國外運載火箭發射技術創新發展路線分析

王鐵兵 朱雄峰 崔朋 劉陽（北京跟蹤與通信技術研究所）

航天發射是人類探索浩瀚宇宙的第一道技術關口，是世界航天強國的重要標志性能力之一。在可預見的時間內，運載火箭仍是將衛星載荷送入空間軌道的主力工具。然而，由于航天運載工具大多為一次性使用、發射設施復雜、維護周期長等原因，高昂的發射成本、冗長的模式流程一定程度上制約了人們進軍太空的步伐，也吸引著眾多航天科技工作者的目光。圍繞運載火箭發射技術創新發展問題，世界各國已經開展了諸多有益的探索與嘗試，以“低成本、快速空間響應、高可靠性”為目標特征的技術創新發展百花齊放，有些技術方向甚至已取得階段性突破。

1 發展需求分析

當前，智能化、分布式、網絡化等太空技術創新方興未艾，以美國太空探索技術公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）系統等低軌互聯網星座為代表的太空系統發展建設異軍突起，太空已由少數世界大國所屬的“高端俱樂部”逐步走入“尋常百姓家”。

從衛星系統角度看，低軌星座大多具有規模龐大、單星節點簡化、動態構建組網（邊發射、邊應用、邊退出、邊補充）等特征，傳統大中型運載火箭的長周期、冗長測發流程等已難以滿足該類系統發射部署需求。與大衛星、大火箭的“搭車”“拼車”等模式雖能部分解決問題，但終因載荷進場不同步、主載荷延遲等各類原因難以常態發展。

從運載火箭角度看，由于各類衛星功能不同，其質量、體積差異很大，據行業數據目前很多航天發射任務運載火箭運力富余，尤其大中型火箭更為突出，有些任務載荷質量甚至不到火箭最大運力的一半。上述問題倒逼和催生了運載火箭發射技術的創新發展，商業航天發射公司通過提供各類更加簡單、靈活、廉價的航天發射服務，在傳統火箭發射商夾縫中開辟出一片市場。

新形勢對運載火箭發射技術的創新發展需求主要包括如下幾個方面。一是低成本需求，衛星單星的低廉成本要求火箭必須降低發射成本，否則相對低廉的衛星系統成本配套高昂的發射成本讓用戶無法接受。二是快速空間響應需求，包括研制快、運輸快、測試維護快和發射部署快等，要求運載火箭必須簡化對復雜發射場地、人員和設備設施的依賴，能夠快速測試、快速發射和按需發射，滿足星座動態構建組網需要。同時，還包括可靠性需求，要求發射部署服務過程可控和相對穩定可靠。

2 國外技術發展路線

圍繞上述發展需求，國外航天發射公司已經開展了諸多創新技術研究和實踐探索。通過跟蹤研究和多方對比分析最新成果，按基本原理劃分，主要包括火箭回收復用、空基發射、電磁彈射、旋轉發射、工業化量產等技術路線。

“回收復用”技術路線

回收復用，顧名思義就是通過對發射出去的火箭的主要部分進行回收，繼續用于下一次發射活動，以此來實現降低發射成本、提升快速響應時間的目的。目前，SpaceX 公司的獵鷹－9（Falcon－9）火箭，和美國火箭實驗室公司（RocketLab）的“電子”（Electron）火箭、“中子”（Neutron）火箭等均選擇回收復用技術路線。根據回收形式的不同，該技術路線可細分為多種形式。

按照火箭回收部分的不同，可細分為一子級/助推器回收、整流罩回收、組合體回收等。①一子級/助推器回收、整流罩回收，是指對運載火箭的某一部分進行回收再利用，SpaceX 公司的獵鷹－9 可重復使用火箭選擇的即是該技術路線，截至2021 年底，獵鷹－9 系列火箭已成功實現了百余次芯一級回收、多次助推器和整流罩回收，領跑全球該技術方向發展。②組合體回收，是指將火箭的某些部分組合進行一體設計、一體回收再利用，RocketLab 公司的“中子”火箭即是該種技術路線的典型代表。2021 年12月2 日，RocketLab 公司公布了其“中子”中型運載火箭設計的新思路：利用碳纖維材料將一級火箭與整流罩一體設計，二級火箭連帶衛星載荷一起包裹式安裝在火箭殼體內部；在一級飛行段末段，整流罩打開但不拋掉，二級火箭連帶衛星載荷被推出后繼續點火飛行，整流罩重新閉合，連同一級火箭一同進行回收。該方案的優勢在于二級被包裹在內部不再承受發射環境的影響，使其更加靈活和輕量化，同時還避免了海上捕獲整流罩的高成本和低可靠性，加快了發射頻率，實現了更高的空間運輸性能。目前該方案還處在概念設計階段。

國外運載火箭發射技術創新發展路線

按不同回收復用部分的技術路線細分

按照回收方式的不同，可細分為前場回收、原場回收和空中攔鎖回收等。①前場回收，是指待回收一子級/助推器飛行結束分離后通過調整姿態、反向制動、再入點火等操作，繼續向前飛向海上回收駁船或陸上回收場，獵鷹－9 火箭多為該種回收方式。②原場回收，是指待回收一子級/助推器飛行結束分離后反向飛回原發射場，該種方式避免了火箭再次利用前的長途轉運等環節，但對其飛行動力余量要求也就更高。為實現更高的可重復使用性能，“中子”火箭即打算采用原場回收方式。③空中攔鎖回收，與前場回收方式不同，在待回收一子級/助推器動力下降到一定高度后，利用降落傘進一步減速（約10m/s），同時釋放攔鎖裝置，由直升機掛鉤捕捉鉤攔飛回原發射場。該種方式既避免了前場回收的遠距離回收火箭轉運問題，節省了時間，同時對待回收火箭的飛行動力余量要求也有所降低，“電子”火箭采用的即是該種回收方式，并在2020 年8 月完成了模擬一子級的空中攔鎖回收試驗。

新概念技術路線

按不同回收方式的技術路線細分

新概念發射技術路線

前述回收復用的核心思路是對火箭的某些部分進行回收再利用。實際上，運載火箭從地表發射到星箭分離入軌需經歷多個逐步升高、逐步加速的飛行階段，而在稠密大氣層以內的一級飛行段一般是最為笨重、復雜的飛行階段。研究表明，整個火箭飛行期間重力速度損失達1200m/s，空氣阻力速度損失達100 ～800m/s，而稠密大氣層內的重力和空氣阻力損失幾乎占據了絕大部分。因此人們設計出了許多新型發射概念，通過其他方式讓火箭獲得一定的初始速度和高度，從而部分取代常規火箭發射的一級飛行過程。新概念航天發射技術路線包括空基發射、電磁彈射、旋轉發射等。

就是利用大型飛機等空中平臺攜帶火箭，在飛行至一定高度后釋放火箭，隨著火箭發動機點火，繼續爬升加速，將衛星載荷送入軌道。2021 年1 月17 日，美國維珍軌道公司（Virgin Orbit）利用一架波音747 飛機成功將發射器－ 1（launcherOne）送入太空。發射器－1 為兩級小型火箭，長約21m，搭載了美國國家航空航天局（NASA）的10 顆小型衛星，試驗中捆綁在由波音747 改裝成的“宇宙女孩”（Cosmic Girl）的機翼下方，被攜帶飛行至10668m 左右高空后發射入軌。2021 年6月13 日，諾格公司（NG）利用L-1011 載機將小型三級固體“飛馬座”（Pegasus）火箭送入太空，成功驗證了空基應急發射能力。空基發射比傳統火箭發射更靈活，只需一條飛機跑道，無需發射臺等復雜裝置，因此機動性、靈活性更優。

就是基于電磁感應原理，通過電流產生強磁場，利用電磁力加速將火箭等在一定距離內加速到極大初始速度，火箭慣性飛行到一定高度后點火開機，繼續推動衛星載荷加速入軌。美、德等國很早就開始了電磁彈射火箭技術研究。德國空氣動力協會于2008 年提出了電磁輔助發射低軌道航天器的方案，利用至少341m 長的洛侖茲電磁推射管道，在幾秒鐘內將447kg 的固體火箭加速至4.4km/s，期間過載峰值達3300g，而低地球軌道（LEO）運載能力僅為3kg。電磁彈射方案具有發射頻次高、發射間隔短、發射后需復原工作少等優勢，但也存在運載能力小等弊端。

是美國航天發射初創公司—自旋發射公司（SpinLaunch）提出的新設想。利用一臺大尺寸高速離心機，將飛行器（火箭+衛星）安裝在旋臂一端，通過旋臂旋轉加速，將飛行器從與地平面成一定角度的發射口高速拋出，飛行器在經歷一段慣性飛行上升至一定高度之后，火箭發動機點火，繼續推動衛星載荷加速直至入軌。SpinLaunch公司已于2021 年10 月22 日完成了1/3 縮比系統的測試試驗。旋轉發射方案的最大技術難點在于其旋轉加速過程中產生的橫向過載特別大，甚至能達到10～10量級，以目前制造技術水平的衛星與火箭還難以承受。

上述三種新概念發射技術路線具有幾個共同特征：①均難以直接入軌，都是部分代替了傳統火箭一級飛行段獲取了一定的初始速度和高度，仍需火箭發動機繼續加速；②創新形式的發射段均為低空高速飛行，氣動影響更大，因此需要增強箭體結構；③運載能力均偏低，最多為百千克量級。受技術成熟度、應用需求等因素影響，目前上述技術路線均未得到大規模應用。

“工業化量產”技術路線

美國民營航天企業—阿斯特拉公司（Astra）是工業化量產技術路線的典型代表。與使用先進復合材料、回收復用等技術路線不同，該路線的核心思路是利用最成熟簡便的技術方法，實現極低成本、極高產量和高密度靈活使用的目標。Astra 公司的發展目標是火箭運載能力達到200kg，價格約100 萬美元（約合每千克5000 美元），計劃在全球十余個地點建立發射場，甚至貼近客戶臨時建廠，以提高任務頻率，到2025 年實現每天發射一枚火箭，通過“白菜價”的發射服務占據微小衛星發射市場。

美國Astra 公司工業化量產技術路線（來源：Astra）

綜合分析

綜合來看，“回收復用”技術路線最有吸引力，目前看來也是技術發展最快、最有應用前景的發展路線，其中尤以子級/助推器前場回收形式發展最快，且正向組合體原場回收等更低成本、更快空間響應時間方向發展。“工業化量產”技術路線則反其道而行之，力圖充分挖掘一次性使用火箭的性能極限，預計在未來高密度航天發射場景中也會占據一席之地。在新概念發射技術路線中，空基發射技術成熟度最高，但低成本性和快速響應性能一般，和平時期應用需求并不明顯；電磁彈射和旋轉發射均涉及較大過載問題，尤其是旋轉發射受大范圍橫向過載制約，目前還難以得到工程應用。

運載火箭及發射技術創新發展路線對比

續表

3 結束語

航天發射能力是建設航天強國的重要領域之一。隨著太空技術持續深入發展，運載火箭發射技術創新發展路線還會越來越多、越來越豐富。有些創新技術路線會被不斷改進修正，直至走向實際工程應用；有些技術路線也會由于復雜度、成本等原因而逐步被淘汰。總之，一個領域的可行技術發展路線越多，一定程度上也預示著該領域越有生命力和發展潛力。面對太空領域新的發展形勢，需持續投入，不斷探索，通過技術創新保持發展活力。