歐、俄、日可復用運載器的研制歷程

文/若水

▲ 天龍空天飛機與上面級在150千米左右高度分離效果圖

目前，世界上各主要航天大國（或組織）都在進行可重復使用運載器的研發。下面就讓我們了解一下，歐空局、俄羅斯和日本在這方面的進展情況。

▲ 英國天龍（ Skylon）空天飛機

歐空局關于可復用運載器的研究

歐洲航天技術的發展主要由歐空局主導。該組織成立于1975年，目前有22個成員國，各成員國通過歐空局進行型號研制工作的協調與合作。

歐空局總部有一個未來發射器辦公室曾對可復用運載器進行過廣泛的研究。他們重點對單級入軌、兩級入軌以及亞軌道單機一圈返回可復用運載器進行了研究，最終認為：單級入軌目前受歐洲技術積累的限制，很難實現。兩級入軌雖然短期內可以實現，但并不是最佳選擇，因為一級復用二級消耗的火箭并不會比現在消耗型火箭節約多少成本。亞軌道單機一圈返回則看似很有前途，它既可以實現亞音速、超音速和高超音速覆蓋，而且不受垂直和水平起飛的限制，同時還可以作為全球點對點高速運輸系統的解決方案。

因此，在相當長的時間里，歐空局仍然將其太空發射系統聚焦在消耗型火箭的研制上。目前其主力火箭仍然為阿里安5（消耗型），2022年歐空局將實現阿里安6（消耗型）的首飛。直到太空探索技術公司用實際案例證明了垂直起飛垂直返回火箭的經濟性和技術上的可行性，歐空局才重新把目光投向可復用運載器，但到目前為止，在這方面的成就仍然乏善可陳。

而歐洲早期可復用運載器的研制，主要包括英國的HOTOL空天飛機和前期由法國主導后由歐空局主持開發的Hermes空天飛機，兩個項目由于技術等原因，最終都未逃出被取消的命運。

目前歐空局正在研制的可復用運載器主要有HTHL和VTVL兩種技術路線。

天龍（ Skylon）空天飛機

天龍空天飛機是由英國主導研制的HTHL技術路線的可復用太空發射系統，該項目繼承了HOTOL空天飛機項目的成果，由歐空局提供相關研制經費。

天龍空天飛機的最大特點是采用了協同吸氣式火箭發動機（SABRE），這是一種混合了沖壓和火箭兩種燃燒模式的發動機。在大氣層中，采用吸氣模式，發動機利用空氣中的氧氣作為氧化劑，并使其最高速度達到5馬赫。在大約25千米的高度，發動機切換到火箭模式，使用機載的氧化劑和燃料繼續上升。攜帶有效載荷的上一級將在大約150千米的高度釋放，繼續進行軌道飛行，而第一級將返回地球著陸并重復使用。

忒彌斯（Themis）計劃

忒彌斯計劃是歐空局2020年底提出的一個基于VTVL技術路線的部分復用火箭項目，原型火箭也將被稱為“忒彌斯”。最初計劃在2023年實現首飛，根據最新的項目更新，計劃在本世紀30年代實現一級推進器可重復使用。

目前，忒彌斯計劃進展到推進劑儲罐冷凍試驗階段。該試驗是在位于法國弗農的阿里安試驗設施進行的。忒彌斯計劃預計在2025年完成最后的測試階段的工作，實現3個發動機的高空跳躍測試及回收，2030年左右實現飛行。

阿里安下一代（Ariane Next）火箭

“阿里安下一代”火箭是歐空局最早宣布研制的可復用火箭計劃。該型火箭繼承于阿里安6火箭，采用類似獵鷹9號火箭的模式，實現一級火箭的重復使用，目標是將阿里安6火箭的成本減半，計劃在本世紀30年代實現發射服務。

▲ 2021年12月進行忒彌斯火箭推進劑儲罐的冷凍試驗現場

為了研制阿里安下一代可回收火箭，歐空局先期開展了相關的技術演示和前序項目。2019年開始，用一種名為FROG的小型演示器實行了幾次演示飛行，用來對火箭垂直著陸進行測試。還有一種名為CALLISTO的單級、可重復使用的演示火箭用于改進制造可重復使用運載器所需的技術（包括返回和整修），并估算這種發射裝置的運行成本，CALLISTO首飛計劃于2022年進行。

馬伊亞”和“普羅米修斯”

2021年12月8日，法國財政部長布魯諾·勒梅爾宣布，歐洲也要開發一種可重復使用的火箭，與馬斯克競爭。具體要求是由阿里安集團在2026年前開發出一款名為“馬伊亞”的小型運載火箭。

目前有關“馬伊亞”的技術細節尚未披露，唯一確定的是，它將使用一種叫做“普羅米修斯”的火箭發動機。

“普羅米修斯”并不完全是一個外號，它的全稱是“前體可重復使用的液氧甲烷成本效益型推進系統”，從各個單詞中取出不同音節，拼成了“普羅米修斯”。

“普羅米修斯”是法國航天局和阿里安空間公司在2015～2017年間構思和設計的。2016年12月，法國航天局在盧塞恩舉行的部長級會議上把這個設想提交給歐空局。

根據設計要求，“普羅米修斯”可以重復使用5次，推力達到100噸，實際輸出推力在30%～100%之間可控。其可重復使用的次數似乎不如馬斯克的“灰背隼”。歐空局在解釋燃料選擇時認為，甲烷作為火箭燃料有很多優點。它更便宜，更易于處理，和氧氣的沸點幾乎相同。甲烷的密度是氫氣的6倍，這可以使火箭級更加緊湊，更容易回收再利用。法國國家空間研究中心還考慮在圭亞那航天中心利用生物來生產甲烷，更加利于環保。“普羅米修斯”不但具備可變推力、多次點火等特點，還具備適合芯級、上面級應用的特點，飛行前后所需要的地面維護操作盡量簡化。

在經濟目標的問題上，“普羅米修斯”的目標是把生產成本降到阿里安5火箭上現役火神發動機的十分之一，也就是100萬歐元。為了達到這個目標，需要廣泛使用3D打印，并且達到每年50臺發動機的產量，計劃在2030年投入使用。

2019年11月，在西班牙塞維利亞舉行的Space19+理事會會議上，歐空局獲得了全額資金，推動“普羅米修斯”發動機設計達到適合生產的技術成熟度。

“普羅米修斯”70%的子系統都采用3D打印技術制造，包括渦輪泵的渦輪、泵入口和氣體發生器。采用計算機對發動機進行管理和監控。

2021年5月17日，歐空局與阿里安集團正式簽署了一項合同，撥款1.35億歐元，完成兩臺“普羅米修斯”全尺寸演示樣機的靜態噴射測試，并繼續建造6臺演示樣機，用來證明批量化生產性能。

歐空局航天能力略遜于中、美、俄3國，但是在國際合作方面最為開放，目前與各方都有相應的項目合作。但正是由于歐空局這種松散的架構，導致除了開展歐空局共同的項目外，各國還會獨立開展本國的航天研制工作，特別是商業航天興起后，歐洲各國出現了很多私營性質的航天公司。

▲ 3D打印的普羅米修斯發動機渦輪盤

▲ 馬伊亞火箭一級返回效果圖

▲ 普羅米修斯發動機可以大幅度降低成本

▲ 普羅米修斯發動機在德國試車

俄羅斯關于可復用運載器的研究

在可復用太空發射系統方面，蘇聯先后開展了“螺旋計劃（Spiral Program）”、“暴風雪（Buran）計劃”的研制，之后的俄羅斯繼承了蘇聯豐厚的航天遺產，雖然在研發方面走下坡路，但仍然啟動了基于VTVL技術路線的可復用發射系統的研制。

▲ 殘破的暴風雪號航天飛機

科羅娜單級入軌火箭

俄羅斯的科羅娜火箭是與美國前期研制的DC-X火箭類似的單級入軌可復用運載火箭，在1992～2012年期間研制，為單級入軌垂直發射垂直回收火箭。有關該火箭的相關材料較少。

2016年俄宣布計劃重啟該項目。在2021年制定的最新計劃中,該飛行器高度為31米，發射重量300噸，可以將13噸載荷送入近地軌道。不過單級入軌從物理原理來說，總是不那么靠譜。

阿穆爾可復用運載火箭

阿穆爾也稱為聯盟-7火箭，該火箭是芯一級可復用新一代運載火箭，推進劑采用液氧甲烷，將用于替代聯盟-2系列火箭。該火箭自2020年由俄羅斯宇航局啟動研制，計劃2026年實現首飛。

阿穆爾火箭高55米、直徑4.1米、重360噸，由2級組成，一級火箭可回收。近地軌道運載能力，可回收模式為10.5噸，消耗模式為12.5噸。一級火箭由5臺 RD-0169A 液氧甲烷發動機提供動力，發動機由俄羅斯化學自動化設計局設計，2024年將完成發動機試車。

阿穆爾一級火箭將降落在鄂霍次克海沿岸的火箭回收場。設計階段的飛行試驗將在普列謝茨克航天發射場進行。

阿穆爾其名來源于執行該火箭發射的俄羅斯東方發射場，該發射場與哈薩克斯坦拜科努爾航天中心同緯度，位于緊鄰我國黑龍江省的俄羅斯阿穆爾州，界河黑龍江在俄羅斯被稱為阿穆爾河。

安加拉 A5VO可復用重型運載火箭

除了正在研制的阿穆爾可回收火箭，俄羅斯宇航局也進行了重型可回收運載火箭的規劃。俄羅斯計劃在安加拉火箭型譜中加入可回收版本的火箭，命名為安加拉 A5VO。目前尚未給出具體研制時間表。

據悉，該型火箭芯級及其助推將一起返回地面。

俄羅斯發展航天的最大障礙是該國的經濟總量和人口基數與中美相比都有較大差距，加上商業航天對俄羅斯本來占據較大份額的全球商業和載人發射市場的擠壓，以現有國力與中美并駕齊驅已經沒有可能。

▲ 俄羅斯科羅娜（ Corona）火箭

▲ 安加拉A5重型火箭從俄羅斯普列謝茨克航天中心發射升空

日本的可復用運載器研究

日本在可復用運載器研制方面一直秉承了垂直發射垂直返回的技術路線，而且起步于太空探索技術公司進行獵鷹9號火箭研制之前，是繼美國和俄羅斯（蘇聯）之后，較早開展此技術路線研制的國家。但是，其整體進度較慢，可見可復用火箭的研制確實是困難重重。

日本有關可復用運載器驗證系統的開發主要由日本的國家隊，即日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）進行，主要有以下幾項。

RVT

RVT 全稱“可重復使用航天器試驗”，由日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）在1998～2003年實施。

該項目是由一個可重復使用火箭實施多種試驗飛船的飛行試驗。項目共完成了4個試驗飛船，這些試驗飛行器特性包括基于需求飛行、快速回轉、高性能和輕質結構及材料等，以驗證重復發射火箭的能力。

RV-X

RV-X 全稱“可重復使用航天器實驗”，由JAXA與三菱重工合作開發。該項目是國際合作的CALLISTO在日本的前導項目。

RV-X旨在驗證垂直起降能力，驗證飛行高度為100米，目標是完成基于垂直發射垂直返回技術的高頻率復用驗證。該項目在2018年中進行了地面點火試驗后，無后續相關報道。

CALLISTO

CALLISTO 全稱“引導運載器創新的階段拋回操作合作行動”，由JAXA、德國航空航天中心以及法國宇航局合作開發，用于歐空局阿里安下一代（Ariane Next）火箭的前期驗證。

對標獵鷹9的主力可復用火箭計劃

2021年11月， JAXA宣布將與近30家日本公司和機構合作，開發可重復使用的火箭，目標是到2030年實現可重復使用火箭首飛，發射成本降至目前水平的四分之一以下，成本競爭力提升至全球市場領導者太空探索技術公司的水平。

負責監管JAXA的日本文部科學省曾表示，可重復使用的發射衛星的火箭對下一代運載器的開發至關重要。

JAXA計劃與30多家企業和機構共同研制開發可重復使用火箭，主要分工如下：

·三菱重工和日郵負責協調物流，特別是使用無人船進行火箭回收

·全日空研究飛機的操作和維護

·NIPPI公司和GH Craft公司創建一種著陸系統

·名古屋大學開發一種抗振動的鋰離子電池

·佳能IT解決方案采用混合技術來簡化生產流程

·千葉工學院被指派研究低成本的小型電動泵

·金澤理工學院研究火箭的復合材料

其并未提及火箭和發動機等核心工作的分工，按照目前日本主力火箭研制情況，應該是由三菱重工具體負責。

JAXA計劃在2026年之前開發出一個原型，并在2030年進行第一次發射測試。通過建立可重復使用的技術和增加發射次數，JAXA希望到本世紀40年代早期將成本降低到5億日元左右。

▲ RV-X點火試驗

▲ RV-X結構圖

▲ CALLISTO演示火箭效果圖

本田的小運載計劃

2021年9月，日本汽車制造商本田公布了一項計劃：開發一種部分可重復使用的小型衛星運載火箭，并于2030年進行測試發射，該火箭可以將重量不超過1噸的衛星送入近地軌道。

本田還計劃擴大其業務組合，生產可以電動垂直起飛和降落的飛行汽車。計劃在未來6年，在研發上投入450億美元（5萬億日元）。

本田是從2019年底開始研究可重復使用火箭的，并且已經具備了火箭燃燒、控制和成本控制等能力。2021年11月，本田宣布完成了可重復使用原型發動機的試車，從尾焰可以看到明顯的馬赫環。由于商業秘密原因，該公司未公開照片或視頻。