2017年 国外航天运输系统发展综述

杨开 黄涛 （北京航天长征科技信息研究所）

2017年，世界航天运输领域的发射活动较为活跃，共执行91次发射任务，相比2016年的85次有所提升。91次发射中，完全成功84次，部分成功1次，失败6次，成功率92.3%。其中，美国29次、俄罗斯19次、中国18次、欧洲11次、日本7次、印度5次、新西兰1次、伊朗1次。航天运输系统的研发和技术进步达到新高潮，政府主导的重型火箭仍在持续推进，各国积极推进新一代大中型火箭的研制并重视降低成本提高竞争力，新兴公司的多个小型运载火箭取得重要进展，垂直起降重复使用火箭实现应用，新技术在行业中得到推广应用。

1 重型火箭研制进度滞后，凸显技术难度之高及经费需求规模之大

2017年12月底，美国总统特朗普签署新版国家航天政策指令，确定重返月球战略，进一步明确了深空探索的战略。但是，“航天发射系统”（SLS）重型火箭的进度却并不乐观，美国国家航空航天局（NASA）在2017年底宣布SLS首飞时间至少要推迟至2019年12月。具体原因包括：芯级氢箱和氧箱的焊接强度不足，临时更换焊接方案导致进度推迟；首飞箭芯级错过预定交付日期；尽管每年平均拨付预算接近19亿美元，但随着项目开展仍出现经费紧张的情况。不过，SLS的研制活动仍取得进展，包括完成芯级结构试验样机主要部件制造，完成首飞箭芯级主要结构的制造，对RS-25发动机进行了8次试车，完成部分发射设施升级改进等。但从SLS首飞计划的推迟可以看到，重型火箭的研制难度之高和经费需求规模之大。

SpaceX公司“星际运输系统”重型火箭的规模降低

另外，同样出于降低研制难度和缩减经费需求的目的，美国太空探索技术公司（SpaceX）降低了2016年提出的“星际运输系统”（ITS）重型火箭的规模，将其直径从12m降至9m，高度从122m降至106m，发动机数量也从51台降至37台，近地轨道运载能力从300t降低至150t。

SLS首飞箭的芯级液氧贮箱正在进行焊接

俄罗斯则更是受制于经济实力，没有足够的经费支撑全面开展重型火箭研制。俄罗斯能源火箭航天集团（RSC Energia）为得到政府支持，提出以联盟-5（Soyuz-5）中型火箭为基础的渐进式研制途径，降低经费需求，但后续发展仍存在较高不确定性。上述方案以联盟-5火箭一子级作为芯级，捆绑5枚“联盟”一子级作为助推器，根据二三四子级的不同分为2种构型，近地轨道运载能力分别为108t和88t。为实现中型火箭向重型火箭的过渡，俄罗斯计划研制一型捆绑2枚联盟-5一子级的火箭，近地轨道运载能力为50t。

2 新一代大中型火箭取得重要进展，降低成本瞄准商业发射

“火神”（Vulcan）、“新格伦”（New Glenn）、联盟-5、阿里安-6（Ariane-6）、H-3等新一代大中型运载火箭，作为未来航天发射的主力火箭，在2017年都取得重要进展。由于商业发射需求增长，政府逐渐从投资分包研制转向采购发射服务，新型火箭都以商业发射作为重要目标，通过优化工业流程、引入新技术、充分继承等降低发射价格，提高竞争力。

联合发射联盟公司（ULA）选择L3公司为其“火神”火箭提供电气系统，“火神”火箭的两型备选发动机—AR-1液氧/煤油发动机和BE-4液氧/甲烷发动机分别开展预燃器和发动机试车。蓝色起源公司（Blue Origin）启用位于肯尼迪航天中心的“新格伦”火箭制造厂房，在卡纳维拉尔角空军基地第36号发射台进行适应性改进和升级，并将火箭整流罩直径从5.4m调整至7m。轨道-ATK公司公布其“下一代运载器”（Next Generation Launch System）的设计方案：包括500和500XL两个系列，都为三级构型，一、二级为固体级，三子级为低温氢氧级，地球同步转移轨道的运载能力为5.25～8.5t。三家公司都提出，新型火箭既要面向政府发射需求，也要参与未来的商业发射竞争。

首台BE-4发动机下线

俄罗斯能源火箭航天集团提出联盟-5的新方案，在2017年底通过初步设计评审，该方案一子级采用RD-171MV发动机、二子级采用RD-0124发动机、三子级采用Block DM系列上面级，全部都基于已有的型号和基础，既能够快速投入使用，又能够大幅降低成本。俄罗斯表示现在已经具备联盟-5制造能力，并在改建发射设施，2022年首飞。而其发射价格能够降低至5500万美元，希望能够提高在商业市场上的竞争力。

欧洲的阿里安-6在2017年完成2次重要评审，验证了火箭的技术特征以及项目流程，已开始进行首飞火箭的制造。欧洲希望通过采用面向制造的设计方法、优化产业结构等方式，使阿里安-6火箭的发射价格降至现役阿里安-5火箭的50%～60%，单位载荷的发射价格甚至低于SpaceX公司的猎鹰-9（Falcon-9）火箭。

日本新一代大型火箭H-3主要在动力系统方面取得多项进展：完成LE-9主发动机和LE-5B-3上面级发动机装配并开展试车，进行LE-9发动机涡轮泵试验，对固体助推器SRB-3的全尺寸壳体进行强度试验等。日本在H-3火箭的研制中强调降低成本，具体措施包括简化设计、减少零部件数量、采用新工艺、继承现有技术等，将H-3火箭的成本降至现役H-2A火箭的50%，即4430万美元。同时，还要缩短H-3火箭发射周期，实现30天内发射2次，每年可执行10次发射任务，从而能够争取更多商业发射。

3 小型火箭受益于成熟技术和低门槛，多个新研型号取得阶段成果

由于小型火箭规模小，技术和经费门槛相对较低，再加上行业人才和技术的积累，多个型号发展迅速，并在新技术应用方面大胆创新。

维珍-轨道公司（Virgin Oribit）为空射发射器-1（LauncherOne）开展发动机试车、火箭加注和装配试验，完成波音747载机改装并开展飞行验证，预计2018年开始进行商业发射；向量空间系统公司（Vector Space System）完成2100万美元的A轮融资，开始新工厂建设，并进行了2次向量-R（Vector-R）火箭的低空飞行试验，预计2018年夏天进行首飞；火箭实验室（Rocket Lab）获得7500万美元融资扩展产能，完成“电子”（Electron）火箭首飞；日本SS-520火箭在2017年初首飞，但因箭上线路故障导致发射失败；西班牙零至无穷公司（Z2I）的气球星小型火箭完成高空气球发射试验。发射器-1、向量-R和“电子”三型火箭在2017年共签订5份发射合同，总计15次发射任务，在火箭研制取得突破的同时，也得到了市场认可。

阿里安-6火箭的概念图

“电子”火箭首飞

采用空射方案的发射器-1

此外，上述在研小型火箭在电动泵替换涡轮泵、复合材料替代金属材料、飞机空射、气球高空发射、3D打印等方面进行创新和尝试，拓展了新技术在航天运输系统中的应用。

4 垂直起降复用火箭走向应用，带翼复用方案由军方主导开展

SpaceX公司在2017年实现猎鹰-9火箭一子级复用，标志着垂直起降复用技术从验证阶段走向应用，虽然还未公布复用火箭的成本能否有大幅度降低，但部分客户主动提出愿意采用复用火箭，说明复用火箭在价格上可能存在一定优势。该公司全年18次发射，5次任务使用复用火箭，占比接近1/3。另外，全年共有14次发射任务后进行一子级回收，并全部取得成功，也在很大程度上证明了其回收技术的稳定性。

商业火箭复用计划取得进步的同时，美国国防高级研究计划局（DARPA）的试验性太空飞机-1（XS-1）带翼水平返回重复使用飞行器也转入新的研制阶段。DARPA选择波音公司（Boeing）的“鬼怪快车”（Phantom Express）设计方案，由波音公司作为该项目第二三阶段的主承包商，并为其提供1.46亿美元的研制经费。“鬼怪快车”采用航天飞机主发动机，基于得到验证的成熟技术，保证项目顺利开展。第二阶段要在2019年前完成技术验证飞行器的设计、制造和地面试验。第三阶段从2020年开始进行飞行试验，最终要以马赫数Ma为10的最高速度实现10天内飞行10次的目标，同时还要将400～1360kg的载荷送入轨道。XS-1之所以持续受到军方重视，主要是因为其快速响应能力，而且该飞行器还可以作为高超声速飞行试验的平台。

SpaceX公司首次实现火箭复用并成功回收一子级

波音公司的“鬼怪快车”方案

5 太空旅游方案拓展到月球空间，亚轨道太空旅游飞行器即将投入商业运营

SpaceX公司提出将在2018年利用“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭和载人“龙”（Dragon）飞船把2位旅客送到月球附近空间，然后再返回地球，成为第一家承揽月球旅游的公司。SpaceX公司表示月球旅游飞行任务是由上述2位旅客主动要求提出的，并且已经得到一笔数额可观的定金。维珍银河公司（Virgin Galactic）的太空船-2（SpaceShipTwo）空射亚轨道飞行器完成多次无动力滑行飞行试验，验证了飞行器的结构和操纵装置，2018年将开展有动力的飞行试验。而且，维珍银河公司已经开始为其客户进行飞行前的训练。蓝色起源公司利用一枚全新的“新谢泼德”（New Shepard）亚轨道火箭搭载假人成功开展飞行试验，最大飞行高度接近100km。试验中首次使用带有舷窗的“乘员舱2.0”，该舷窗能够为旅客提供观赏太空景色的窗口。维珍银河公司和蓝色起源公司计划在2018年开始商业运营。

6 新技术应用，逐渐改变火箭研发制造

相对空间公司的3D打印设备及其制造的贮箱样件

NASA采用3D打印技术为RS-25发动机制造POGO蓄压器，可减少100道焊接工序，降低35%的成本，缩短80%的制造时间；火箭实验室利用3D打印制造“卢瑟福”（Rutherford）发动机的燃烧室、喷注器、泵和阀门等主要部件，最快可在24h内完成发动机制造；SpaceX公司开始采用“自主飞行安全”系统，利用自主化的跟踪技术降低发射成本、缩短发射周期，还可实现多枚火箭的同时跟踪；相对空间公司（Relativity Space）通过3D打印技术和智能技术的结合实现小型火箭的无人制造，已经完成一台贮箱样机的加工，未来还可能在火星就地取材制造。

7 启示

重型火箭研制难度大、周期长，需提前布局并保证充足的研制经费

从美国和俄罗斯重型运载火箭的研制计划可以看到，即便已经拥有非常雄厚的技术基础，但在规划和研制过程中仍然会遇到不可预期的技术难题，面临庞大的经费需求，而且经费需求也会随着实施进度发生变化。因此，重型火箭研制需要提前布局，尽早完成关键技术攻关和积累，并保证足够的经费支持，才能保证这样的大型工程得以顺利实施。

航天运输系统研制活动的主导力量正在逐渐发生转变

以往进入空间的需求主要来自政府部门，因此主要是由政府投资主导开展航天运输系统的研发，并通过分包的方式发放到承包商。而现在，除政府需求以外，还有很多商业载荷的发射需求，于是商业公司开始自筹资金开展航天运输系统的研制，同时面向政府和商业需求。此外，政府也逐渐脱离传统的分包研制模式，转向采购发射服务，希望能够更大程度上促进行业的发展。于是，在需求发生转变、人才和技术得到积累之后，商业公司在航天运输领域内所发挥的作用越来越大，而政府则是逐渐从研发活动的主导者退居为服务采购方。不过，对于重型火箭这类耗资规模大、研制难度高、不具有明确商业应用前景的项目，仍需要由政府来主导。

新技术应用成为航天运输系统发展的加速器

2017年，航天运输领域的创新和新技术应用不断拓展，一方面是由于3D打印、人工智能等新技术的快速发展，逐渐渗透到各个行业中；另一方面则是由于新兴航天公司为应对竞争勇于创新，更愿意采用新技术，进行方案创新。尽管在应用新技术的过程中会出现各种各样问题，但随着越来越多的尝试和积累，新技术应用会成为航天运输系统发展的重要动力。