2022 年國外航天運輸系統(tǒng)發(fā)展綜述

楊開（北京航天長征科技信息研究所）

2022 年，世界航天發(fā)射次數(shù)再創(chuàng)新高，達到186 次，打破2021 年146 次的發(fā)射記錄。其中，178 次成功，1 次部分成功，7 次失敗，成功率達到95.7%。美國、中國、俄羅斯發(fā)射次數(shù)位居前三，分別為87 次、64 次和22 次。其中，3 個型號系列發(fā)射次數(shù)超過10 次，“獵鷹”（Falcon）系列61 次、長征系列53 次、聯(lián)盟-2（Soyuz-2）系列19 次。

2022 年，全球發(fā)射載荷數(shù)量約2500 個左右，發(fā)射總質(zhì)量超過1000t。相比2021 年，載荷數(shù)量增幅約為35%，發(fā)射總質(zhì)量增幅約為25%。其中，“星鏈”（Starlink）星座發(fā)射任務(wù)占比最高，在34 次發(fā)射任務(wù)中“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量超過1700 顆，約占發(fā)射載荷總數(shù)的69%，而“星鏈”衛(wèi)星發(fā)射總質(zhì)量約占全球發(fā)射總質(zhì)量的49%。

1 美SLS 重型火箭完成首飛，航天探索邁向深空時代

美國“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭成功進行首飛，盡管射前測試和發(fā)射準(zhǔn)備過程一波三折，推進劑加注多次遭遇故障，發(fā)射時間不斷推遲，但在排除主要問題后，SLS 在2022 年11 月16 日成功完成首飛，將“獵戶座”（Orion）飛船送入奔月軌道。在開展首飛任務(wù)的同時，美國國家航空航天局（NASA）還在推進SLS 重型火箭的后續(xù)任務(wù)，持續(xù)開展芯級主發(fā)動RS-25 的地面試車，推動后續(xù)火箭制造裝配，第二枚SLS 的主要箭體部段已基本完工，即將運往發(fā)射場進行裝配。另外，NASA 在7 月發(fā)布了“探索生產(chǎn)與運營合同”（EPOC）的預(yù)招標(biāo)公告，計劃由波音公司（Boeing）和諾格公司（NG）組建“深空運輸公司”（Deep Space Transport），負(fù)責(zé)SLS 制造、試驗、運輸和發(fā)射的全流程，將目前采購硬件的模式轉(zhuǎn)變?yōu)椴少彿?wù)的模式，試圖降低項目運營成本，實現(xiàn)深空探索活動的可持續(xù)發(fā)展。

SLS 首飛箭在發(fā)射臺（來源：NASA）

在SLS 首飛之際，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）持續(xù)快速迭代改進超重- 星艦（Super-Heavy Starship）方案，堅持小步快跑的方式，逐步開展多臺發(fā)動機聯(lián)合試車，同時SpaceX 也從美國政府取得了發(fā)射許可，有望在2023 年初實現(xiàn)首次入軌飛行試驗。改進之后猛禽- 2（Raptor - 2）發(fā)動機性能大幅提升，燃燒室壓力達到30MPa，推力從180t 提升至230t。盡管2022 年猛禽- 2 出現(xiàn)多次試車事故，但是每周7 臺的高產(chǎn)能卻足以支撐其快速改進和優(yōu)化。

超重-星艦S24 樣機在星基地試車（來源：SpaceX）

與此同時，NASA 咨詢委員會在“‘阿爾忒彌斯’（Artemis）任務(wù)概述”中明確2031 年前將有7 次SLS 重型火箭發(fā)射任務(wù)以及至少2 次超重- 星艦發(fā)射，而NASA 的新版“月球到火星目標(biāo)”和歐洲航天局（ESA）的“新世界”空間探索路線圖（Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap）則使得深空探索路徑更加清晰，核動力、空間運輸、在軌低溫流體管理等新技術(shù)也備受關(guān)注。美國“阿爾忒彌斯協(xié)定”（Artemis Accord）簽約國擴展到22 個，美國將聯(lián)合歐洲、日本等國家，以SLS 重型火箭為探索深空的主要力量，以完全重復(fù)使用且運載能力超百噸的超重- 星艦新型運輸系統(tǒng)謀求低成本深空往返能力，將航天探索推向深空。

2 航天發(fā)射“航班化”運營初現(xiàn)端倪，復(fù)用技術(shù)或?qū)⒊蔀樾滦突鸺龢?biāo)配

SpaceX 公司全年利用3 個發(fā)射工位完成60 次獵鷹-9（Falcon-9）火箭發(fā)射，平均每周發(fā)射超過1 次，且全部取得成功。在60 次發(fā)射任務(wù)中：58次進行一子級回收全部成功，另外2 次因發(fā)射軌道需求以及子級復(fù)用接近上限而放棄回收；僅使用4 枚新制造一子級，其余56 次發(fā)射任務(wù)均采用復(fù)用一子級；B1058 一子級突破15 次的最大復(fù)用次數(shù)；B1062 一子級創(chuàng)下21 天的最短復(fù)用間隔；一子級平均復(fù)用間隔為94 天。上述數(shù)據(jù)不僅表明獵鷹-9 火箭的垂直起降復(fù)用技術(shù)愈發(fā)成熟，而且也初步顯現(xiàn)出類似航班化運營的模式，新制造的硬件越來越少、復(fù)用次數(shù)越來越多、復(fù)用周期和間隔越來越短，檢測維護投入更多。SpaceX 公司更關(guān)注復(fù)用準(zhǔn)則的探索，通過振動試驗驗證重要部件的疲勞壽命能覆蓋4 倍于15 次飛行任務(wù)的工作時長，建立三個級別復(fù)用檢測維護準(zhǔn)則，即每次任務(wù)后都進行的A 級檢測、執(zhí)行6-7 次飛行任務(wù)后的B 級定期維修、發(fā)射次數(shù)最多（13 次以上）和執(zhí)行載人任務(wù)需進行C 級徹底維護。

“獵鷹”重型火箭兩枚助推器同時返回著陸（來源：SpaceX）

由于獵鷹-9 在重復(fù)使用技術(shù)上的成功和突破，顯著降低了發(fā)射價格，極大提升了火箭發(fā)射頻率，并以此占據(jù)了大量的市場份額，迫使其他主流火箭也轉(zhuǎn)向重復(fù)使用技術(shù)。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）在“火神”（Vulcan）火箭上堅持采用發(fā)動機部段傘降回收的方案，且為提高回收效率、降低操作成本，2022 年將直升機空中捕獲環(huán)節(jié)取消，直接傘降到海上打撈回收，其傘降回收方案采用的充氣式超聲速減速裝置也在宇宙神-5（Atlas-5）火箭11 月的發(fā)射任務(wù)中成功得到驗證。歐洲政府機構(gòu)和工業(yè)部門也都在積極推動重復(fù)使用技術(shù)發(fā)展，歐盟委員會和歐洲航天局都為“普羅米修斯”（Prometheus）液氧甲烷發(fā)動機和“塞米斯”（Themis）垂直起降驗證機投資；阿里安集團（ArianeGroup）成立馬伊亞航天公司（Maiaspace），專注于小型垂直起降重復(fù)使用火箭研制；阿里安集團在國際宇航聯(lián)大會上提出“蘇西”（Susie）重復(fù)使用軌道飛行器，以及阿里安-6（Ariane-6）后續(xù)向垂直起降重復(fù)使用方案發(fā)展的總體路徑，兩者結(jié)合實現(xiàn)完全重復(fù)使用的航天運輸系統(tǒng)。日本也在和歐洲合作開展克里斯托垂直起降驗證項目，計劃在H3 未來改進和演進構(gòu)型中引入重復(fù)使用技術(shù)。俄羅斯再次提出為安加拉-A5（Angara-A5）火箭采用集束式回收的方案，后續(xù)也可能實現(xiàn)助推器和芯一級的回收復(fù)用。

阿里安集團提出的“蘇西”重復(fù)使用軌道飛行器（來源：阿里安集團）

除了主力型號外，美國火箭實驗室（Rocket Lab）的“電子”（Electron）傘降回收一子級項目實現(xiàn)了直升機空中捕獲的突破，雖然還沒能完全將硬件帶回，但已經(jīng)對方案進行了驗證。火箭實驗室再度公布復(fù)用“中子”（Neutron）火箭詳細方案，具有固定式著陸支架充當(dāng)發(fā)射支撐、整流罩與一子級連接且同時回收等特點。相對論航天公司（Relativity Space）的地球人-R（Terran-R）重復(fù)使用運載火箭項目在2022 年已經(jīng)啟動了復(fù)用火箭發(fā)動機試車工作，盡管地球人- 1 小火箭仍未首飛，但該公司很可能會快速轉(zhuǎn)換到新的重復(fù)使用中型火箭上。

宇宙神-5 火箭發(fā)射（來源：ULA）

3 現(xiàn)役主力火箭庫存即將用盡，新型號研制推遲對更新?lián)Q代產(chǎn)生影響

國外現(xiàn)役主力火箭正在完成最后的任務(wù)，庫存數(shù)量都已經(jīng)明確。根據(jù)美國國會要求，采用俄羅斯RD-180 發(fā)動機的宇宙神-5 火箭在2022 年后將不能用于國家安全發(fā)射任務(wù)，剩余的20 枚宇宙神-5 火箭將主要用于商業(yè)發(fā)射任務(wù)，即亞馬遜公司的“柯依伯”（Kuiper）低軌衛(wèi)星星座建設(shè)。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的德爾他-4H（Delta-4H）火箭還剩余2次發(fā)射任務(wù)，將在2024 年正式退役。俄羅斯質(zhì)子-M（Proton-M）火箭的制造在2022 年結(jié)束，在退役之前還有13 枚火箭可供使用。歐洲的阿里安-5（Ariane-5）火箭在2022 年完成3 次發(fā)射任務(wù)后，僅剩余2 枚可供使用。

然而，國外新型主力運載火箭都遭遇比較嚴(yán)重的推遲情況，原本計劃2020 年前后啟動的新老主力型號更新?lián)Q代，都推遲到了2023 年或之后。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司用于替代宇宙神- 5 和德爾他- 4H 的“火神”火箭因BE-4 液氧甲烷發(fā)動機研制不順利，以及上面級制造等問題，已經(jīng)將首飛推遲到2023 年第一季度，而要實現(xiàn)2023 年執(zhí)行美國國家安全發(fā)射任務(wù)的目標(biāo)，該火箭還需要先完成2 次飛行任務(wù)來證明其可靠性。俄羅斯的新型安加拉- A5 火箭已經(jīng)完成了3 次試驗飛行任務(wù)，但在2021 年底的第三次發(fā)射任務(wù)中遭遇失利，未來接替質(zhì)子號-M 的時間仍未可知。俄羅斯的新型聯(lián)盟-5（Soyuz-5）火箭大量采用成熟技術(shù)，2022 年完成RD-171MV主發(fā)動機鑒定，RD-0124MS 試車創(chuàng)下該型發(fā)動機最高比沖記錄，箭體結(jié)構(gòu)試驗穩(wěn)步推進，但是首飛瞄準(zhǔn)2024 年，也存在較大不確定性。歐洲在2022年啟動了阿里安-6 火箭在新發(fā)射工位的靶場合練，解決了低溫臍帶臂的技術(shù)問題，但是首飛時間再推遲到2023 年四季度，很可能和阿里安-5 火箭之間產(chǎn)生空窗期。日本因H3 火箭芯一級LE-9 主發(fā)動機渦輪泵和燃燒室設(shè)計問題，花費兩年多時間進行設(shè)計更改和地面試車鑒定后，2022 年11 月在發(fā)射臺完成首飛箭的射前靜態(tài)點火試車。（2023 年2 月17 日，H3 火箭發(fā)射失利。- 編者注）

盡管國外主力型號的改進升級均有較好的研制基礎(chǔ)，但是新型發(fā)動機、新發(fā)射設(shè)施等新方案和新技術(shù)的引進仍造成了很多問題，導(dǎo)致首飛時間不斷推遲，對更新?lián)Q代產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的影響，也在很大程度上說明火箭研制的難度和風(fēng)險。

阿里安-6 地面合練箭完成總裝（來源：ESA）

4 商業(yè)航天過于追求低成本，小型火箭遭遇多次失利

2022 年，國內(nèi)外共出現(xiàn)8 次失利或部分成功的情況，全部都是小型運載火箭。美國創(chuàng)企阿斯特拉航天公司（Astra Space）的火箭-3（Rocket-3）在2022 年連續(xù)遭遇2 次失利，從2020 年首飛以來7 次發(fā)射5 次失利，盡管以795 萬美元3 次發(fā)射的低價獲得NASA 合同，但可靠性和成功率極低，遠未達到以極高頻率發(fā)射帶動火箭批產(chǎn)而降低成本的目標(biāo)，加之火箭運載能力太低，該公司被迫改變發(fā)展路線，宣稱研制運載能力更大的火箭-4（Rocket-4）。但公司股價已經(jīng)跌破1 美元，面臨退市風(fēng)險，發(fā)展前景堪憂。印度“小型衛(wèi)星運載火箭”（SSLV）同樣以推動本國商業(yè)航天發(fā)展為目標(biāo)，報價380-440 萬美元，但首飛因飛控系統(tǒng)判斷邏輯和加速度傳感器故障遭遇失利。美國螢火蟲航天公司（Firefly Aerospace）的“螢火蟲阿爾法”（Firefly Alpha）火箭在2021 年首飛失利后，2022 年第二次發(fā)射也未能將載荷送入預(yù)定軌道，只取得部分成功。顯然，在商業(yè)航天快速發(fā)展的時代背景下，過于追求低成本，一定程度上忽視了航天發(fā)射活動的高風(fēng)險性，勢必對可靠性產(chǎn)生不利影響。

另外，歐洲織女星-C（Vega-C）火箭首飛成功（但第二次發(fā)射遭遇失利），韓國航天運載火箭-Ⅱ（KSLV-Ⅱ）第二次發(fā)射取得成功破解首飛失利的困境，美國RS1 和地球人-21 火箭，歐洲的奧格斯堡火箭工廠一號（RFA-1）、“光譜”（Spectrum）、“一流”（Prime）等多個小型火箭也將在2023 年首飛，近年來的小火箭發(fā)展熱潮正在孕育出更多新型號。但是以火箭-3 連續(xù)遭遇2 次失利的典型情況，更能代表小型火箭發(fā)展所面臨的困境，所以火箭實驗室、相對論航天等公司都提出了重復(fù)使用的大中型火箭研制計劃，在發(fā)展路線和火箭構(gòu)型上非常類似于SpaceX公司先發(fā)展獵鷹-1 小火箭、再發(fā)展多發(fā)動機并聯(lián)的重復(fù)使用獵鷹-9 火箭，小型火箭成為驗證商業(yè)公司火箭研發(fā)能力的試驗田。

5 俄航天反制裁措施效果顯著，凸顯自主進入空間能力價值

2022 年俄烏間爆發(fā)戰(zhàn)爭沖突，美歐對俄羅斯發(fā)起嚴(yán)格的政治經(jīng)濟制裁，俄羅斯在航天優(yōu)勢領(lǐng)域進行了有效的反制，特別是運載火箭及火箭發(fā)動機技術(shù)合作項目上的反制，給美國和歐洲產(chǎn)生重要影響。首先，俄羅斯停止與歐洲航天局在圭亞那航天發(fā)射場發(fā)射聯(lián)盟- ST 火箭的合作項目，歐洲各國政府及相關(guān)機構(gòu)的重要載荷，例如“伽利略”（Galileo）導(dǎo)航衛(wèi)星、法國“光學(xué)空間組件”（CSO）偵查衛(wèi)星等發(fā)射任務(wù)受到嚴(yán)重影響，歐洲不得不向美國SpaceX 公司尋求發(fā)射機會。其次，俄羅斯不再用聯(lián)盟- 2 火箭為英國一網(wǎng)公司（Oneweb）提供發(fā)射服務(wù)，歐洲阿里安航天公司（Arianespace）與一網(wǎng)公司的剩余6 次發(fā)射任務(wù)面臨違約賠償，一網(wǎng)公司則被迫向競爭對手SpaceX 公司以及印度尋求發(fā)射機會，發(fā)射其剩余衛(wèi)星，完成一期星座部署。另外，韓國的2 次原計劃利用俄羅斯聯(lián)盟- 2 火箭和安加拉- A5 火箭發(fā)射的任務(wù)也被取消，韓國正在增加經(jīng)費從其他國家尋求發(fā)射機會。最后，俄羅斯停止向美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司提供RD - 180 的技術(shù)支持，且不再為美國諾格公司提供RD - 181 發(fā)動機。雖然聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的宇宙神- 5 火箭受影響較小，但安塔瑞斯（Antares）一子級缺少發(fā)動機后，諾格公司不得不選擇與美國創(chuàng)企螢火蟲航天公司合作研制新的一子級。在新的一子級交付之前，為解決暫時的發(fā)射缺口，諾格公司也只能向競爭對手SpaceX 公司求助，利用獵鷹- 9 火箭發(fā)射“天鵝座”（Cygnus）飛船。顯然，俄羅斯簡單的幾項反制措施，產(chǎn)生了一系列反應(yīng)，尤其是歐洲缺乏完善自主進入空間能力的缺陷暴露無遺。

6 結(jié)束語

航天運輸系統(tǒng)是進入空間的基礎(chǔ)，決定著進入空間的能力，而進入空間的能力又決定著如何利用空間，決定一個國家能夠在太空中走多遠。2022 年，世界航天發(fā)射活動再創(chuàng)新高，而且重型運載火箭和重復(fù)使用技術(shù)都有了新突破，預(yù)示未來仍有更大的能力提升空間。伴隨著航天運輸系統(tǒng)技術(shù)成熟、成本下降，將會帶動更大規(guī)模、更大范圍的空間活動，推動航天經(jīng)濟和航天活動邁上新的臺階。