2017年 國外航天運輸系統(tǒng)發(fā)展綜述

楊開 黃濤 （北京航天長征科技信息研究所）

2017年，世界航天運輸領(lǐng)域的發(fā)射活動較為活躍，共執(zhí)行91次發(fā)射任務，相比2016年的85次有所提升。91次發(fā)射中，完全成功84次，部分成功1次，失敗6次，成功率92.3%。其中，美國29次、俄羅斯19次、中國18次、歐洲11次、日本7次、印度5次、新西蘭1次、伊朗1次。航天運輸系統(tǒng)的研發(fā)和技術(shù)進步達到新高潮，政府主導的重型火箭仍在持續(xù)推進，各國積極推進新一代大中型火箭的研制并重視降低成本提高競爭力，新興公司的多個小型運載火箭取得重要進展，垂直起降重復使用火箭實現(xiàn)應用，新技術(shù)在行業(yè)中得到推廣應用。

1 重型火箭研制進度滯后，凸顯技術(shù)難度之高及經(jīng)費需求規(guī)模之大

2017年12月底，美國總統(tǒng)特朗普簽署新版國家航天政策指令，確定重返月球戰(zhàn)略，進一步明確了深空探索的戰(zhàn)略。但是，“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭的進度卻并不樂觀，美國國家航空航天局（NASA）在2017年底宣布SLS首飛時間至少要推遲至2019年12月。具體原因包括：芯級氫箱和氧箱的焊接強度不足，臨時更換焊接方案導致進度推遲；首飛箭芯級錯過預定交付日期；盡管每年平均撥付預算接近19億美元，但隨著項目開展仍出現(xiàn)經(jīng)費緊張的情況。不過，SLS的研制活動仍取得進展，包括完成芯級結(jié)構(gòu)試驗樣機主要部件制造，完成首飛箭芯級主要結(jié)構(gòu)的制造，對RS-25發(fā)動機進行了8次試車，完成部分發(fā)射設(shè)施升級改進等。但從SLS首飛計劃的推遲可以看到，重型火箭的研制難度之高和經(jīng)費需求規(guī)模之大。

SpaceX公司“星際運輸系統(tǒng)”重型火箭的規(guī)模降低

另外，同樣出于降低研制難度和縮減經(jīng)費需求的目的，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）降低了2016年提出的“星際運輸系統(tǒng)”（ITS）重型火箭的規(guī)模，將其直徑從12m降至9m，高度從122m降至106m，發(fā)動機數(shù)量也從51臺降至37臺，近地軌道運載能力從300t降低至150t。

SLS首飛箭的芯級液氧貯箱正在進行焊接

俄羅斯則更是受制于經(jīng)濟實力，沒有足夠的經(jīng)費支撐全面開展重型火箭研制。俄羅斯能源火箭航天集團（RSC Energia）為得到政府支持，提出以聯(lián)盟-5（Soyuz-5）中型火箭為基礎(chǔ)的漸進式研制途徑，降低經(jīng)費需求，但后續(xù)發(fā)展仍存在較高不確定性。上述方案以聯(lián)盟-5火箭一子級作為芯級，捆綁5枚“聯(lián)盟”一子級作為助推器，根據(jù)二三四子級的不同分為2種構(gòu)型，近地軌道運載能力分別為108t和88t。為實現(xiàn)中型火箭向重型火箭的過渡，俄羅斯計劃研制一型捆綁2枚聯(lián)盟-5一子級的火箭，近地軌道運載能力為50t。

2 新一代大中型火箭取得重要進展，降低成本瞄準商業(yè)發(fā)射

“火神”（Vulcan）、“新格倫”（New Glenn）、聯(lián)盟-5、阿里安-6（Ariane-6）、H-3等新一代大中型運載火箭，作為未來航天發(fā)射的主力火箭，在2017年都取得重要進展。由于商業(yè)發(fā)射需求增長，政府逐漸從投資分包研制轉(zhuǎn)向采購發(fā)射服務，新型火箭都以商業(yè)發(fā)射作為重要目標，通過優(yōu)化工業(yè)流程、引入新技術(shù)、充分繼承等降低發(fā)射價格，提高競爭力。

聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）選擇L3公司為其“火神”火箭提供電氣系統(tǒng)，“火神”火箭的兩型備選發(fā)動機—AR-1液氧/煤油發(fā)動機和BE-4液氧/甲烷發(fā)動機分別開展預燃器和發(fā)動機試車。藍色起源公司（Blue Origin）啟用位于肯尼迪航天中心的“新格倫”火箭制造廠房，在卡納維拉爾角空軍基地第36號發(fā)射臺進行適應性改進和升級，并將火箭整流罩直徑從5.4m調(diào)整至7m。軌道-ATK公司公布其“下一代運載器”（Next Generation Launch System）的設(shè)計方案：包括500和500XL兩個系列，都為三級構(gòu)型，一、二級為固體級，三子級為低溫氫氧級，地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運載能力為5.25～8.5t。三家公司都提出，新型火箭既要面向政府發(fā)射需求，也要參與未來的商業(yè)發(fā)射競爭。

首臺BE-4發(fā)動機下線

俄羅斯能源火箭航天集團提出聯(lián)盟-5的新方案，在2017年底通過初步設(shè)計評審，該方案一子級采用RD-171MV發(fā)動機、二子級采用RD-0124發(fā)動機、三子級采用Block DM系列上面級，全部都基于已有的型號和基礎(chǔ)，既能夠快速投入使用，又能夠大幅降低成本。俄羅斯表示現(xiàn)在已經(jīng)具備聯(lián)盟-5制造能力，并在改建發(fā)射設(shè)施，2022年首飛。而其發(fā)射價格能夠降低至5500萬美元，希望能夠提高在商業(yè)市場上的競爭力。

歐洲的阿里安-6在2017年完成2次重要評審，驗證了火箭的技術(shù)特征以及項目流程，已開始進行首飛火箭的制造。歐洲希望通過采用面向制造的設(shè)計方法、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)等方式，使阿里安-6火箭的發(fā)射價格降至現(xiàn)役阿里安-5火箭的50%～60%，單位載荷的發(fā)射價格甚至低于SpaceX公司的獵鷹-9（Falcon-9）火箭。

日本新一代大型火箭H-3主要在動力系統(tǒng)方面取得多項進展：完成LE-9主發(fā)動機和LE-5B-3上面級發(fā)動機裝配并開展試車，進行LE-9發(fā)動機渦輪泵試驗，對固體助推器SRB-3的全尺寸殼體進行強度試驗等。日本在H-3火箭的研制中強調(diào)降低成本，具體措施包括簡化設(shè)計、減少零部件數(shù)量、采用新工藝、繼承現(xiàn)有技術(shù)等，將H-3火箭的成本降至現(xiàn)役H-2A火箭的50%，即4430萬美元。同時，還要縮短H-3火箭發(fā)射周期，實現(xiàn)30天內(nèi)發(fā)射2次，每年可執(zhí)行10次發(fā)射任務，從而能夠爭取更多商業(yè)發(fā)射。

3 小型火箭受益于成熟技術(shù)和低門檻，多個新研型號取得階段成果

由于小型火箭規(guī)模小，技術(shù)和經(jīng)費門檻相對較低，再加上行業(yè)人才和技術(shù)的積累，多個型號發(fā)展迅速，并在新技術(shù)應用方面大膽創(chuàng)新。

維珍-軌道公司（Virgin Oribit）為空射發(fā)射器-1（LauncherOne）開展發(fā)動機試車、火箭加注和裝配試驗，完成波音747載機改裝并開展飛行驗證，預計2018年開始進行商業(yè)發(fā)射；向量空間系統(tǒng)公司（Vector Space System）完成2100萬美元的A輪融資，開始新工廠建設(shè)，并進行了2次向量-R（Vector-R）火箭的低空飛行試驗，預計2018年夏天進行首飛；火箭實驗室（Rocket Lab）獲得7500萬美元融資擴展產(chǎn)能，完成“電子”（Electron）火箭首飛；日本SS-520火箭在2017年初首飛，但因箭上線路故障導致發(fā)射失敗；西班牙零至無窮公司（Z2I）的氣球星小型火箭完成高空氣球發(fā)射試驗。發(fā)射器-1、向量-R和“電子”三型火箭在2017年共簽訂5份發(fā)射合同，總計15次發(fā)射任務，在火箭研制取得突破的同時，也得到了市場認可。

阿里安-6火箭的概念圖

“電子”火箭首飛

采用空射方案的發(fā)射器-1

此外，上述在研小型火箭在電動泵替換渦輪泵、復合材料替代金屬材料、飛機空射、氣球高空發(fā)射、3D打印等方面進行創(chuàng)新和嘗試，拓展了新技術(shù)在航天運輸系統(tǒng)中的應用。

4 垂直起降復用火箭走向應用，帶翼復用方案由軍方主導開展

SpaceX公司在2017年實現(xiàn)獵鷹-9火箭一子級復用，標志著垂直起降復用技術(shù)從驗證階段走向應用，雖然還未公布復用火箭的成本能否有大幅度降低，但部分客戶主動提出愿意采用復用火箭，說明復用火箭在價格上可能存在一定優(yōu)勢。該公司全年18次發(fā)射，5次任務使用復用火箭，占比接近1/3。另外，全年共有14次發(fā)射任務后進行一子級回收，并全部取得成功，也在很大程度上證明了其回收技術(shù)的穩(wěn)定性。

商業(yè)火箭復用計劃取得進步的同時，美國國防高級研究計劃局（DARPA）的試驗性太空飛機-1（XS-1）帶翼水平返回重復使用飛行器也轉(zhuǎn)入新的研制階段。DARPA選擇波音公司（Boeing）的“鬼怪快車”（Phantom Express）設(shè)計方案，由波音公司作為該項目第二三階段的主承包商，并為其提供1.46億美元的研制經(jīng)費。“鬼怪快車”采用航天飛機主發(fā)動機，基于得到驗證的成熟技術(shù)，保證項目順利開展。第二階段要在2019年前完成技術(shù)驗證飛行器的設(shè)計、制造和地面試驗。第三階段從2020年開始進行飛行試驗，最終要以馬赫數(shù)Ma為10的最高速度實現(xiàn)10天內(nèi)飛行10次的目標，同時還要將400～1360kg的載荷送入軌道。XS-1之所以持續(xù)受到軍方重視，主要是因為其快速響應能力，而且該飛行器還可以作為高超聲速飛行試驗的平臺。

SpaceX公司首次實現(xiàn)火箭復用并成功回收一子級

波音公司的“鬼怪快車”方案

5 太空旅游方案拓展到月球空間，亞軌道太空旅游飛行器即將投入商業(yè)運營

SpaceX公司提出將在2018年利用“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭和載人“龍”（Dragon）飛船把2位旅客送到月球附近空間，然后再返回地球，成為第一家承攬月球旅游的公司。SpaceX公司表示月球旅游飛行任務是由上述2位旅客主動要求提出的，并且已經(jīng)得到一筆數(shù)額可觀的定金。維珍銀河公司（Virgin Galactic）的太空船-2（SpaceShipTwo）空射亞軌道飛行器完成多次無動力滑行飛行試驗，驗證了飛行器的結(jié)構(gòu)和操縱裝置，2018年將開展有動力的飛行試驗。而且，維珍銀河公司已經(jīng)開始為其客戶進行飛行前的訓練。藍色起源公司利用一枚全新的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道火箭搭載假人成功開展飛行試驗，最大飛行高度接近100km。試驗中首次使用帶有舷窗的“乘員艙2.0”，該舷窗能夠為旅客提供觀賞太空景色的窗口。維珍銀河公司和藍色起源公司計劃在2018年開始商業(yè)運營。

6 新技術(shù)應用，逐漸改變火箭研發(fā)制造

相對空間公司的3D打印設(shè)備及其制造的貯箱樣件

NASA采用3D打印技術(shù)為RS-25發(fā)動機制造POGO蓄壓器，可減少100道焊接工序，降低35%的成本，縮短80%的制造時間；火箭實驗室利用3D打印制造“盧瑟福”（Rutherford）發(fā)動機的燃燒室、噴注器、泵和閥門等主要部件，最快可在24h內(nèi)完成發(fā)動機制造；SpaceX公司開始采用“自主飛行安全”系統(tǒng)，利用自主化的跟蹤技術(shù)降低發(fā)射成本、縮短發(fā)射周期，還可實現(xiàn)多枚火箭的同時跟蹤；相對空間公司（Relativity Space）通過3D打印技術(shù)和智能技術(shù)的結(jié)合實現(xiàn)小型火箭的無人制造，已經(jīng)完成一臺貯箱樣機的加工，未來還可能在火星就地取材制造。

7 啟示

重型火箭研制難度大、周期長，需提前布局并保證充足的研制經(jīng)費

從美國和俄羅斯重型運載火箭的研制計劃可以看到，即便已經(jīng)擁有非常雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)，但在規(guī)劃和研制過程中仍然會遇到不可預期的技術(shù)難題，面臨龐大的經(jīng)費需求，而且經(jīng)費需求也會隨著實施進度發(fā)生變化。因此，重型火箭研制需要提前布局，盡早完成關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和積累，并保證足夠的經(jīng)費支持，才能保證這樣的大型工程得以順利實施。

航天運輸系統(tǒng)研制活動的主導力量正在逐漸發(fā)生轉(zhuǎn)變

以往進入空間的需求主要來自政府部門，因此主要是由政府投資主導開展航天運輸系統(tǒng)的研發(fā)，并通過分包的方式發(fā)放到承包商。而現(xiàn)在，除政府需求以外，還有很多商業(yè)載荷的發(fā)射需求，于是商業(yè)公司開始自籌資金開展航天運輸系統(tǒng)的研制，同時面向政府和商業(yè)需求。此外，政府也逐漸脫離傳統(tǒng)的分包研制模式，轉(zhuǎn)向采購發(fā)射服務，希望能夠更大程度上促進行業(yè)的發(fā)展。于是，在需求發(fā)生轉(zhuǎn)變、人才和技術(shù)得到積累之后，商業(yè)公司在航天運輸領(lǐng)域內(nèi)所發(fā)揮的作用越來越大，而政府則是逐漸從研發(fā)活動的主導者退居為服務采購方。不過，對于重型火箭這類耗資規(guī)模大、研制難度高、不具有明確商業(yè)應用前景的項目，仍需要由政府來主導。

新技術(shù)應用成為航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的加速器

2017年，航天運輸領(lǐng)域的創(chuàng)新和新技術(shù)應用不斷拓展，一方面是由于3D打印、人工智能等新技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸滲透到各個行業(yè)中；另一方面則是由于新興航天公司為應對競爭勇于創(chuàng)新，更愿意采用新技術(shù)，進行方案創(chuàng)新。盡管在應用新技術(shù)的過程中會出現(xiàn)各種各樣問題，但隨著越來越多的嘗試和積累，新技術(shù)應用會成為航天運輸系統(tǒng)發(fā)展的重要動力。