國外航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢分析

楊開 米鑫（ 北京航天長征科技信息研究所，北京航天控制儀器研究所）

近年來，世界各國越來越重視航天領(lǐng)域的發(fā)展，鼓勵(lì)政策密集出臺(tái)，大大促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的進(jìn)步。航天運(yùn)輸系統(tǒng)作為所有航天和空間活動(dòng)的基礎(chǔ)，更是受到了大眾的廣泛關(guān)注。航天運(yùn)輸系統(tǒng)是將載荷從地球送入軌道的運(yùn)輸工具，可以分為一次性運(yùn)載火箭和重復(fù)使用運(yùn)載器兩大類。其中一次性運(yùn)載火箭是人類當(dāng)前進(jìn)入空間的主要途徑，不過重復(fù)使用運(yùn)載器也在快速發(fā)展，而且正在成為重要的趨勢。另外，新方案、新技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用也預(yù)示著某些潛在的發(fā)展方向和路徑，為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)期發(fā)展提供更多可能性。

1 一次性運(yùn)載火箭

重型運(yùn)載火箭研制持續(xù)推進(jìn)，但受國家政策和政治因素影響嚴(yán)重

美國作為世界上航天能力和技術(shù)水平最突出的國家，在深空探測領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。在深空探測需求牽引下，由美國國家航空航天局（NASA）負(fù)責(zé)研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型運(yùn)載火箭。盡管從航天飛機(jī)項(xiàng)目下繼承了RS－25、大直徑箭體結(jié)構(gòu)、固體助推器等大量的成熟技術(shù)，但是由于管理上存在諸多問題，導(dǎo)致SLS研制進(jìn)度出現(xiàn)嚴(yán)重滯后的情況。所以，美國在2019年明確提出2024年實(shí)現(xiàn)載人登月的目標(biāo)，并計(jì)劃以月球?yàn)樘彘_展火星等更遠(yuǎn)目的地的遠(yuǎn)期探測計(jì)劃后，政府投入經(jīng)費(fèi)進(jìn)一步增加，以期能夠追趕進(jìn)度。然而，美國總統(tǒng)換屆后，拜登政府在航天領(lǐng)域的側(cè)重點(diǎn)更傾向于地球科學(xué)，深空探測發(fā)展規(guī)劃將可能面臨調(diào)整，SLS研制也將因此受到影響。

2019年，俄羅斯以載人登月為需求和目標(biāo)，確定了重型運(yùn)載火箭的初步設(shè)計(jì)方案，充分利用RD－171和RD－180等成熟發(fā)動(dòng)機(jī)，以聯(lián)盟－5、6（Soyuz－5、6）火箭的研制作為鋪墊，通過捆綁實(shí)現(xiàn)“葉尼塞”（Yenisei）重型火箭，瞄準(zhǔn)2028年首飛[1]。在研制經(jīng)費(fèi)不充足的情況下，俄羅斯希望依靠漸進(jìn)式的研制邏輯逐步積累，但俄羅斯本身變數(shù)就多，再加上研制周期比較長、載人登月的需求過于單一，使得其重型火箭計(jì)劃的不確定性非常突出。

主力火箭2021年前后實(shí)現(xiàn)更新?lián)Q代，性能提升、價(jià)格降低

1990－2000年間，美國、俄羅斯、歐洲、日本等主要航天國家采用模塊化、通用化、系列化的發(fā)展思路，研制了宇宙神－5（Atlas－5）、德爾他－4（Delta－5）、“安加拉”（Angara）、阿里安－5（Ariane－5）、H－2A等主力運(yùn)載火箭，采用無毒無污染推進(jìn)劑，在可靠性等方面得到大幅提升。然而，隨著市場競爭程度日漸激烈，主力火箭的發(fā)射價(jià)格普遍偏高，已經(jīng)很難滿足各方面的需求。于是，國外航天研發(fā)機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司紛紛提出了新一代主力運(yùn)載火箭研制計(jì)劃，包括美國的“火神”（Vulcan）、“新格倫”（New Glenn），俄羅斯的聯(lián)盟－5，歐洲的阿里安－6和日本的H－3火箭，在提升性能指標(biāo)的同時(shí)，把降低發(fā)射成本作為主要目標(biāo)。

“火神”火箭發(fā)射示意圖

上述新型主力火箭的研制相比現(xiàn)役主力火箭的研制，具有比較顯著的特點(diǎn)。第一，基于原有型號(hào)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品改進(jìn)升級(jí)，而非全面系統(tǒng)的革新，例如：“火神”火箭在首飛之前，火箭上90%的主要部件都將在現(xiàn)役火箭上完成驗(yàn)證[2]。第二，制造、發(fā)射操作環(huán)節(jié)的優(yōu)化是降低成本的重要途徑。新型火箭的技術(shù)繼承性使得研發(fā)環(huán)節(jié)成本有所下降，而發(fā)射頻率提高卻導(dǎo)致制造和使用環(huán)節(jié)成本增加，所以，如何優(yōu)化材料、工藝、流程、發(fā)射操作成為降本增效所關(guān)注的重點(diǎn)。第三，任務(wù)適應(yīng)能力得到重視和增強(qiáng)，僅用一個(gè)火箭構(gòu)型能夠覆蓋不同質(zhì)量、不同規(guī)模和不同軌道的發(fā)射需求。第四，隨著載人任務(wù)需求增長，主力火箭規(guī)劃載人能力，“火神”“新格倫”等火箭都有執(zhí)行載人任務(wù)的潛力。第五，工業(yè)部門主導(dǎo)火箭設(shè)計(jì)研制，政府作為用戶的角色進(jìn)一步明確。

小型運(yùn)載火箭研制熱潮持續(xù)，公司間呈現(xiàn)差異化發(fā)展態(tài)勢

近年來全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的運(yùn)載能力在1000 kg以下的小型運(yùn)載火箭型號(hào)已經(jīng)接近150個(gè)，處于研制狀態(tài)的超過40個(gè)，它們大多集中于美國，但也延伸至英國、澳大利亞、加拿大、西班牙等非傳統(tǒng)航天強(qiáng)國，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)了小型火箭的研制熱潮[3]。但由于運(yùn)載火箭技術(shù)的門檻高、資金投入大，不同公司間的實(shí)力差距導(dǎo)致發(fā)展參差不齊，只有處于前列的幾家公司取得成功，而絕大多數(shù)公司都處于摸索階段，有的甚至出現(xiàn)停滯情況。

美國火箭實(shí)驗(yàn)室（Rocket Lab）的“電子”（Electron）火箭自2018年成功投入使用后，已完成十余次發(fā)射，在商業(yè)發(fā)射和國防載荷發(fā)射方面都取得了重要收獲，屬于眾多創(chuàng)企中最為成功的。美國維珍軌道公司（Virgin Orbit）的運(yùn)載器－1（Launcher One）空射運(yùn)載火箭和阿斯特拉太空公司（Astra Space）的火箭－3（Rocket－3）在2020年完成首飛，盡管遭遇失利，但是設(shè)計(jì)方案和發(fā)射流程都得到了驗(yàn)證。美國螢火蟲航空航天公司（Firefly Aerospace）的“螢火蟲-阿爾法”（Firefly Alpha）火箭也已經(jīng)完成了首飛火箭一、二子級(jí)的地面試車，瞄準(zhǔn)2021年一季度首飛。

出現(xiàn)問題最為明顯的是美國矢量空間系統(tǒng)公司（Vector Space Systems），該公司本來獲得了空軍的發(fā)射合同，參加了美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”，也從商業(yè)衛(wèi)星公司得到了訂單，甚至在2018年就開展火箭的亞軌道飛行試驗(yàn)，但是由于資金和運(yùn)營管理方面的問題，導(dǎo)致公司停止運(yùn)營。雖然公司在2020年得到新資助后恢復(fù)運(yùn)營，但是主業(yè)已經(jīng)轉(zhuǎn)向亞軌道飛行試驗(yàn)，近期將不再涉足小型運(yùn)載火箭的發(fā)射服務(wù)。這在一定程度上說明，雖然小型運(yùn)載火箭是運(yùn)載領(lǐng)域門檻最低的產(chǎn)品，但是仍具有很高的風(fēng)險(xiǎn)。

2 重復(fù)使用運(yùn)載器

垂直起降重復(fù)使用技術(shù)逐漸成熟，成為當(dāng)前主流發(fā)展路徑

截至2020年，獵鷹－9（Falcon－9）火箭執(zhí)行第102次發(fā)射，64次成功回收一子級(jí)，有44次發(fā)射采用回收復(fù)用一子級(jí)，復(fù)用占比達(dá)到43%，有兩枚一子級(jí)復(fù)用次數(shù)已經(jīng)達(dá)到7次[4]。太空探索技術(shù)公司（SpaceX）高管表示，復(fù)用獵鷹－9火箭發(fā)射價(jià)格可降到3000萬美元[5]。隨著SpaceX公司的垂直起降技術(shù)越來越成熟，更多的國家和機(jī)構(gòu)也在跟進(jìn)研究，包括歐洲、日本和俄羅斯未來都有可能采用垂直起降技術(shù)。另外，SpaceX公司以火星殖民作為公司發(fā)展愿景，近年提出“超重-星艦”完全可重復(fù)使用的重型運(yùn)載火箭，從2019年開始啟動(dòng)原型機(jī)的演示驗(yàn)證，通過快速迭代的開發(fā)方式推動(dòng)項(xiàng)目研制，預(yù)計(jì)最早于2022年啟動(dòng)入軌飛行試驗(yàn)。

歐洲航天局（ESA）在未來運(yùn)載器準(zhǔn)備計(jì)劃（FLPP）下規(guī)劃了規(guī)模從小到大的三型技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，即“青蛙”（Frog）、“克里斯托”（Callisto）、“賽米斯”（Themis），為未來的下一代“阿里安”火箭的重復(fù)使用進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。日本從2018年開始進(jìn)行垂直起降重復(fù)使用火箭技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證，并參與歐洲的“克里斯托”驗(yàn)證計(jì)劃，為H－3火箭之后的下一代運(yùn)載火箭打下復(fù)用技術(shù)基礎(chǔ)。俄羅斯的進(jìn)步火箭航天中心也提出了代號(hào)為“阿穆爾”（Amur）的垂直起降重復(fù)使用運(yùn)載火箭研制計(jì)劃，采用液氧甲烷動(dòng)力，近地軌道運(yùn)載能力10.5t，期望將發(fā)射成本降至2200萬美元。

運(yùn)載器－1掛飛試驗(yàn)

重復(fù)使用軌道飛行器發(fā)展迅速，軍事和商業(yè)目標(biāo)并重

重復(fù)使用軌道飛行器能夠長期在軌駐留，并能夠?qū)⑤d荷返回地面，像飛機(jī)一樣在跑道上著陸，在研項(xiàng)目包括美國的X-37B、“追夢者”（Dream Chaser）飛行器和歐洲的“太空騎手”（Space Rider）飛行器。

“追夢者”飛行器的試驗(yàn)樣機(jī)

2019年10月，X－37B軌道試驗(yàn)飛行器－5（OTV－5）順利返回地面，創(chuàng)下了連續(xù)在軌運(yùn)行780天的紀(jì)錄。2020年5月，宇宙神－5火箭又成功執(zhí)行X-37B的第6次飛行任務(wù)。作為美國天軍的軌道試驗(yàn)飛行器，X－37B具有濃重的神秘色彩，主要利用其長期留軌能力、有限的軌道機(jī)動(dòng)能力和返回能力，為軍方提供空間試驗(yàn)的平臺(tái)。美國內(nèi)華達(dá)山脈公司（SNC）的“追夢者”軌道飛行器采用固液混合火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，利用火箭頂推發(fā)射，可執(zhí)行商業(yè)貨物運(yùn)輸、商業(yè)載人和在軌服務(wù)等業(yè)務(wù)。內(nèi)華達(dá)山脈公司正在NASA的支持下開展貨運(yùn)版研制，計(jì)劃在2021年進(jìn)行總裝，2022年利用“火神”火箭發(fā)射，執(zhí)行首次國際空間站貨運(yùn)任務(wù)。

歐洲在2015年成功完成過渡性實(shí)驗(yàn)飛行器（IXV）的飛行驗(yàn)證任務(wù)后，隨即啟動(dòng)了“太空騎手”軌道飛行器的研制?！疤镇T手”采用升力體構(gòu)型，無翼面結(jié)構(gòu)，有效載荷能力為800kg，能夠在400km的地球軌道上運(yùn)行幾個(gè)月，屆時(shí)可打開有效載荷艙門，把試驗(yàn)設(shè)備暴露給太空環(huán)境，計(jì)劃在2021年搭載織女星－C（Vega－C）火箭首飛。

傘降回收技術(shù)仍有用武之地，試驗(yàn)和應(yīng)用并行推進(jìn)

傘降回收技術(shù)作為較為成熟的技術(shù)，在運(yùn)載火箭上仍有應(yīng)用，主要包括整流罩回收、小型火箭一子級(jí)回收和發(fā)動(dòng)機(jī)部段回收。

SpaceX公司通過給獵鷹－9和“獵鷹重型”（Falcon Heavy）整流罩加裝降落傘和姿控推力器，實(shí)現(xiàn)整流罩降落過程的調(diào)整控制，并利用回收船上的大型網(wǎng)捕獲和回收整流罩，于2019年4月首次成功回收，并在2019年11月的發(fā)射任務(wù)中進(jìn)行首次重復(fù)利用，此后又多次在“星鏈”發(fā)射任務(wù)中采用回收復(fù)用的整流罩。

獵鷹―9火箭的整流罩傘降回收

火箭實(shí)驗(yàn)室公司在“電子”火箭一子級(jí)上安裝降落傘、姿控推力器、飛行計(jì)算機(jī)和遙測設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)“電子”火箭一子級(jí)返回再入過程的控制，最終利用直升機(jī)在空中捕獲。2020年，火箭實(shí)驗(yàn)室公司不僅完成模擬一子級(jí)直升機(jī)掛載狀態(tài)下的釋放捕獲驗(yàn)證，而且在發(fā)射任務(wù)中成功利用降落傘實(shí)現(xiàn)一子級(jí)的傘降落海和回收驗(yàn)證，后續(xù)將在發(fā)射任務(wù)中執(zhí)行回收嘗試。

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）為其在研的“火神”火箭規(guī)劃了發(fā)動(dòng)機(jī)部段的傘降回收方案，在一、二子級(jí)分離后，發(fā)動(dòng)機(jī)部段將脫離一子級(jí)，并在充氣式超聲速熱防護(hù)裝置的保護(hù)下再入大氣層，依靠降落傘減速，最后在空中由直升機(jī)回收。目前，該公司正在和NASA合作開展充氣式再入減速器項(xiàng)目，驗(yàn)證直徑6m的充氣式熱防護(hù)裝置，并計(jì)劃在2021年一次發(fā)射任務(wù)中搭載飛行。

帶翼亞軌道飛行器終止，預(yù)冷組合發(fā)動(dòng)機(jī)著重技術(shù)攻關(guān)

2013年以來，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局開展試驗(yàn)型太空飛機(jī)－1（XS－1），希望利用帶翼可重復(fù)使用的亞軌道飛行器攜帶一次性上面級(jí)將1.4～2.3t左右的有效載荷送入軌道，以“類似飛機(jī)”的航班化操作實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)進(jìn)入空間能力，并將發(fā)射費(fèi)用降至500萬美元以下。然而，波音公司（Boeing）在2020年1月宣布撤出項(xiàng)目后，DARPA隨即終止XS－1的研制，有推測稱波音公司的財(cái)務(wù)困境是其中的一部分原因。

基于“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用飛行器的概念圖

作為目前主要的吸氣式組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)方案，英國噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司（Reaction Engine）的“佩刀”（SABRE）發(fā)動(dòng)機(jī)處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段，近幾年圍繞核心的預(yù)冷器技術(shù)取得了諸多重要進(jìn)展，在一定程度上證明其應(yīng)用前景。2020年，噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)公司宣布將在歐洲航天局和英國航天局（UKSA）的支持下，為“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行飛行演示驗(yàn)證，論證可行的試驗(yàn)飛行器方案，這表明發(fā)動(dòng)機(jī)研制又取得了一定的進(jìn)展。

3 新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用

核動(dòng)力聚焦基礎(chǔ)技術(shù)研發(fā)，深空成為主要應(yīng)用場景

核動(dòng)力火箭作為一種高比沖、大推力（相比電推進(jìn)等形式）的動(dòng)力方案，對(duì)于深空探測而言是一類非常重要的選擇。在美國逐步明確重返月球和以火星為最終目標(biāo)的深空探測計(jì)劃后，核動(dòng)力再次被重視起來，主要應(yīng)用于上面級(jí)。

2017年，NASA啟動(dòng)“核熱推進(jìn)”研究項(xiàng)目，開發(fā)一種能夠用于載人火箭、前往火星的核熱推進(jìn)系統(tǒng)反應(yīng)堆，為NASA的核動(dòng)力火箭設(shè)計(jì)提供驗(yàn)證和支持。NASA在該項(xiàng)目上的投入也在逐年增加，在2019年財(cái)年申請(qǐng)1億美元預(yù)算，2020財(cái)年預(yù)算增至1.25億美元。DARPA在2019年啟動(dòng)名為“用于近月空間靈活作戰(zhàn)的驗(yàn)證火箭”的核熱推進(jìn)項(xiàng)目，在2020財(cái)年申請(qǐng)1000萬美元預(yù)算，2021財(cái)年預(yù)算增至2100萬美元。該項(xiàng)目首要任務(wù)是要開發(fā)和驗(yàn)證核熱推進(jìn)系統(tǒng)燃料單元的增材制造技術(shù)，突破傳統(tǒng)制造技術(shù)的限制。

創(chuàng)企開展新概念旋轉(zhuǎn)發(fā)射方案研究，大幅降低發(fā)射成本

美國創(chuàng)企自旋發(fā)射公司（Spin Launch）提出利用旋轉(zhuǎn)加速技術(shù)進(jìn)行航天發(fā)射的方案，系統(tǒng)由大型離心機(jī)（發(fā)射裝置）和小型火箭上面級(jí)組成。離心機(jī)是一個(gè)直徑100m的大型真空結(jié)構(gòu)，主要部件包括鋼結(jié)構(gòu)真空腔、主電機(jī)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)臂、發(fā)射通道和火箭釋放裝置。發(fā)射時(shí)，離心機(jī)首先將火箭上面級(jí)加速到預(yù)定值，火箭上面級(jí)從離心機(jī)的出口射出，利用慣性達(dá)到60km的高度，然后發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工作，將載荷送入軌道。上述系統(tǒng)的近地軌道運(yùn)載能力約為100kg，每天能夠進(jìn)行5次發(fā)射，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本和快速響應(yīng)進(jìn)入空間的目標(biāo)。目前，自旋發(fā)射公司已經(jīng)做出了一個(gè)直徑12m的離心機(jī)，并對(duì)太陽能電池、無線電系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡鏡片、電池、計(jì)算機(jī)等進(jìn)行了測試，證明上述硬件都能夠承受離心機(jī)的載荷。

不過，旋轉(zhuǎn)發(fā)射方案在過載、氣動(dòng)熱等方面仍面臨很大的挑戰(zhàn)，盡管在理論上存在可行性，但能否真正實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用還有待證明。

3D打印技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，降本增效顯著

NASA近年來積極推動(dòng)3D打印技術(shù)在運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用。SLS芯級(jí)和上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴注器、渦輪泵、縱向振動(dòng)耦合（POGO）抑制組件和排氣蓋板等結(jié)構(gòu)零部件的制造大量應(yīng)用了選擇性激光熔化技術(shù)，據(jù)稱可以將其制造成本降低45%，并顯著縮短研發(fā)和制造時(shí)間。以發(fā)動(dòng)機(jī)的POGO抑制組件為例，傳統(tǒng)工藝需花費(fèi)9～10個(gè)月，而利用選擇性激光熔化技術(shù)只需要9天就可以完成。

歐洲在阿里安－6新型火箭的火神－2.1（Vulcain－2.1）發(fā)動(dòng)機(jī)和“芬奇”（Vinci）發(fā)動(dòng)機(jī)上大量采用3D打印工藝。GKN宇航公司（GKN Aerospace）采用激光焊接和激光金屬沉積技術(shù)來制造火神－2.1發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，零部件數(shù)量從1000個(gè)減少至100個(gè)左右，成本降低40%，制造周期縮短30%。

美國相對(duì)論航天公司（Relativity Space）不僅要利用3D打印技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)，而且還要采用3D打印技術(shù)制造包括火箭貯箱在內(nèi)的全部箭體結(jié)構(gòu)，并專門研制了大型3D打印設(shè)備。該公司的地球人－1（Terran－1）火箭直徑2.1m，計(jì)劃2021年進(jìn)行首飛。該公司聲稱，通過3D打印技術(shù)，從原材料到發(fā)射僅需要60天[6]。

4 小結(jié)

一次性運(yùn)載火箭作為當(dāng)前進(jìn)入空間的最主要途徑，國外更加重視通過技術(shù)和流程的改進(jìn)提高性能、降低成本，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的重要性日益突出。國外重復(fù)使用運(yùn)載器近期主要是以火箭復(fù)用為主，實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑包括垂直起降和傘降回收，類似飛機(jī)操作的能夠水平返回的亞軌道飛行器還需要更多的創(chuàng)新和突破。新技術(shù)是推動(dòng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)長遠(yuǎn)發(fā)展的決定性因素，核動(dòng)力等新的系統(tǒng)方案可能會(huì)顛覆未來進(jìn)入空間的方式。