美國“火箭貨運”方案及難點分析

王林 楊開（北京航天長征科技信息研究所）

近年來，以“超重-星艦”（Super-heavy Starship）為代表的重復使用火箭項目快速發展，使得航天運輸系統用于地球上點到點人員和物資快速運輸的前景被廣泛關注，美國軍方尤其重視其軍事應用潛力。美國太空探索技術公司（SpaceX）于2017年提出“超重-星艦”可在40min內把乘客從紐約送到上海，并在2019年向美國陸軍建議“超重-星艦”可用于人員及貨物運輸。美軍運輸司令部（USTRANSCOM）在2020年3月和SpaceX公司合作分析利用后者的航天運輸系統進行貨物和人員運輸的可行性，于2020年4月和探索架構公司（XArc）合作分析利用商業航天港的潛力和條件。

1 “火箭貨運”概念的提出

經過前期探索和研究，美國空軍在2021年5月公布的新財年預算案中正式增加“火箭貨運”項目，預算4790萬美元，提出利用商業重復使用火箭實現百噸貨物的全球1h抵達。隨后，空軍在2021年6月宣布，“火箭貨運”成為“先鋒”計劃（Vanguard）下第四個正式項目，并發布名為“全球敏捷物流火箭試驗”（REGAL）的項目征集公告。

2021年9月，空軍發布“火箭貨運”開展災難救援的概念方案，展示出從貨物裝載、火箭發射、一子級返回發射臺、二子級飛行再入、抵達受災地區著陸（無著陸臺）、貨物卸載的全過程，明確了總體方案。全球物資運輸速度和可達性的顛覆性創新，很可能會變革美軍向任意地點進行軍力投送和軍力維持的能力。

2022年1月，美國空軍向SpaceX公司提供為期5年總價值1.02億美元的合同，利用SpaceX公司的試驗和發射任務，采集相關數據，評估利用火箭實現物資全球快速運輸的可行性，而且可能會開展飛行驗證，“火箭貨運”項目向前邁出關鍵一步。

2 “火箭貨運”方案概況

美國空軍在2021年6月發布的項目征集公告對“火箭貨運”的需求進行了全面描述，結合空軍發布的概念視頻方案，可以從基本指標、應用場景、系統組成和驗證途徑幾個方面勾畫出“火箭貨運”的總體方案。

兩個基本指標

空軍“火箭貨運”方案目標運載能力與C-17運輸機相當，達到30～100t的水平。最低速度要求是1h抵達（不含貨物裝載和卸載時間），相比現有航空運輸的速度，提升約15倍，但是需要火箭飛出大氣層后進行再入。除滿足上述兩個基本指標外，成本、發射許可、飛越領空、環境影響、靶場安全等方面也是該方案研究過程中需要考慮的因素。

兩類應用場景

類似于美軍采用商業海、陸、空運輸服務和現有基礎設施為全球軍事基地進行物資運輸，未來美軍可以在各個基地建設發射臺，利用重復使用商業火箭實現物資1h抵達。為了實現常規快速物資運輸，美軍重點關注優化射前和射后的操作流程，以便將點到點的航天運輸能力集成到現有的軍事物資運輸體系中。

對于恢復遭遇破壞的軍事任務能力、人道主義救援和災難救援等應急響應需求，目的地很可能沒有著陸臺。該場景下，商業火箭從發射臺發射，只能在偏遠的簡易著陸區著陸，基礎設施條件非常有限，沒有地面支持設備進行物資卸載，需要火箭自帶設備通過自主或人工方式完成。之后，火箭可以再次加注、發射返回，也可以通過其他方式運回發射臺。對于不具備著陸條件的極端情況，還需要采用空投的方式完成物資投遞。

三個組成部分

“火箭貨運”方案主要包括重復使用火箭、貨物集裝箱和發射臺。

重復使用火箭是承擔運輸功能的主要載體，但并非項目投資的重點，空軍希望借助美國在研的各類商業火箭來開展方案試驗驗證，如果可行性得到證實，美軍將會采用類似于同航空公司合作的方式，通過購買服務進行物資的快速投遞。根據空軍發布的項目公告，計劃2～3家公司開展火箭能力的演示驗證，主要以SpaceX公司的“超重-星艦”為主。相對論空間 公司（Relativity Space）提出的地球人-R（Terran-R）火箭具備完全重復使用能力，可能成為該項目的備選方案之一。

地球人-R火箭示意圖

貨物集裝箱功能類似于載荷適配器，操作人員在地面上將物資打包到集裝箱后，再通過自主或人工的方式將集裝箱裝載到火箭。集裝箱的密封條件可以改善運輸過程中載荷的力熱環境，實現應急情況下的物資空投，標準化、模塊化的集裝箱設計還有助于快速裝載和卸載。

發射臺建在美軍的各個基地，能夠同時用于火箭的發射和返回著陸，相比傳統發射臺，數量多、通用性高，對于建設成本比較敏感。為了實現快速響應，發射臺還需要具有比較高的操作效率。

三種驗證途徑

空軍為“火箭貨運”規劃了三種演示驗證的途徑。首先，通過地面試驗和分析相結合的方式，從飛行彈道、火箭能力、集裝箱設計、飛行環境、操作流程等方面對系統總體能力進行分析驗證；其次，利用一次發射試驗，同時對火箭發射、飛行、著陸的可行性進行演示驗證；最后，通過多次發射試驗，分別對火箭發射、飛行、著陸進行驗證。

3 “火箭貨運”技術難點

基于垂直起降方案的火箭重復使用技術

“火箭貨運”采用垂直起降重復使用火箭，主要涉及發動機多次啟動及推力深度調節、返回和再入制導控制技術、再入熱防護技術、高可靠著陸緩沖機構等關鍵技術。空軍概念方案以SpaceX公司的“超重-星艦”為原型，采用兩級構型，一子級完成助推飛行后，返回過程中發動機需多次啟動，通過推力深度調節，逐步將速度降至零，實現在發射臺的平穩著陸；二子級再入過程需要結構熱防護，之后以相同方式在目的地著陸。二子級有可能需要在條件比較惡劣的簡易平臺上著陸，會對著陸緩沖機構提出更高的技術要求。另外，“火箭貨運”方案下，火箭一、二子級大多數時間在大氣層內飛行，飛行目的地有一定的隨機性，飛行彈道變化多，氣動力影響大，制導控制要求更高，需要綜合應用發動機推力矢量控制、反作用控制系統和格柵舵等多種控制機構實現精準控制。

新型貨物集裝箱及裝載/卸載技術

空軍在“火箭貨運”方案下計劃采用標準化、模塊化的貨物集裝箱方案，類似于帶有標準接口的衛星適配器，可以適配不同尺寸、質量、形狀的各類物資。將物資封裝到通用化容器中，能夠在運輸和裝卸過程中保持貨物完整性，便于實現貨物的快速裝載和卸載，有助于和美軍現有物資運輸體系相結合，還能在應急空投時為物資提供力、熱環境保護。集裝箱的裝載/卸載技術，尤其是無人自主裝卸技術既能大幅提升操作效率，還能在應急著陸缺少地面支持設備的情況下自主完成貨物卸載。2021年12月，美軍組織的“超空間挑戰”（Hyperspace）研討會上，騎士航天公司（Knight Aerospace）提出了立方體模塊型的集裝箱以及由笛卡爾坐標裝載系統和柱面坐標裝載系統組成的載荷操作系統，還提出利用“火箭醫院”概念，將醫療設備設計成模塊化組件，通過火箭運輸。

快速響應發射的地面操作技術

“火箭貨運”的快速響應優勢不僅體現在火箭飛行時間控制在1h內，地面操作的速度和靈活性也是非常重要的方面。在“火箭貨運”兩種不同的應用場景下，運輸的物資及目的地，有可能事先已知，也可能事先未知，尤其是在沒有地面發射支持設備的情況下，需要創新型的推進劑加注和發射技術，或者把火箭運輸到附近的發射臺開展后續操作。

發射、飛行和著陸的環境測量技術

在方案可行性研究階段，需要對各種環境參數進行測量，以評估系統性能。在發射環節，需要對射前推進劑加注等操作環節的時長進行測量，確定射前的操作流程。在飛行環節，需要對火箭飛行全程彈道，貨艙的噪聲、過載和熱環境參數進行測量，確定飛行環境能否滿足物資運輸要求。在著陸環節，需要對火箭羽流及其和地面間的相互影響進行測量，評估發射臺建設需求。

4 分析

（1）“火箭貨運”可補充完善物資運輸體系，大幅提升應急響應能力

美軍當前的軍事物資運輸體系基于陸海空方式建立，隨著“超重-星艦”等商業重復使用運載火箭研制項目的快速推進，航天發射成本大幅降低，基于航天運輸系統的物資運輸方式進入美軍視野。相比傳統運輸方式，“火箭貨運”能夠將運輸時間縮短至1/15以內，實現物資甚至人員的應急投送，快速建立或恢復軍事作戰能力，助力美軍達成軍事戰略目標。作為美空軍“先鋒”計劃下第4個正式項目，“火箭貨運”具備“先鋒”計劃的典型特征，不僅要取得技術上的突破，更要通過對美軍整個物資運輸體系的創新改變，支撐體系作戰能力的提升。

（2）關注集裝箱和任務操作等核心能力需求，火箭技術依靠商業公司解決

空軍發布的項目征集公告中，涉及“點到點能力和操作演示驗證”“點到點火箭演示驗證”兩個方面的內容，前者計劃最多授出20份演示驗證合同，每份價值3500萬美元，后者計劃授出2～3份演示驗證合同，每份價值1000萬美元。空軍也一再強調，要依靠商業公司的重復使用火箭，甚至要利用商業公司研發過程中的試驗和數據，而不會直接為火箭投入研制經費。顯然，美軍要聚焦新型集裝箱方案和技術、發射任務操作等核心能力需求上，從系統總體需求的角度出發，開發關鍵技術、演示系統能力。

（3）提前謀劃布局高風險項目，以實現系統能力的突破性變革

“火箭貨運”的基礎是商業重復使用火箭，但以進展最快的“超重-星艦”項目而言，也僅僅是完成二子級10km的高空飛行和返回著陸，二子級再入熱防護、一子級數十臺發動機并聯設計、新型捕捉回收方案等大量新技術還未得到驗證，“猛禽”（Raptor）發動機仍未最終定型，火箭總體方案還在不斷進行優化調整，技術風險還非常大。而“地球人-R”等其他完全重復使用火箭仍停留在紙面上，商業公司融資和經營方面的風險也很可能會導致項目夭折。盡管如此，美國空軍面向2030年的《科技戰略》中對“先鋒”計劃的定位就是要通過對高風險設計的演示驗證，來明確未來發展方向，確定差距和需求，回答具體問題，為未來決策提供信息。

5 結束語

隨著航天運輸技術的快速發展，其應用領域逐步超越傳統航天器發射的范疇，不管是商業領域的太空旅游、科學探索領域的火星移民，還是軍事領域的物資快速投遞，都在從不可能變為可能，從可能變為現實。在“火箭貨運”項目上，盡管風險巨大，但潛在收益也相應提升，軍方超前謀劃布局、商業公司快速響應支撐，利用技術進步給應用帶來更多創新方案。