)民營(yíng)航天企業(yè)—阿斯特拉公司（Astra）是工業(yè)化量產(chǎn)技術(shù)路線的典型代表。與使用先進(jìn)復(fù)合材料、回收復(fù)用等技術(shù)路線不同，該路線的核心思路是利用最成熟簡(jiǎn)便的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)極低成本、極高產(chǎn)量和高密度靈活使用的目標(biāo)。Astra 公司的發(fā)展目標(biāo)是火箭運(yùn)載能力達(dá)到200kg，價(jià)格約100 萬(wàn)美元（約合每千克5000 美元），計(jì)劃在全球十余個(gè)地點(diǎn)建立發(fā)射場(chǎng)，甚至貼近客戶臨時(shí)建廠，以提高任務(wù)頻率，到2025 年實(shí)現(xiàn)每天發(fā)射一枚火箭，通過(guò)“白菜價(jià)”的發(fā)射服務(wù)占據(jù)微小衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)。

美國(guó)Astra 公司工業(yè)化量產(chǎn)技術(shù)路線（來(lái)源：Astra）

綜合分析

綜合來(lái)看，“回收復(fù)用”技術(shù)路線最有吸引力，目前看來(lái)也是技術(shù)發(fā)展最快、最有應(yīng)用前景的發(fā)展路線，其中尤以子級(jí)/助推器前場(chǎng)回收形式發(fā)展最快，且正向組合體原場(chǎng)回收等更低成本、更快空間響應(yīng)時(shí)間方向發(fā)展?！肮I(yè)化量產(chǎn)”技術(shù)路線則反其道而行之，力圖充分挖掘一次性使用火箭的性能極限，預(yù)計(jì)在未來(lái)高密度航天發(fā)射場(chǎng)景中也會(huì)占據(jù)一席之地。在新概念發(fā)射技術(shù)路線中，空基發(fā)射技術(shù)成熟度最高，但低成本性和快速響應(yīng)性能一般，和平時(shí)期應(yīng)用需求并不明顯；電磁彈射和旋轉(zhuǎn)發(fā)射均涉及較大過(guò)載問(wèn)題，尤其是旋轉(zhuǎn)發(fā)射受大范圍橫向過(guò)載制約，目前還難以得到工程應(yīng)用。

運(yùn)載火箭及發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路線對(duì)比

續(xù)表

3 結(jié)束語(yǔ)

航天發(fā)射能力是建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的重要領(lǐng)域之一。隨著太空技術(shù)持續(xù)深入發(fā)展，運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展路線還會(huì)越來(lái)越多、越來(lái)越豐富。有些創(chuàng)新技術(shù)路線會(huì)被不斷改進(jìn)修正，直至走向?qū)嶋H工程應(yīng)用；有些技術(shù)路線也會(huì)由于復(fù)雜度、成本等原因而逐步被淘汰。總之，一個(gè)領(lǐng)域的可行技術(shù)發(fā)展路線越多，一定程度上也預(yù)示著該領(lǐng)域越有生命力和發(fā)展?jié)摿?。面?duì)太空領(lǐng)域新的發(fā)展形勢(shì)，需持續(xù)投入，不斷探索，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新保持發(fā)展活力。