2022 年國外航天運輸系統發展綜述

楊開（北京航天長征科技信息研究所）

2022 年，世界航天發射次數再創新高，達到186 次，打破2021 年146 次的發射記錄。其中，178 次成功，1 次部分成功，7 次失敗，成功率達到95.7%。美國、中國、俄羅斯發射次數位居前三，分別為87 次、64 次和22 次。其中，3 個型號系列發射次數超過10 次，“獵鷹”（Falcon）系列61 次、長征系列53 次、聯盟-2（Soyuz-2）系列19 次。

2022 年，全球發射載荷數量約2500 個左右，發射總質量超過1000t。相比2021 年，載荷數量增幅約為35%，發射總質量增幅約為25%。其中，“星鏈”（Starlink）星座發射任務占比最高，在34 次發射任務中“星鏈”衛星發射數量超過1700 顆，約占發射載荷總數的69%，而“星鏈”衛星發射總質量約占全球發射總質量的49%。

1 美SLS 重型火箭完成首飛，航天探索邁向深空時代

美國“航天發射系統”（SLS）重型火箭成功進行首飛，盡管射前測試和發射準備過程一波三折，推進劑加注多次遭遇故障，發射時間不斷推遲，但在排除主要問題后，SLS 在2022 年11 月16 日成功完成首飛，將“獵戶座”（Orion）飛船送入奔月軌道。在開展首飛任務的同時，美國國家航空航天局（NASA）還在推進SLS 重型火箭的后續任務，持續開展芯級主發動RS-25 的地面試車，推動后續火箭制造裝配，第二枚SLS 的主要箭體部段已基本完工，即將運往發射場進行裝配。另外，NASA 在7 月發布了“探索生產與運營合同”（EPOC）的預招標公告，計劃由波音公司（Boeing）和諾格公司（NG）組建“深空運輸公司”（Deep Space Transport），負責SLS 制造、試驗、運輸和發射的全流程，將目前采購硬件的模式轉變為采購服務的模式，試圖降低項目運營成本，實現深空探索活動的可持續發展。

SLS 首飛箭在發射臺（來源：NASA）

在SLS 首飛之際，太空探索技術公司（SpaceX）持續快速迭代改進超重- 星艦（Super-Heavy Starship）方案，堅持小步快跑的方式，逐步開展多臺發動機聯合試車，同時SpaceX 也從美國政府取得了發射許可，有望在2023 年初實現首次入軌飛行試驗。改進之后猛禽- 2（Raptor - 2）發動機性能大幅提升，燃燒室壓力達到30MPa，推力從180t 提升至230t。盡管2022 年猛禽- 2 出現多次試車事故，但是每周7 臺的高產能卻足以支撐其快速改進和優化。

超重-星艦S24 樣機在星基地試車（來源：SpaceX）

與此同時，NASA 咨詢委員會在“‘阿爾忒彌斯’（Artemis）任務概述”中明確2031 年前將有7 次SLS 重型火箭發射任務以及至少2 次超重- 星艦發射，而NASA 的新版“月球到火星目標”和歐洲航天局（ESA）的“新世界”空間探索路線圖（Terrae Novae 2030+ Strategy Roadmap）則使得深空探索路徑更加清晰，核動力、空間運輸、在軌低溫流體管理等新技術也備受關注。美國“阿爾忒彌斯協定”（Artemis Accord）簽約國擴展到22 個，美國將聯合歐洲、日本等國家，以SLS 重型火箭為探索深空的主要力量，以完全重復使用且運載能力超百噸的超重- 星艦新型運輸系統謀求低成本深空往返能力，將航天探索推向深空。

2 航天發射“航班化”運營初現端倪，復用技術或將成為新型火箭標配

SpaceX 公司全年利用3 個發射工位完成60 次獵鷹-9（Falcon-9）火箭發射，平均每周發射超過1 次，且全部取得成功。在60 次發射任務中：58次進行一子級回收全部成功，另外2 次因發射軌道需求以及子級復用接近上限而放棄回收；僅使用4 枚新制造一子級，其余56 次發射任務均采用復用一子級；B1058 一子級突破15 次的最大復用次數；B1062 一子級創下21 天的最短復用間隔；一子級平均復用間隔為94 天。上述數據不僅表明獵鷹-9 火箭的垂直起降復用技術愈發成熟，而且也初步顯現出類似航班化運營的模式，新制造的硬件越來越少、復用次數越來越多、復用周期和間隔越來越短，檢測維護投入更多。SpaceX 公司更關注復用準則的探索，通過振動試驗驗證重要部件的疲勞壽命能覆蓋4 倍于15 次飛行任務的工作時長，建立三個級別復用檢測維護準則，即每次任務后都進行的A 級檢測、執行6-7 次飛行任務后的B 級定期維修、發射次數最多（13 次以上）和執行載人任務需進行C 級徹底維護。

“獵鷹”重型火箭兩枚助推器同時返回著陸（來源：SpaceX）

由于獵鷹-9 在重復使用技術上的成功和突破，顯著降低了發射價格，極大提升了火箭發射頻率，并以此占據了大量的市場份額，迫使其他主流火箭也轉向重復使用技術。聯合發射聯盟公司（ULA）在“火神”（Vulcan）火箭上堅持采用發動機部段傘降回收的方案，且為提高回收效率、降低操作成本，2022 年將直升機空中捕獲環節取消，直接傘降到海上打撈回收，其傘降回收方案采用的充氣式超聲速減速裝置也在宇宙神-5（Atlas-5）火箭11 月的發射任務中成功得到驗證。歐洲政府機構和工業部門也都在積極推動重復使用技術發展，歐盟委員會和歐洲航天局都為“普羅米修斯”（Prometheus）液氧甲烷發動機和“塞米斯”（Themis）垂直起降驗證機投資；阿里安集團（ArianeGroup）成立馬伊亞航天公司（Maiaspace），專注于小型垂直起降重復使用火箭研制；阿里安集團在國際宇航聯大會上提出“蘇西”（Susie）重復使用軌道飛行器，以及阿里安-6（Ariane-6）后續向垂直起降重復使用方案發展的總體路徑，兩者結合實現完全重復使用的航天運輸系統。日本也在和歐洲合作開展克里斯托垂直起降驗證項目，計劃在H3 未來改進和演進構型中引入重復使用技術。俄羅斯再次提出為安加拉-A5（Angara-A5）火箭采用集束式回收的方案，后續也可能實現助推器和芯一級的回收復用。

阿里安集團提出的“蘇西”重復使用軌道飛行器（來源：阿里安集團）

除了主力型號外，美國火箭實驗室（Rocket Lab）的“電子”（Electron）傘降回收一子級項目實現了直升機空中捕獲的突破，雖然還沒能完全將硬件帶回，但已經對方案進行了驗證。火箭實驗室再度公布復用“中子”（Neutron）火箭詳細方案，具有固定式著陸支架充當發射支撐、整流罩與一子級連接且同時回收等特點。相對論航天公司（Relativity Space）的地球人-R（Terran-R）重復使用運載火箭項目在2022 年已經啟動了復用火箭發動機試車工作，盡管地球人- 1 小火箭仍未首飛，但該公司很可能會快速轉換到新的重復使用中型火箭上。

宇宙神-5 火箭發射（來源：ULA）

3 現役主力火箭庫存即將用盡，新型號研制推遲對更新換代產生影響

國外現役主力火箭正在完成最后的任務，庫存數量都已經明確。根據美國國會要求，采用俄羅斯RD-180 發動機的宇宙神-5 火箭在2022 年后將不能用于國家安全發射任務，剩余的20 枚宇宙神-5 火箭將主要用于商業發射任務，即亞馬遜公司的“柯依伯”（Kuiper）低軌衛星星座建設。聯合發射聯盟公司的德爾他-4H（Delta-4H）火箭還剩余2次發射任務，將在2024 年正式退役。俄羅斯質子-M（Proton-M）火箭的制造在2022 年結束，在退役之前還有13 枚火箭可供使用。歐洲的阿里安-5（Ariane-5）火箭在2022 年完成3 次發射任務后，僅剩余2 枚可供使用。

然而，國外新型主力運載火箭都遭遇比較嚴重的推遲情況，原本計劃2020 年前后啟動的新老主力型號更新換代，都推遲到了2023 年或之后。聯合發射聯盟公司用于替代宇宙神- 5 和德爾他- 4H 的“火神”火箭因BE-4 液氧甲烷發動機研制不順利，以及上面級制造等問題，已經將首飛推遲到2023 年第一季度，而要實現2023 年執行美國國家安全發射任務的目標，該火箭還需要先完成2 次飛行任務來證明其可靠性。俄羅斯的新型安加拉- A5 火箭已經完成了3 次試驗飛行任務，但在2021 年底的第三次發射任務中遭遇失利，未來接替質子號-M 的時間仍未可知。俄羅斯的新型聯盟-5（Soyuz-5）火箭大量采用成熟技術，2022 年完成RD-171MV主發動機鑒定，RD-0124MS 試車創下該型發動機最高比沖記錄，箭體結構試驗穩步推進，但是首飛瞄準2024 年，也存在較大不確定性。歐洲在2022年啟動了阿里安-6 火箭在新發射工位的靶場合練，解決了低溫臍帶臂的技術問題，但是首飛時間再推遲到2023 年四季度，很可能和阿里安-5 火箭之間產生空窗期。日本因H3 火箭芯一級LE-9 主發動機渦輪泵和燃燒室設計問題，花費兩年多時間進行設計更改和地面試車鑒定后，2022 年11 月在發射臺完成首飛箭的射前靜態點火試車。（2023 年2 月17 日，H3 火箭發射失利。- 編者注）

盡管國外主力型號的改進升級均有較好的研制基礎，但是新型發動機、新發射設施等新方案和新技術的引進仍造成了很多問題，導致首飛時間不斷推遲，對更新換代產生了比較嚴重的影響，也在很大程度上說明火箭研制的難度和風險。

阿里安-6 地面合練箭完成總裝（來源：ESA）

4 商業航天過于追求低成本，小型火箭遭遇多次失利

2022 年，國內外共出現8 次失利或部分成功的情況，全部都是小型運載火箭。美國創企阿斯特拉航天公司（Astra Space）的火箭-3（Rocket-3）在2022 年連續遭遇2 次失利，從2020 年首飛以來7 次發射5 次失利，盡管以795 萬美元3 次發射的低價獲得NASA 合同，但可靠性和成功率極低，遠未達到以極高頻率發射帶動火箭批產而降低成本的目標，加之火箭運載能力太低，該公司被迫改變發展路線，宣稱研制運載能力更大的火箭-4（Rocket-4）。但公司股價已經跌破1 美元，面臨退市風險，發展前景堪憂。印度“小型衛星運載火箭”（SSLV）同樣以推動本國商業航天發展為目標，報價380-440 萬美元，但首飛因飛控系統判斷邏輯和加速度傳感器故障遭遇失利。美國螢火蟲航天公司（Firefly Aerospace）的“螢火蟲阿爾法”（Firefly Alpha）火箭在2021 年首飛失利后，2022 年第二次發射也未能將載荷送入預定軌道，只取得部分成功。顯然，在商業航天快速發展的時代背景下，過于追求低成本，一定程度上忽視了航天發射活動的高風險性，勢必對可靠性產生不利影響。

另外，歐洲織女星-C（Vega-C）火箭首飛成功（但第二次發射遭遇失利），韓國航天運載火箭-Ⅱ（KSLV-Ⅱ）第二次發射取得成功破解首飛失利的困境，美國RS1 和地球人-21 火箭，歐洲的奧格斯堡火箭工廠一號（RFA-1）、“光譜”（Spectrum）、“一流”（Prime）等多個小型火箭也將在2023 年首飛，近年來的小火箭發展熱潮正在孕育出更多新型號。但是以火箭-3 連續遭遇2 次失利的典型情況，更能代表小型火箭發展所面臨的困境，所以火箭實驗室、相對論航天等公司都提出了重復使用的大中型火箭研制計劃，在發展路線和火箭構型上非常類似于SpaceX公司先發展獵鷹-1 小火箭、再發展多發動機并聯的重復使用獵鷹-9 火箭，小型火箭成為驗證商業公司火箭研發能力的試驗田。

5 俄航天反制裁措施效果顯著，凸顯自主進入空間能力價值

2022 年俄烏間爆發戰爭沖突，美歐對俄羅斯發起嚴格的政治經濟制裁，俄羅斯在航天優勢領域進行了有效的反制，特別是運載火箭及火箭發動機技術合作項目上的反制，給美國和歐洲產生重要影響。首先，俄羅斯停止與歐洲航天局在圭亞那航天發射場發射聯盟- ST 火箭的合作項目，歐洲各國政府及相關機構的重要載荷，例如“伽利略”（Galileo）導航衛星、法國“光學空間組件”（CSO）偵查衛星等發射任務受到嚴重影響，歐洲不得不向美國SpaceX 公司尋求發射機會。其次，俄羅斯不再用聯盟- 2 火箭為英國一網公司（Oneweb）提供發射服務，歐洲阿里安航天公司（Arianespace）與一網公司的剩余6 次發射任務面臨違約賠償，一網公司則被迫向競爭對手SpaceX 公司以及印度尋求發射機會，發射其剩余衛星，完成一期星座部署。另外，韓國的2 次原計劃利用俄羅斯聯盟- 2 火箭和安加拉- A5 火箭發射的任務也被取消，韓國正在增加經費從其他國家尋求發射機會。最后，俄羅斯停止向美國聯合發射聯盟公司提供RD - 180 的技術支持，且不再為美國諾格公司提供RD - 181 發動機。雖然聯合發射聯盟公司的宇宙神- 5 火箭受影響較小，但安塔瑞斯（Antares）一子級缺少發動機后，諾格公司不得不選擇與美國創企螢火蟲航天公司合作研制新的一子級。在新的一子級交付之前，為解決暫時的發射缺口，諾格公司也只能向競爭對手SpaceX 公司求助，利用獵鷹- 9 火箭發射“天鵝座”（Cygnus）飛船。顯然，俄羅斯簡單的幾項反制措施，產生了一系列反應，尤其是歐洲缺乏完善自主進入空間能力的缺陷暴露無遺。

6 結束語

航天運輸系統是進入空間的基礎，決定著進入空間的能力，而進入空間的能力又決定著如何利用空間，決定一個國家能夠在太空中走多遠。2022 年，世界航天發射活動再創新高，而且重型運載火箭和重復使用技術都有了新突破，預示未來仍有更大的能力提升空間。伴隨著航天運輸系統技術成熟、成本下降，將會帶動更大規模、更大范圍的空間活動，推動航天經濟和航天活動邁上新的臺階。