全球航天運載器發展回顧

龍雪丹 曲晶 解曉芳 楊開 秦旭東

（1 北京航天長征科技信息研究所 2 北京宇航系統工程研究所）

全球航天運載器發展回顧

2016 Year in Review: World Space Vehicles

龍雪丹1曲晶1解曉芳1楊開1秦旭東2

（1 北京航天長征科技信息研究所 2 北京宇航系統工程研究所）

2016年，世界航天活動異彩紛呈，私營航天企業蓬勃發展。全球共執行85次航天發射，共將209個航天器送入軌道。新型航天運載器的研制和發射場的建設如期實施，以火箭一子級垂直起降為代表的重復使用技術取得突破性進展。

1 發射情況

2016年，全球在85次航天發射中，中國和美國以22次并列第一，俄羅斯和歐洲分別以19次和9次，位列三、四位，緊隨其后的分別為印度7次、日本4次、朝鮮1次、以色列1次。

火箭家族增添新成員，更新換代首飛均獲成功

長征－5、7兩型新火箭投入使用，拉開了中國運載火箭更新換代的序幕。2016年6月25日，中國新一代中型火箭長征－7完成首秀，為后續載人航天工程推進奠定堅實的基礎。火箭具有近地軌道13.5t、700km太陽同步軌道5.5t的運載能力，采用無毒、無污染推進劑。11月3日，長征－5在海南文昌發射場點火升空，準確將有效載荷送入預定軌道，首次任務取得圓滿成功，使中國運載火箭步入世界前列，是中國從航天大國邁向航天強國的重要支撐和顯著標志之一。長征－5系列運載火箭采用模塊化、通用化、系列化設計，近地軌道運載能力覆蓋10～25t，地球同步轉移軌道運載能力為6～14t。

4月28日，俄羅斯新型聯盟－2.1a/“伏爾加”（Soyuz－2.1a/Volga）從東方航天發射場首飛，將3顆衛星送入預定軌道。同時，本次發射還標志著該發射場正式投入使用，它是俄羅斯境內首個民用航天發射場，可保障俄羅斯完全自主地開展航天活動。目前，該發射場一期建設接近尾聲，二期建設已獲得批準，預計2023年前完成全部基礎設施建設。

10月18日，美國軌道-ATK公司的安塔瑞斯－230（Antares－230）火箭成功首飛，這也是“安塔瑞斯”自2014年10月28日發射失敗后的首次飛行。一子級改用RD－181發動機替代AJ－26，在提升火箭動力系統可靠性的同時提高了運載能力。火箭起飛質量298t，高200km、傾角38°圓軌道的運載能力接近7t，600km太陽同步軌道運載能力約為2.1t。

美國太空探索技術公司回收的獵鷹－9火箭

12月20日，日本“艾普斯龍”（Epsilon）增強型火箭完成首飛，其太陽同步軌道運載能力從450kg增加到590kg。該火箭的改進目標是增加火箭運載能力，滿足小型衛星市場的需求，增加載荷可用空間，同時還增加發射頻率，以便未來增強該火箭在商業發射市場中的競爭力。

美俄火箭遭遇失利，航天發射蒙上陰影

航天發射是一項高風險活動，任何國家都無法保證100%的成功率。

2 0 1 6年9月1日，美國太空探索技術公司（SpaceX）的獵鷹－9（Falcon-9）火箭攜帶以色列阿莫斯－6（Amos－6）衛星在發射臺上進行點火試驗，由于浸泡在超低溫推進劑中的高壓氦氣瓶出現問題引發爆炸，火箭和衛星一同被炸毀，發射臺嚴重受損，衛星價值約2億美元。由于火箭爆炸造成發射計劃延期，國際移動衛星公司（INMARSAT）將以阿里安－5（Ariane－5）替換獵鷹－9執行衛星發射。針對故障原因，太空探索技術公司對發射前試驗及加注流程進行了改進，并于2017年1月15日成功復飛。

12月1日，俄羅斯在聯盟－U火箭發射進步MS－04（Progress MS－04）貨運飛船任務中，船箭提前約140s分離，最終失敗。經調查，發動機組裝過程中的違規操作，導致三子級液氧泵吸入多余物而起火損壞，最終造成氧箱破裂成為失利的罪魁禍首。

2 型號規劃與研制

各國重視航天政策制定，規劃未來型譜及技術發展

美國出版《重審美國航空航天局技術路線圖及優先級（2016）》，對2015年版美國航空航天局（NASA）技術發展路線圖中新增的優先發展技術進行重新梳理，最終確定了未來需要給予重點關注的21項最高優先級技術。

俄羅斯出臺《2016－2025年聯邦航天計劃》，歷經多次修改后，總預算由27000億盧布縮減至14000億盧布，運載火箭型譜由原來的8個縮減至2個，分別為“聯盟”和“安加拉”（Angara）系列，載人登月推遲至2030年。

歐洲發布新版《歐洲航天戰略》，旨在加快航天發展、提升歐洲航天在全球的領先地位，強調繼續發展阿里安－6火箭和織女星－C（Vega－C）火箭，研發可重復使用和低成本發射技術。

重型火箭研制穩步推進，瞄準未來載人深空探索

美國以火星探索任務為遠期目標的“航天發射系統”（SLS）項目，完成了五段式固體助推器的第二次地面鑒定試車。初步結果顯示，改進后的助推器性能符合火箭總體要求；開展了4次RS－25發動機熱試車，飛行用發動機1次，試驗用發動機3次，總時長超過2400s，驗證了航天飛機時代遺留下來的發動機性能和新型控制器的表現。芯級氫箱結構件在米丘德工廠的垂直組裝中心上完成焊接，準備運抵試驗臺進行結構載荷試驗；上面級試驗件已安裝在試驗臺上，即將進行試驗；用以支持火箭發射的地面系統也在同步進行翻新和建設工作。雄心勃勃的太空探索技術公司公布了用于火星探索的完全重復使用的星際運輸系統方案，近地軌道運載能力預計在300～550t，目前已經制造出12m直徑復合材料貯箱用于研發試驗，“猛禽”（Raptor）發動機也已完成首次點火試車。

俄羅斯穩步推進重型運載火箭研制，預計耗時5～7年的時間，研制近地軌道運載能力達到120～160t的重型運載火箭，以期2030年左右實施載人登月，為在月球建立基地鋪平道路。

新型號研制有序開展，以降低成本、提高競爭力為目標

美國“火神”（Vulcan）火箭、歐洲阿里安－6、日本H－3火箭在2016年度通過初步設計評審，預計在2020年左右投入使用。

“火神”采用兩級結構，芯級直徑5m，地球同步轉移軌道運載能力約11t。在年發射10～20次的條件下，單發初始構型“火神”的起步價為1億美元。隨后，“火神”將逐步應用部分可重復使用技術，不斷降低發射成本，最終取代現役主力火箭宇宙神－5（Atlas－5）和德爾他－4（Delta－4）。

H－3火箭采用兩級構型，可加裝2個或4個助推器，太陽同步軌道運載能力為4t以上，地球同步轉移軌道運載能力為6.5t以上，年發射次數有望達到6次，目標是投入使用后使現有發射價格是以往的50%。

此外，韓國航空宇宙研究院（KARI）完成了75噸級火箭發動機和7噸級上面級發動機的全工況試驗。這兩型發動機將用于羅老－2（KSLV－2）火箭上，研制成功后，有望使韓國在近地軌道衛星發射任務上擺脫對國外火箭的依賴，并打開亞洲商業發射市場。

微小型商業火箭迎來機遇，多家公司獲得商業訂單

隨著微小衛星的快速發展，新興商業航天公司提出了多種微小衛星專用火箭方案，采用更先進的制造技術、更有效的自檢手段、更優化的發射模式。

2016年，維珍銀河公司（Virgin Galactic）的發射器－1（LauncherOne）完成動力系統和硬件在環試驗，已獲得44次發射任務訂單。發射器－1為空射二級運載火箭，其載機是改裝過的747－400飛機，低地球軌道運載能力大于400kg。目前，發射器－1有充足的研制資金，預計在2017年下半年進行試飛。該公司曾預估該火箭發射200kg有效載荷進入太陽同步軌道軌道的費用低于1000萬美元。

火箭實驗室公司（RocketLab）的“電子”（Electron）火箭已簽訂4份發射合同，共計19次發射任務。該火箭可將150kg的有效載荷發射到500km的太陽同步軌道，未來逐步實現每72h進行1次發射任務，發射價格約490萬美元。

重復使用方案多途并舉，垂直起降技術漸入佳境

美國藍色起源公司第4次成功進行“新謝潑德”亞軌道飛行器回收試驗

美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展的試驗性太空飛機－1（XS－1）項目完成第一階段的可行性評估，進入第二階段，準備進行樣機研制和試驗。試驗性太空飛機－1為火箭動力帶翼水平返回著陸的亞軌道級，可通過攜帶一次性上面級將載荷送入軌道。2015年，美國聯合發射聯盟公司（ULA）提出在“火神”火箭一子級傘降回收的基礎上，提出了二子級傘降回收的方案。太空探索技術公司成功完成5枚獵鷹－9火箭一子級的回收，并首次成功利用海上平臺回收一子級，證明有動力垂直返回技術趨于成熟。藍色起源公司（Blue Origin）利用同一枚“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道旅游飛行器實現4次飛行和有動力返回著陸，并提出了基于垂直起降技術的“新格林”（New Glenn）運載火箭設計方案。

良渚的鳥崇拜集中在鳥卵崇拜上。這主要體現在良渚玉器的獸面紋中兩只眼和鳥紋中的鳥身，均很像鳥卵。鳥是卵生動物，一鳥能產很多卵，相比于哺乳類動物，鳥的繁殖能力強得多。且鳥有翅膀，能飛，遠較哺乳動物神秘。也許，在良渚人看來，鳥就是神，或是神靈的使者。這樣說來，良渚人崇拜鳥，包含有生殖崇拜和靈物崇拜兩個方面的內涵。

印度也完成了帶翼“重復使用技術驗證機”（RLV-TD）的首次飛行試驗，最大飛行速度馬赫數達5.2，最大飛行高度65km，驗證了大攻角條件下從高超聲速飛行過渡至亞聲速飛行的受控下降段。帶翼“重復使用技術驗證機”不帶動力裝置，利用HS9固體火箭助推器頂推發射。

3 啟示分析

可重復使用運載器仍然是發展熱點

美國太空探索技術公司和藍色起源公司在火箭助推級或一子級垂直起降重復使用技術領域不斷取得突破，印度先后開展了重復使用運載器技術驗證機飛行試驗、吸氣動力超燃沖壓發動機飛行試驗。歐洲持續推進單級入軌空天飛機“云霄塔”（SKYLON）的研制。

運載火箭可重復使用技術途徑可分為三類∶利用火箭自身動力系統垂直起降重復使用技術；采用無控降落傘（或可控翼傘）箭體回收重復使用技術；有翼飛回式水平降落重復使用技術。這3種回收與利用方式各有特點，均存在生存與發展的空間。

技術基礎和經濟實力是發展重型火箭的重要基礎

由于重型火箭的工程龐大，技術難度高，只有具備一定技術儲備和經濟基礎的獨立國家能夠開展。從前期技術儲備來看，美國和俄羅斯具備一定的優勢，但從經濟實力上分析，只有美國和中國具備實施的可能。因此，這就是為什么美國和中國具有較為長遠和可行的重型運載火箭發展規劃，而俄羅斯每年都拋出其新的重型運載火箭方案，但遲遲看不到付諸實施行動的原因。

低成本和高可靠是搶占商業發射市場的重要砝碼

近2年，低成本的獵鷹－9火箭一直是世界商業發射市場的香餑餑，但2016年在地面靜態點火試驗時發生爆炸，導致發射任務推遲，部分合同流失。可見，發射可靠性對火箭完成商業發射任務有重要影響。

各航天大國均瞄準低成本開展下一代火箭研制，為進一步提升國際競爭力。歐洲阿里安－64火箭按照運載能力折算，發射價格甚至低于獵鷹－9火箭。俄羅斯在現有“質子”（Proton）火箭的基礎上改進研制中型“質子”火箭，進一步搶占5t甚至更小的地球同步轉移軌道載荷發射市場。日本積極推進新一代H－3火箭的研制，降低火箭發射成本、縮短發射準備周期。H－3火箭光桿構型發射成本是H－2A火箭的50%，在未來國際衛星發射市場中將擁有相當的競爭力。

即將發射的印度地球同步衛星運載火箭－Mk3

4 未來展望

2017年，全球預計將進行91次軌道發射，其中，中國計劃進行28次發射。俄羅斯航天發射次數將翻倍。美國重型火箭將進行設計鑒定，但隨著新政府的上臺，NASA可能會調整載人火星探索任務，提高月球任務的優先級；太空探索技術公司的“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭經幾度推遲將迎來首次亮相。俄羅斯將繼續推進更新換代的步伐，聯盟－U火箭將在完成最后一次發射后退役。歐、日、印等國家加快新一代運載火箭的研制工作，歐洲阿里安－6火箭研制工作即將全面展開；日本H－3火箭將完成關鍵設計評審；印度地球同步衛星運載火箭－Mk3（GSLV－Mk3）即將迎來首飛；韓國羅老－2有望于2017年完成研制。

未來，火箭型譜將更加全面，適應能力更強，商業發射市場供大于求，競爭更加激烈。重型火箭將得到更多關注和重視，載人深空探測預計在2030年左右得以實現。重復使用技術越來越受到商業公司的青睞，垂直起降技術即將進入應用階段。私營公司將繼續以產業鏈思維開展太空旅游、資源開發、深空探索和衛星互聯網建設等活動。