美國“火箭貨運”方案及難點分析

王林 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

近年來，以“超重-星艦”（Super-heavy Starship）為代表的重復(fù)使用火箭項目快速發(fā)展，使得航天運輸系統(tǒng)用于地球上點到點人員和物資快速運輸?shù)那熬氨粡V泛關(guān)注，美國軍方尤其重視其軍事應(yīng)用潛力。美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）于2017年提出“超重-星艦”可在40min內(nèi)把乘客從紐約送到上海，并在2019年向美國陸軍建議“超重-星艦”可用于人員及貨物運輸。美軍運輸司令部（USTRANSCOM）在2020年3月和SpaceX公司合作分析利用后者的航天運輸系統(tǒng)進(jìn)行貨物和人員運輸?shù)目尚行?，?020年4月和探索架構(gòu)公司（XArc）合作分析利用商業(yè)航天港的潛力和條件。

1 “火箭貨運”概念的提出

經(jīng)過前期探索和研究，美國空軍在2021年5月公布的新財年預(yù)算案中正式增加“火箭貨運”項目，預(yù)算4790萬美元，提出利用商業(yè)重復(fù)使用火箭實現(xiàn)百噸貨物的全球1h抵達(dá)。隨后，空軍在2021年6月宣布，“火箭貨運”成為“先鋒”計劃（Vanguard）下第四個正式項目，并發(fā)布名為“全球敏捷物流火箭試驗”（REGAL）的項目征集公告。

2021年9月，空軍發(fā)布“火箭貨運”開展災(zāi)難救援的概念方案，展示出從貨物裝載、火箭發(fā)射、一子級返回發(fā)射臺、二子級飛行再入、抵達(dá)受災(zāi)地區(qū)著陸（無著陸臺）、貨物卸載的全過程，明確了總體方案。全球物資運輸速度和可達(dá)性的顛覆性創(chuàng)新，很可能會變革美軍向任意地點進(jìn)行軍力投送和軍力維持的能力。

2022年1月，美國空軍向SpaceX公司提供為期5年總價值1.02億美元的合同，利用SpaceX公司的試驗和發(fā)射任務(wù)，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，評估利用火箭實現(xiàn)物資全球快速運輸?shù)目尚行?，而且可能會開展飛行驗證，“火箭貨運”項目向前邁出關(guān)鍵一步。

2 “火箭貨運”方案概況

美國空軍在2021年6月發(fā)布的項目征集公告對“火箭貨運”的需求進(jìn)行了全面描述，結(jié)合空軍發(fā)布的概念視頻方案，可以從基本指標(biāo)、應(yīng)用場景、系統(tǒng)組成和驗證途徑幾個方面勾畫出“火箭貨運”的總體方案。

兩個基本指標(biāo)

空軍“火箭貨運”方案目標(biāo)運載能力與C-17運輸機相當(dāng)，達(dá)到30～100t的水平。最低速度要求是1h抵達(dá)（不含貨物裝載和卸載時間），相比現(xiàn)有航空運輸?shù)乃俣?，提升約15倍，但是需要火箭飛出大氣層后進(jìn)行再入。除滿足上述兩個基本指標(biāo)外，成本、發(fā)射許可、飛越領(lǐng)空、環(huán)境影響、靶場安全等方面也是該方案研究過程中需要考慮的因素。

兩類應(yīng)用場景

類似于美軍采用商業(yè)海、陸、空運輸服務(wù)和現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施為全球軍事基地進(jìn)行物資運輸，未來美軍可以在各個基地建設(shè)發(fā)射臺，利用重復(fù)使用商業(yè)火箭實現(xiàn)物資1h抵達(dá)。為了實現(xiàn)常規(guī)快速物資運輸，美軍重點關(guān)注優(yōu)化射前和射后的操作流程，以便將點到點的航天運輸能力集成到現(xiàn)有的軍事物資運輸體系中。

對于恢復(fù)遭遇破壞的軍事任務(wù)能力、人道主義救援和災(zāi)難救援等應(yīng)急響應(yīng)需求，目的地很可能沒有著陸臺。該場景下，商業(yè)火箭從發(fā)射臺發(fā)射，只能在偏遠(yuǎn)的簡易著陸區(qū)著陸，基礎(chǔ)設(shè)施條件非常有限，沒有地面支持設(shè)備進(jìn)行物資卸載，需要火箭自帶設(shè)備通過自主或人工方式完成。之后，火箭可以再次加注、發(fā)射返回，也可以通過其他方式運回發(fā)射臺。對于不具備著陸條件的極端情況，還需要采用空投的方式完成物資投遞。

三個組成部分

“火箭貨運”方案主要包括重復(fù)使用火箭、貨物集裝箱和發(fā)射臺。

重復(fù)使用火箭是承擔(dān)運輸功能的主要載體，但并非項目投資的重點，空軍希望借助美國在研的各類商業(yè)火箭來開展方案試驗驗證，如果可行性得到證實，美軍將會采用類似于同航空公司合作的方式，通過購買服務(wù)進(jìn)行物資的快速投遞。根據(jù)空軍發(fā)布的項目公告，計劃2～3家公司開展火箭能力的演示驗證，主要以SpaceX公司的“超重-星艦”為主。相對論空間 公司（Relativity Space）提出的地球人-R（Terran-R）火箭具備完全重復(fù)使用能力，可能成為該項目的備選方案之一。

地球人-R火箭示意圖

貨物集裝箱功能類似于載荷適配器，操作人員在地面上將物資打包到集裝箱后，再通過自主或人工的方式將集裝箱裝載到火箭。集裝箱的密封條件可以改善運輸過程中載荷的力熱環(huán)境，實現(xiàn)應(yīng)急情況下的物資空投，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的集裝箱設(shè)計還有助于快速裝載和卸載。

發(fā)射臺建在美軍的各個基地，能夠同時用于火箭的發(fā)射和返回著陸，相比傳統(tǒng)發(fā)射臺，數(shù)量多、通用性高，對于建設(shè)成本比較敏感。為了實現(xiàn)快速響應(yīng)，發(fā)射臺還需要具有比較高的操作效率。

三種驗證途徑

空軍為“火箭貨運”規(guī)劃了三種演示驗證的途徑。首先，通過地面試驗和分析相結(jié)合的方式，從飛行彈道、火箭能力、集裝箱設(shè)計、飛行環(huán)境、操作流程等方面對系統(tǒng)總體能力進(jìn)行分析驗證；其次，利用一次發(fā)射試驗，同時對火箭發(fā)射、飛行、著陸的可行性進(jìn)行演示驗證；最后，通過多次發(fā)射試驗，分別對火箭發(fā)射、飛行、著陸進(jìn)行驗證。

3 “火箭貨運”技術(shù)難點

基于垂直起降方案的火箭重復(fù)使用技術(shù)

“火箭貨運”采用垂直起降重復(fù)使用火箭，主要涉及發(fā)動機多次啟動及推力深度調(diào)節(jié)、返回和再入制導(dǎo)控制技術(shù)、再入熱防護(hù)技術(shù)、高可靠著陸緩沖機構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)?？哲姼拍罘桨敢許paceX公司的“超重-星艦”為原型，采用兩級構(gòu)型，一子級完成助推飛行后，返回過程中發(fā)動機需多次啟動，通過推力深度調(diào)節(jié)，逐步將速度降至零，實現(xiàn)在發(fā)射臺的平穩(wěn)著陸；二子級再入過程需要結(jié)構(gòu)熱防護(hù)，之后以相同方式在目的地著陸。二子級有可能需要在條件比較惡劣的簡易平臺上著陸，會對著陸緩沖機構(gòu)提出更高的技術(shù)要求。另外，“火箭貨運”方案下，火箭一、二子級大多數(shù)時間在大氣層內(nèi)飛行，飛行目的地有一定的隨機性，飛行彈道變化多，氣動力影響大，制導(dǎo)控制要求更高，需要綜合應(yīng)用發(fā)動機推力矢量控制、反作用控制系統(tǒng)和格柵舵等多種控制機構(gòu)實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

新型貨物集裝箱及裝載/卸載技術(shù)

空軍在“火箭貨運”方案下計劃采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的貨物集裝箱方案，類似于帶有標(biāo)準(zhǔn)接口的衛(wèi)星適配器，可以適配不同尺寸、質(zhì)量、形狀的各類物資。將物資封裝到通用化容器中，能夠在運輸和裝卸過程中保持貨物完整性，便于實現(xiàn)貨物的快速裝載和卸載，有助于和美軍現(xiàn)有物資運輸體系相結(jié)合，還能在應(yīng)急空投時為物資提供力、熱環(huán)境保護(hù)。集裝箱的裝載/卸載技術(shù)，尤其是無人自主裝卸技術(shù)既能大幅提升操作效率，還能在應(yīng)急著陸缺少地面支持設(shè)備的情況下自主完成貨物卸載。2021年12月，美軍組織的“超空間挑戰(zhàn)”（Hyperspace）研討會上，騎士航天公司（Knight Aerospace）提出了立方體模塊型的集裝箱以及由笛卡爾坐標(biāo)裝載系統(tǒng)和柱面坐標(biāo)裝載系統(tǒng)組成的載荷操作系統(tǒng)，還提出利用“火箭醫(yī)院”概念，將醫(yī)療設(shè)備設(shè)計成模塊化組件，通過火箭運輸。

快速響應(yīng)發(fā)射的地面操作技術(shù)

“火箭貨運”的快速響應(yīng)優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在火箭飛行時間控制在1h內(nèi)，地面操作的速度和靈活性也是非常重要的方面。在“火箭貨運”兩種不同的應(yīng)用場景下，運輸?shù)奈镔Y及目的地，有可能事先已知，也可能事先未知，尤其是在沒有地面發(fā)射支持設(shè)備的情況下，需要創(chuàng)新型的推進(jìn)劑加注和發(fā)射技術(shù)，或者把火箭運輸?shù)礁浇陌l(fā)射臺開展后續(xù)操作。

發(fā)射、飛行和著陸的環(huán)境測量技術(shù)

在方案可行性研究階段，需要對各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，以評估系統(tǒng)性能。在發(fā)射環(huán)節(jié)，需要對射前推進(jìn)劑加注等操作環(huán)節(jié)的時長進(jìn)行測量，確定射前的操作流程。在飛行環(huán)節(jié)，需要對火箭飛行全程彈道，貨艙的噪聲、過載和熱環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測量，確定飛行環(huán)境能否滿足物資運輸要求。在著陸環(huán)節(jié)，需要對火箭羽流及其和地面間的相互影響進(jìn)行測量，評估發(fā)射臺建設(shè)需求。

4 分析

（1）“火箭貨運”可補充完善物資運輸體系，大幅提升應(yīng)急響應(yīng)能力

美軍當(dāng)前的軍事物資運輸體系基于陸?？辗绞浇?，隨著“超重-星艦”等商業(yè)重復(fù)使用運載火箭研制項目的快速推進(jìn)，航天發(fā)射成本大幅降低，基于航天運輸系統(tǒng)的物資運輸方式進(jìn)入美軍視野。相比傳統(tǒng)運輸方式，“火箭貨運”能夠?qū)⑦\輸時間縮短至1/15以內(nèi)，實現(xiàn)物資甚至人員的應(yīng)急投送，快速建立或恢復(fù)軍事作戰(zhàn)能力，助力美軍達(dá)成軍事戰(zhàn)略目標(biāo)。作為美空軍“先鋒”計劃下第4個正式項目，“火箭貨運”具備“先鋒”計劃的典型特征，不僅要取得技術(shù)上的突破，更要通過對美軍整個物資運輸體系的創(chuàng)新改變，支撐體系作戰(zhàn)能力的提升。

（2）關(guān)注集裝箱和任務(wù)操作等核心能力需求，火箭技術(shù)依靠商業(yè)公司解決

空軍發(fā)布的項目征集公告中，涉及“點到點能力和操作演示驗證”“點到點火箭演示驗證”兩個方面的內(nèi)容，前者計劃最多授出20份演示驗證合同，每份價值3500萬美元，后者計劃授出2～3份演示驗證合同，每份價值1000萬美元?？哲娨惨辉購娬{(diào)，要依靠商業(yè)公司的重復(fù)使用火箭，甚至要利用商業(yè)公司研發(fā)過程中的試驗和數(shù)據(jù)，而不會直接為火箭投入研制經(jīng)費。顯然，美軍要聚焦新型集裝箱方案和技術(shù)、發(fā)射任務(wù)操作等核心能力需求上，從系統(tǒng)總體需求的角度出發(fā)，開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)、演示系統(tǒng)能力。

（3）提前謀劃布局高風(fēng)險項目，以實現(xiàn)系統(tǒng)能力的突破性變革

“火箭貨運”的基礎(chǔ)是商業(yè)重復(fù)使用火箭，但以進(jìn)展最快的“超重-星艦”項目而言，也僅僅是完成二子級10km的高空飛行和返回著陸，二子級再入熱防護(hù)、一子級數(shù)十臺發(fā)動機并聯(lián)設(shè)計、新型捕捉回收方案等大量新技術(shù)還未得到驗證，“猛禽”（Raptor）發(fā)動機仍未最終定型，火箭總體方案還在不斷進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，技術(shù)風(fēng)險還非常大。而“地球人-R”等其他完全重復(fù)使用火箭仍停留在紙面上，商業(yè)公司融資和經(jīng)營方面的風(fēng)險也很可能會導(dǎo)致項目夭折。盡管如此，美國空軍面向2030年的《科技戰(zhàn)略》中對“先鋒”計劃的定位就是要通過對高風(fēng)險設(shè)計的演示驗證，來明確未來發(fā)展方向，確定差距和需求，回答具體問題，為未來決策提供信息。

5 結(jié)束語

隨著航天運輸技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步超越傳統(tǒng)航天器發(fā)射的范疇，不管是商業(yè)領(lǐng)域的太空旅游、科學(xué)探索領(lǐng)域的火星移民，還是軍事領(lǐng)域的物資快速投遞，都在從不可能變?yōu)榭赡埽瑥目赡茏優(yōu)楝F(xiàn)實。在“火箭貨運”項目上，盡管風(fēng)險巨大，但潛在收益也相應(yīng)提升，軍方超前謀劃布局、商業(yè)公司快速響應(yīng)支撐，利用技術(shù)進(jìn)步給應(yīng)用帶來更多創(chuàng)新方案。