全球航天运载器发展回顾

龙雪丹 曲晶 解晓芳 杨开 秦旭东

（1 北京航天长征科技信息研究所 2 北京宇航系统工程研究所）

全球航天运载器发展回顾

2016 Year in Review: World Space Vehicles

龙雪丹1曲晶1解晓芳1杨开1秦旭东2

（1 北京航天长征科技信息研究所 2 北京宇航系统工程研究所）

2016年，世界航天活动异彩纷呈，私营航天企业蓬勃发展。全球共执行85次航天发射，共将209个航天器送入轨道。新型航天运载器的研制和发射场的建设如期实施，以火箭一子级垂直起降为代表的重复使用技术取得突破性进展。

1 发射情况

2016年，全球在85次航天发射中，中国和美国以22次并列第一，俄罗斯和欧洲分别以19次和9次，位列三、四位，紧随其后的分别为印度7次、日本4次、朝鲜1次、以色列1次。

火箭家族增添新成员，更新换代首飞均获成功

长征－5、7两型新火箭投入使用，拉开了中国运载火箭更新换代的序幕。2016年6月25日，中国新一代中型火箭长征－7完成首秀，为后续载人航天工程推进奠定坚实的基础。火箭具有近地轨道13.5t、700km太阳同步轨道5.5t的运载能力，采用无毒、无污染推进剂。11月3日，长征－5在海南文昌发射场点火升空，准确将有效载荷送入预定轨道，首次任务取得圆满成功，使中国运载火箭步入世界前列，是中国从航天大国迈向航天强国的重要支撑和显著标志之一。长征－5系列运载火箭采用模块化、通用化、系列化设计，近地轨道运载能力覆盖10～25t，地球同步转移轨道运载能力为6～14t。

4月28日，俄罗斯新型联盟－2.1a/“伏尔加”（Soyuz－2.1a/Volga）从东方航天发射场首飞，将3颗卫星送入预定轨道。同时，本次发射还标志着该发射场正式投入使用，它是俄罗斯境内首个民用航天发射场，可保障俄罗斯完全自主地开展航天活动。目前，该发射场一期建设接近尾声，二期建设已获得批准，预计2023年前完成全部基础设施建设。

10月18日，美国轨道-ATK公司的安塔瑞斯－230（Antares－230）火箭成功首飞，这也是“安塔瑞斯”自2014年10月28日发射失败后的首次飞行。一子级改用RD－181发动机替代AJ－26，在提升火箭动力系统可靠性的同时提高了运载能力。火箭起飞质量298t，高200km、倾角38°圆轨道的运载能力接近7t，600km太阳同步轨道运载能力约为2.1t。

美国太空探索技术公司回收的猎鹰－9火箭

12月20日，日本“艾普斯龙”（Epsilon）增强型火箭完成首飞，其太阳同步轨道运载能力从450kg增加到590kg。该火箭的改进目标是增加火箭运载能力，满足小型卫星市场的需求，增加载荷可用空间，同时还增加发射频率，以便未来增强该火箭在商业发射市场中的竞争力。

美俄火箭遭遇失利，航天发射蒙上阴影

航天发射是一项高风险活动，任何国家都无法保证100%的成功率。

2 0 1 6年9月1日，美国太空探索技术公司（SpaceX）的猎鹰－9（Falcon-9）火箭携带以色列阿莫斯－6（Amos－6）卫星在发射台上进行点火试验，由于浸泡在超低温推进剂中的高压氦气瓶出现问题引发爆炸，火箭和卫星一同被炸毁，发射台严重受损，卫星价值约2亿美元。由于火箭爆炸造成发射计划延期，国际移动卫星公司（INMARSAT）将以阿里安－5（Ariane－5）替换猎鹰－9执行卫星发射。针对故障原因，太空探索技术公司对发射前试验及加注流程进行了改进，并于2017年1月15日成功复飞。

12月1日，俄罗斯在联盟－U火箭发射进步MS－04（Progress MS－04）货运飞船任务中，船箭提前约140s分离，最终失败。经调查，发动机组装过程中的违规操作，导致三子级液氧泵吸入多余物而起火损坏，最终造成氧箱破裂成为失利的罪魁祸首。

2 型号规划与研制

各国重视航天政策制定，规划未来型谱及技术发展

美国出版《重审美国航空航天局技术路线图及优先级（2016）》，对2015年版美国航空航天局（NASA）技术发展路线图中新增的优先发展技术进行重新梳理，最终确定了未来需要给予重点关注的21项最高优先级技术。

俄罗斯出台《2016－2025年联邦航天计划》，历经多次修改后，总预算由27000亿卢布缩减至14000亿卢布，运载火箭型谱由原来的8个缩减至2个，分别为“联盟”和“安加拉”（Angara）系列，载人登月推迟至2030年。

欧洲发布新版《欧洲航天战略》，旨在加快航天发展、提升欧洲航天在全球的领先地位，强调继续发展阿里安－6火箭和织女星－C（Vega－C）火箭，研发可重复使用和低成本发射技术。

重型火箭研制稳步推进，瞄准未来载人深空探索

美国以火星探索任务为远期目标的“航天发射系统”（SLS）项目，完成了五段式固体助推器的第二次地面鉴定试车。初步结果显示，改进后的助推器性能符合火箭总体要求；开展了4次RS－25发动机热试车，飞行用发动机1次，试验用发动机3次，总时长超过2400s，验证了航天飞机时代遗留下来的发动机性能和新型控制器的表现。芯级氢箱结构件在米丘德工厂的垂直组装中心上完成焊接，准备运抵试验台进行结构载荷试验；上面级试验件已安装在试验台上，即将进行试验；用以支持火箭发射的地面系统也在同步进行翻新和建设工作。雄心勃勃的太空探索技术公司公布了用于火星探索的完全重复使用的星际运输系统方案，近地轨道运载能力预计在300～550t，目前已经制造出12m直径复合材料贮箱用于研发试验，“猛禽”（Raptor）发动机也已完成首次点火试车。

俄罗斯稳步推进重型运载火箭研制，预计耗时5～7年的时间，研制近地轨道运载能力达到120～160t的重型运载火箭，以期2030年左右实施载人登月，为在月球建立基地铺平道路。

新型号研制有序开展，以降低成本、提高竞争力为目标

美国“火神”（Vulcan）火箭、欧洲阿里安－6、日本H－3火箭在2016年度通过初步设计评审，预计在2020年左右投入使用。

“火神”采用两级结构，芯级直径5m，地球同步转移轨道运载能力约11t。在年发射10～20次的条件下，单发初始构型“火神”的起步价为1亿美元。随后，“火神”将逐步应用部分可重复使用技术，不断降低发射成本，最终取代现役主力火箭宇宙神－5（Atlas－5）和德尔他－4（Delta－4）。

H－3火箭采用两级构型，可加装2个或4个助推器，太阳同步轨道运载能力为4t以上，地球同步转移轨道运载能力为6.5t以上，年发射次数有望达到6次，目标是投入使用后使现有发射价格是以往的50%。

此外，韩国航空宇宙研究院（KARI）完成了75吨级火箭发动机和7吨级上面级发动机的全工况试验。这两型发动机将用于罗老－2（KSLV－2）火箭上，研制成功后，有望使韩国在近地轨道卫星发射任务上摆脱对国外火箭的依赖，并打开亚洲商业发射市场。

微小型商业火箭迎来机遇，多家公司获得商业订单

随着微小卫星的快速发展，新兴商业航天公司提出了多种微小卫星专用火箭方案，采用更先进的制造技术、更有效的自检手段、更优化的发射模式。

2016年，维珍银河公司（Virgin Galactic）的发射器－1（LauncherOne）完成动力系统和硬件在环试验，已获得44次发射任务订单。发射器－1为空射二级运载火箭，其载机是改装过的747－400飞机，低地球轨道运载能力大于400kg。目前，发射器－1有充足的研制资金，预计在2017年下半年进行试飞。该公司曾预估该火箭发射200kg有效载荷进入太阳同步轨道轨道的费用低于1000万美元。

火箭实验室公司（RocketLab）的“电子”（Electron）火箭已签订4份发射合同，共计19次发射任务。该火箭可将150kg的有效载荷发射到500km的太阳同步轨道，未来逐步实现每72h进行1次发射任务，发射价格约490万美元。

重复使用方案多途并举，垂直起降技术渐入佳境

美国蓝色起源公司第4次成功进行“新谢泼德”亚轨道飞行器回收试验

美国国防高级研究计划局（DARPA）开展的试验性太空飞机－1（XS－1）项目完成第一阶段的可行性评估，进入第二阶段，准备进行样机研制和试验。试验性太空飞机－1为火箭动力带翼水平返回着陆的亚轨道级，可通过携带一次性上面级将载荷送入轨道。2015年，美国联合发射联盟公司（ULA）提出在“火神”火箭一子级伞降回收的基础上，提出了二子级伞降回收的方案。太空探索技术公司成功完成5枚猎鹰－9火箭一子级的回收，并首次成功利用海上平台回收一子级，证明有动力垂直返回技术趋于成熟。蓝色起源公司（Blue Origin）利用同一枚“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道旅游飞行器实现4次飞行和有动力返回着陆，并提出了基于垂直起降技术的“新格林”（New Glenn）运载火箭设计方案。

良渚的鸟崇拜集中在鸟卵崇拜上。这主要体现在良渚玉器的兽面纹中两只眼和鸟纹中的鸟身，均很像鸟卵。鸟是卵生动物，一鸟能产很多卵，相比于哺乳类动物，鸟的繁殖能力强得多。且鸟有翅膀，能飞，远较哺乳动物神秘。也许，在良渚人看来，鸟就是神，或是神灵的使者。这样说来，良渚人崇拜鸟，包含有生殖崇拜和灵物崇拜两个方面的内涵。

印度也完成了带翼“重复使用技术验证机”（RLV-TD）的首次飞行试验，最大飞行速度马赫数达5.2，最大飞行高度65km，验证了大攻角条件下从高超声速飞行过渡至亚声速飞行的受控下降段。带翼“重复使用技术验证机”不带动力装置，利用HS9固体火箭助推器顶推发射。

3 启示分析

可重复使用运载器仍然是发展热点

美国太空探索技术公司和蓝色起源公司在火箭助推级或一子级垂直起降重复使用技术领域不断取得突破，印度先后开展了重复使用运载器技术验证机飞行试验、吸气动力超燃冲压发动机飞行试验。欧洲持续推进单级入轨空天飞机“云霄塔”（SKYLON）的研制。

运载火箭可重复使用技术途径可分为三类∶利用火箭自身动力系统垂直起降重复使用技术；采用无控降落伞（或可控翼伞）箭体回收重复使用技术；有翼飞回式水平降落重复使用技术。这3种回收与利用方式各有特点，均存在生存与发展的空间。

技术基础和经济实力是发展重型火箭的重要基础

由于重型火箭的工程庞大，技术难度高，只有具备一定技术储备和经济基础的独立国家能够开展。从前期技术储备来看，美国和俄罗斯具备一定的优势，但从经济实力上分析，只有美国和中国具备实施的可能。因此，这就是为什么美国和中国具有较为长远和可行的重型运载火箭发展规划，而俄罗斯每年都抛出其新的重型运载火箭方案，但迟迟看不到付诸实施行动的原因。

低成本和高可靠是抢占商业发射市场的重要砝码

近2年，低成本的猎鹰－9火箭一直是世界商业发射市场的香饽饽，但2016年在地面静态点火试验时发生爆炸，导致发射任务推迟，部分合同流失。可见，发射可靠性对火箭完成商业发射任务有重要影响。

各航天大国均瞄准低成本开展下一代火箭研制，为进一步提升国际竞争力。欧洲阿里安－64火箭按照运载能力折算，发射价格甚至低于猎鹰－9火箭。俄罗斯在现有“质子”（Proton）火箭的基础上改进研制中型“质子”火箭，进一步抢占5t甚至更小的地球同步转移轨道载荷发射市场。日本积极推进新一代H－3火箭的研制，降低火箭发射成本、缩短发射准备周期。H－3火箭光杆构型发射成本是H－2A火箭的50%，在未来国际卫星发射市场中将拥有相当的竞争力。

即将发射的印度地球同步卫星运载火箭－Mk3

4 未来展望

2017年，全球预计将进行91次轨道发射，其中，中国计划进行28次发射。俄罗斯航天发射次数将翻倍。美国重型火箭将进行设计鉴定，但随着新政府的上台，NASA可能会调整载人火星探索任务，提高月球任务的优先级；太空探索技术公司的“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭经几度推迟将迎来首次亮相。俄罗斯将继续推进更新换代的步伐，联盟－U火箭将在完成最后一次发射后退役。欧、日、印等国家加快新一代运载火箭的研制工作，欧洲阿里安－6火箭研制工作即将全面展开；日本H－3火箭将完成关键设计评审；印度地球同步卫星运载火箭－Mk3（GSLV－Mk3）即将迎来首飞；韩国罗老－2有望于2017年完成研制。

未来，火箭型谱将更加全面，适应能力更强，商业发射市场供大于求，竞争更加激烈。重型火箭将得到更多关注和重视，载人深空探测预计在2030年左右得以实现。重复使用技术越来越受到商业公司的青睐，垂直起降技术即将进入应用阶段。私营公司将继续以产业链思维开展太空旅游、资源开发、深空探索和卫星互联网建设等活动。