2020 年國外航天運輸系統發展綜述

楊開 米鑫（ 中國航天火箭技術研究院 北京航天控制儀器研究所）

2020 年，全球航天發射達到114 次，完全成功104 次，失敗10 次，發射載荷數量首次破千。其中，美國44 次[含從新西蘭發射的“電子”（Electron）火箭]、中國39 次、俄羅斯17 次[含從庫魯發射的聯盟－ST（Soyuz－ST）火箭]、歐洲5 次、日本4 次、印度2 次、伊朗2 次、以色列1 次?！伴L征”系列火箭發射34 次，獵鷹－9（Falcon－9）發射25 次，聯盟－2（含聯盟－ST）發射15 次，“電子”發射7 次，宇宙神－5（Atlas－5）發射5 次[1]。其中，發射器－1（LauncherOne）、火箭－3（Rocket－3）首飛遭遇失利，“電子”火箭遭遇2018 年首飛以來的第二次失利，火箭－3 在2020 年底的第二次發射也遭遇失利，“織女星”（Vega）在2019 年失利之后在2020 年又一次發射失敗，伊朗則是遭遇了2017 年以來連續的第5 次失利，中國也遭遇4 次失利。獵鷹－9 和聯盟－2.1a 火箭均成功執行首次載人航天發射任務，宇宙神－5 和H－2A 都成功發射火星探測器，宇宙神－5 成功發射價值15 億美元的“太陽軌道器”（SolO）。

2020 年全球航天運輸系統發射數據

1 發射需求快速增長，商業和深空成為政策和發展熱點

發射需求持續快速增長，且呈現出多元化的特點。運營商因頻譜調整需補充C 頻段衛星，使得2020 年大型地球同步軌道（GSO）通信衛星訂單大幅增至18 個[2]。美國軍方的“國家安全航天發射”（NSSL）服務第二階段合同授出以及歐洲政府給予阿里安－ 6（Ariane － 6）火箭的保障性訂單，同樣使大型衛星發射訂單數量大幅上漲?！靶擎湣保⊿tarlink）和“一網”（OneWeb）等大型星座開始部署，發射數量快速增長，2020 年全球衛星發射數量也因此首破千顆。根據歐洲咨詢公司（Euroconsult）預測，未來10 年的衛星需求是上個10 年的5 倍，平均每年都有1250 顆以上[3]。此外，商業空間站、在軌服務和軌道轉移、地面備份星發射等特殊需求的出現，也使得發射服務向著多元化方向發展。

“一網”星座衛星即將利用聯盟－2 火箭發射（來源：Roskosmos）

商業航天企業正在成為創新發展的驅動力，各國政府出臺相關刺激政策。歐盟委員會-歐洲航天局（EC-ESA）第十屆航天理事會形成歐洲航天發展戰略要點，強調發展新航天；美國改組商業航天運輸監管機構，推出一站式的許可流程；印度設立國家航天推廣與授權中心（IN-SPACe），負責商業航天企業的活動許可和監督，并向商業企業開放國家基礎設施。

航天大國將目標聚焦到月球和火星等深空目的地，2020 年，全球成功發射3 個火星探測器則是這一趨勢的直接表征。美國發布的新版《國家航天政策》提出“引領人類在月球、火星和更遠的太空中永久存在的新時代”，確立將人類經濟活動擴展到深空、在月球建立永久基地、載人火星探測等具體目標[4]。美國國家航空航天局（NASA）發布《月球持續探索與開發規劃》，闡明了從月球到火星的路徑，甚至已經從太空探索技術公司（SpaceX）購買了“獵鷹重型”/ 龍－ XL（Falcon Heavy/Dragon－XL）為月球軌道平臺“門戶”（Gateway）提供貨運服務，并通過《阿爾忒彌斯協定》（Artemis Accords）吸引澳大利亞、加拿大、日本、盧森堡、意大利、英國、阿聯酋和烏克蘭8 國參與其深空計劃。此外，美國《航天政策6 號令》（SPD － 6）規劃空間核動力與核推進（SNPP）技術的戰略路線圖，為深空活動提供能源和動力基礎。

SpaceX 公司的龍－XL 飛船（來源：SpaceX）

SLS 芯級吊裝到斯坦尼斯航天中心B－2 試車臺做試車前的準備

2 不同的研制模式和路徑下，重型火箭的經費進度差異顯著

截至2020 年底，“航天發射系統”（SLS）首飛箭完成了除芯級試車外的地面試驗活動（2021 年1 月17 日，NASA 進行了SLS 首次芯級點火試驗，發動機只點火了1min，未達到SLS 飛行任務中所需工作時長），包括芯級5 個部段的結構力學試驗、RS－25 發動機試車、固體助推器的地面試車等，NASA 也在肯尼迪航天中心（KSC）開始固體助推器裝配，標志著首飛箭發射場總裝活動的啟動。繼2019 年與波音公司（Boeing）協商10 枚芯級的研制合同之后，2020 年NASA 又花費17.9 億美元從航空噴氣-洛克達因公司（Aerojet Rocketdyne）采購18 臺RS－25 發動機。NASA 依托波音公司和諾格公司（Northrop Grumman）等主要分包商，以及各個航天中心的力量，基于系統工程方法組織開展SLS 研制，2011－2020 年共投入超過180 億美元，首飛時間從最初的2016 年底推遲到2021 年底。雖然在管理上遭受批評，但是通過系統性的研發試驗活動，暴露并解決了包括氫箱焊縫泄漏、閥門故障、液氧加注預冷等潛在風險和問題，對于保證這類大型國家項目的成功仍有重大意義。俄羅斯的“葉尼塞”（Yenisei）重型火箭也是采用同樣的研制模式，但由于研制經費得不到落實，在2020 年完成初步設計方案的技術審查后，仍停留在方案優化調整階段。

對比之下，SpaceX 公司的“超重-星艦”（Super Heavy Starship）在2020 年進展極快，建成星艦－SN1 ～SN8 等多臺直徑9m 的全尺寸驗證樣機，開展低溫推進劑靜壓試驗、地面試車、150m 低空飛行和12.5km 的高空飛行試驗。盡管其中6 臺驗證樣機均在試驗中被損毀，但是成功驗證了不銹鋼材料結構性能、動力、水平返回姿態、制導控制和推進劑從主貯箱向頭部小貯箱的切換等關鍵技術，最早可能在2021 年實現入軌飛行試驗、2022 年開展推進劑在軌加注試驗。通過驗證樣機快速迭代，SpaceX 公司能夠直接幫助改進和優化設計方案，例如，“超重”一子級的6 個著陸支架減少到4 個以增大間隔，避免發動機羽流影響。“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷發動機的成熟度也在不斷提升，燃燒室壓力已達33MPa，推力達2200kN，首臺真空型“猛禽”完成裝配，設計最高真空比沖達380s。SpaceX 公司在系統工程的基礎上引入硅谷敢于冒險、容忍失敗的文化，而且依靠融資（2020 年SpaceX 公司獲得21 億美元融資[5]）也能夠允許公司通過大量低成本的驗證樣機替代論證工作。不過，“超重-星艦”是一個全新的航天運輸系統，如果缺少系統性的支撐，快速迭代的研制方式仍然存在很大風險，也只有SpaceX 公司這類創企才能夠承擔。

星艦－SN8 樣機進行12.5km 高度飛行試驗（來源：SpaceX）

3 疫情和技術問題拖慢新型主力火箭研制，但更新換代步伐尚未受阻

美國聯合發射聯盟公司（ULA）在2020 年完成了“火神”（Vulcan）火箭GEM－64XL 固體助推器的試車；為半人馬座－5（Centaur－5）上面級5.4m 直徑不銹鋼貯箱引入自動焊接設備，為一子級5.4m 鋁合金貯箱全面引進攪拌擦焊工藝；利用模擬結構進行發射操作演練；基本完成SLC－41 發射工位兼容性改進。不過，由于一子級采用的BE－4液氧/甲烷發動機渦輪泵出現技術問題，使得“火神”首飛時間從2021 年初推遲到2021 年年底。美國軍方的“國家安全航天發射”（NSSL）任務第二階段合同被ULA 公司和SpaceX 公司瓜分，諾格公司和藍色起源公司（Blue Origin）在競爭中失敗，諾格公司直接放棄了“歐米茄”（OmegA）固體運載火箭的研制，藍色起源公司則繼續瞄準商業市場開展“新格倫”（New Glenn）火箭的研制，該公司已投入25 億美元[6]，完成了7m 直徑全尺寸整流罩的制造，新的發動機生產設施竣工，但同樣受到BE－4渦輪泵技術問題的影響。

俄羅斯啟動聯盟－5 火箭箭體結構制造，采用鋁鎂合金和攪拌摩擦焊工藝，完成RD－171MV 液氧/ 煤油主發動機和RD － 0124MS 液氧/ 煤油上面級發動機的試車，首飛時間瞄準2022 年。

歐洲阿里安－6 火箭的發射工位建設遇到問題，庫魯航天發射中心因新冠肺炎疫情停擺2 個月，使得工位建設完全停滯，再加上低溫臍帶臂遇到技術故障，使得首飛從2020 年底推遲至2022 年第二季度。為此，ESA 希望各成員國再為阿里安－6 增加2.3 億歐元經費，研制總經費達到38 億歐元。阿里安－6 取得的主要進展包括完成火神－2.1、“芬奇”（Vinci）和P120C 三型發動機的系列鑒定試車活動，完成首飛箭上面級裝配等。

日本H－3 火箭由于LE－9 主發動機在試車后渦輪葉片和燃燒室內壁出現裂紋，首飛從2020 年底推遲至2021 年。

雖然新型火箭進展受到一定影響，但新老型號交替進程仍在繼續，現役主力型號大部分只余下最后批次火箭。其中，美國德爾他－4H（Delta－4H）剩余4發，歐洲阿里安－5 僅余8 次任務，俄羅斯質子－M（Proton－M）將在2021 年停產，日本H－2B 已經在2020 年退役。因此，國外新型主力火箭在2021－2022 年實現首飛后，將在2025 年前后全面替代現役火箭，實現主力火箭的更新換代。

4 小型火箭競爭格局仍存變數，更多新型號將面向細分市場

火箭實驗室公司（RocketLab）利用“電子”火箭完成了7 次發射，共發射了55 個微小型載荷，成為小火箭創企中的領頭羊?！半娮印被鸺诔霈F一次發射失利后，僅用58 天就成功恢復發射，而且一子級傘降回收復用技術驗證進展順利，2 個新的發射工位也將在2021 年投入使用，從火箭制造能力和發射設施兩方面都為高頻率發射提供了可能性。維珍軌道公司（Virgin Orbit）的發射器－1（LauncherOne）和阿斯特拉公司（Astra）的火箭－3 首飛遭遇失利（發射器-1 于2021 年1 月17 日成功實現首次入軌發射），但兩家公司都提前預計到失利情況，將其作為必經階段。火箭－3 在2020 年底的第二次飛行中再次失利，不過火箭二子級成功點火，火箭進入太空且接近入軌速度，相比首飛取得很大進步。這種漸進式快速迭代的研制方式幾乎成為小火箭創企的普遍做法。2020 年，還有10 余個在研的微小型運載火箭在試驗、融資和訂單上取得重要進展，計劃在2021 年進行首飛，例如，螢火蟲航天公司（Firefly Aerospace）和ABL 航天系統公司（ABL Space System）等開展發動機和子級試車，相對論空間公司（Relativity Space）在得到5 億美元融資后成為SpaceX 公司以外估值最高的火箭創企，而各家創企總計得到超過10 份發射訂單[2]。隨著越來越多的小火箭投入使用，以及獵鷹－9、聯盟－2、“織女星”等規模較大的運載火箭，利用多星適配器和小型軌道轉移飛行器爭奪微小衛星發射市場份額，使得微小型運載火箭的競爭格局存在著巨大變數，火箭實驗室公司仍需不斷求變才能保持其領先地位。

阿斯特拉公司的火箭－3 小型運載火箭（來源：Astra）

為了在激烈競爭中獲得一席之地，各家小火箭創企都在努力抓住不同的需求特點，突出和強調自身優勢，通過差異化的技術方案謀求發展。維珍軌道公司的發射器－1 強調靈活性和快速響應能力，已經參與到美國軍方的作戰演練中；時代公司（Aevum）的無人機空射火箭同樣注重靈活性，而且無人操作能夠提供更高的安全性；螢火蟲航天公司非常重視和發射服務中介的合作，通過共享發射，更好地發揮其“阿爾法”（Alpha）火箭更大的運載能力；面向政府對于小型深空探測載荷的需求，“電子”、“阿爾法”和發射器－1 都提出電推上面級方案；印度則繼續依靠其廉價的固體推進技術，開發出運力更小、成本更低的“小型衛星運載火箭”（SSLV），試圖繼續利用成本優勢博得市場份額；相對論空間公司的人族－1（Terran－1）小火箭獲得6 顆“銥星”（Iridium）地面備份星發射訂單，利用3D 打印技術，最短僅需60 天完成1 枚火箭的制造，能夠滿足備份星發射對交付周期的嚴苛要求。從需求角度而言，市場細分程度也會越來越高，很多火箭可以根據不同需求明確定位，市場也可能允許更多的火箭存活下來。

俄羅斯提出的“阿穆爾”垂直起降重復使用火箭方案（來源：Roskosmos）

5 垂直起降復用方案主流化，傘降回收技術取得重要突破

2020 年，SpaceX 公司的獵鷹－9 火箭在垂直起降方案的應用上繼續突破，全年25 次發射中有20 次采用回收一子級，僅用了5 枚新生產的一子級，有2枚一子級的最大復用次數已經達到7 次（2021 年1月20 日發射的“星鏈”是該子級的第8 次復用），未來可能會向著航班化的運營方式發展。垂直起降方案帶來巨大的成本優勢，復用情況下獵鷹－9 的成本可以降至3000 萬美元[7]，還不到其發射報價6250 萬美元的50%。SpaceX 公司因此在2020 年得到大量訂單，既有NASA 和美國軍方等政府用戶的高價值發射訂單，也有從國際通信衛星公司（INTELSAT）、歐洲衛星公司（SES）、麥克薩技術公司（MAXAR Technologies）等得到的商業訂單。復用獵鷹－ 9火箭的可靠性也得到NASA 和軍方認可，被允許執行載人發射任務和重要國家安全載荷發射任務。在獵鷹－ 9 火箭不斷取得突破的情況下，歐洲、日本對垂直起降方案的認可度越來越高，ESA 已經向阿里安集團（ArianeGroup）授出價值3300 萬歐元的“塞米斯”（Themis）垂直起降驗證機研制合同，法國提出下一代“阿里安”火箭的垂直起降復用方案規劃，歐洲和日本合作的“克里斯托”（Callisto）驗證機在氣動、結構、控制等方面的論證研制工作全面鋪開并取得了一定進展，但總體進度仍比較緩慢，需要到2025 年之后才有可能得到應用。原本因火箭落區位于內陸對垂直起降方案持反對態度的俄羅斯也提出了“阿穆爾”（Amur）垂直起降復用火箭研制計劃，采用液氧/甲烷動力，近地軌道運載能力10.5t，期望將發射成本降至2200 萬美元。

“電子”小型運載火箭在傘降回收技術上取得了重要突破，繼2019 年成功驗證通過姿控調整使一子級在返回過程保持結構完整性之后，于2020 年成功驗證了降落傘技術，一子級在完成發射任務后成功展開降落傘，以低于10m/s 的速度落到海面上后被打撈，部分硬件可以再次利用，不過底部熱防護還需要進一步加強。此外，該公司在2020 年還成功利用兩架直升機和一子級模擬結構完成傘降過程中的空中捕獲，為后續降落傘減速加直升機捕獲回收的方案進行了全過程的驗證。SpaceX 公司的整流罩傘降回收復用技術也在進步，2020 年，獵鷹－9 有21 次發射任務使用整流罩，其中有19 次成功回收到1 個或2個整流罩半罩，而且有8 次任務中都復用了回收的整流罩，對于降低發射成本也起到了重要作用[8]。

雖然美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“試驗性太空飛機”（XS－1）項目因主承包商波音公司自身困境而終止，但是帶翼飛回式的重復使用亞軌道飛行器能夠帶來類似于飛機操作方式的快速響應發射能力，對于軍方仍有很大的吸引力，未來仍可能會由軍方主導相關項目。X－37B、“追夢者”（Dream Chaser）和“太空騎士”（Space Rider）等重復使用軌道飛行器的研制和應用平穩推進，X－37B 第6 次任務發射入軌，首架“追夢者”完成機身和翼面主結構的裝配，ESA 向艾維歐公司（Avio）授出價值1.67億歐元的“太空騎士”研制合同。

“烏鴉X”無人機空射系統概念圖，火箭在機腹（來源：Aevum）

6 方案創新爭取競爭優勢，技術創新謀求遠期發展

在行業快速發展的背景下，競爭態勢也愈發激烈，新生力量為了立足，需要在方案上進行更多的創新。美國弧度宇航公司（Radian Aerospace）完成2000 萬美元A 輪融資，開展地面滑行助推加速的載人型水平起降單級入軌飛行器的研制，并得到NASA和國防部等政府機構的認可，計劃2025 年完成首飛。美國創企時代公司完成“烏鴉X”（Ravn X）無人機空射系統的研制，而且在2019 年就已經得到美國軍方的發射合同。莫門圖斯公司（Momentus）、航天飛行公司（Spaceflight）等開始提供小衛星軌道轉移服務，獲得大量發射訂單。自旋發射公司（SpinLaunch）公布了旋轉加速彈射運載火箭系統的具體方案。

組合動力、核動力和旋轉爆震等前沿創新技術則為航天運輸系統的遠期發展提供了更多可能性。ESA支持噴氣發動機公司（REL）研究“佩刀”（SABRE）預冷組合發動機，在2030 年后具有應用前景；西雅圖的超安全核技術公司（USNC-Tech）向NASA 提交了基于全陶瓷微囊化燃料技術的新型核熱火箭發動機方案；華盛頓大學在美國海軍和空軍的資助下，建立了旋轉爆震數學模型，發現和解釋旋轉爆震發動機中的“不穩定和分叉”現象，而美國中佛羅里達大學研制的旋轉爆震發動機原型機成功實現連續點火工作。

7 結語

盡管遭遇疫情影響，全球航天發射次數仍達到114 次的高峰，“星鏈”等大型星座的商業發射需求、各航天大國發展深空探測的政策趨勢、軍事航天需求的快速增長等，都將進一步驅動航天運輸裝備和技術的快速發展，因此也會吸引更多的參與者，伴隨而來的將是更加激烈的競爭態勢，以及更多的方案和技術創新，形成整個航天產業的繁榮趨勢。