2018年国外航天运载系统发展综述

张绿云 曲晶 龙雪丹 杨开 陈允宗（北京航天长征科技信息研究所）

2018年全球共进行了114次航天发射，自20世纪90年代以来首次突破100次。其中，失败2次，部分成功1次，成功率为97.4%。在114次航天发射中，中国39次，美国34次，俄罗斯20次，其次是欧洲（8次）、印度（7次）和日本（6次），中国首次跃居世界第一。

1 推进重型火箭研制，为实现深空探索目标奠定基础

2018年9月，基于《2018 NASA战略规划》，美国国家航空航天局（NASA）发布了《国家太空探索活动报告》，提出了美国国家太空探索活动的战略目标，确定了美国国家太空探索活动从2018年到2024年之后在近地轨道、绕月轨道、月球表面及火星4个领域的载人探索路线图，将通过“商业航天活动和国际合作”实现2030年前载人重返月球的目标，最终为载人登陆火星及其他目的地奠定基础。

美国深空探索路线图

除了美国，俄罗斯和日本也明确了未来深空探索的发展目标和途径。俄罗斯表示将继续推进月球探测项目，重点研发联邦号（PTK NP）载人飞船与重型运载火箭。日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在2018年3月底发布了第四版《中长期发展规划》，在载人空间探索方面，将积极参与美国“月球基地”建设等国际空间探索计划，发挥其技术优势，并开发空间补给、载人空间驻留、载人月面着陆和高精度导航技术。

重型运载火箭是实现载人登月、月球基地开发及火星探测的前提和基础，因此，尽管受到研制难度大和经费等问题的影响，美俄仍在不遗余力地推进重型运载火箭研制项目。

2018年，美国NASA主要开展了“航天发射系统”（SLS）首飞箭芯级、级间段等结构的组装与试验、助推器结构制造、芯级发动机试车，以及肯尼迪航天中心39B发射台、发射控制中心和活动发射平台等发射设施的升级改进。其中，首飞火箭芯级即将进入集成与发动机联试阶段；RS－25芯级发动机即将完成第5轮热试车，点火时长达到650s，最大推力水平达到113%。目前，美国计划在2020年年中实现SLS火箭的首飞。此外，NASA同时还在为SLS火箭的第2次任务制造芯级和固体助推器的结构件，并进行发动机试车，以支持未来的载人和星际探索任务。

美国SLS火箭氢箱结构件

SLS火箭RS－25芯级发动机试车

除了美国政府，美国私营公司—太空探索技术公司（SpaceX）也在深空探索领域取得了很大进展。2018年2月7日，SpaceX公司在肯尼迪航天中心39A发射工位发射了首枚“猎鹰重型”（Falcon Heavy）火箭，使其成为了目前世界上运载能力最大的火箭，任务中成功陆地回收了2枚助推器，但芯级海上回收失败。“猎鹰重型”采用两级结构，捆绑2枚与芯级一样的助推器，全长70m，最大直径12.2m，低地球轨道（LEO）运载能力为63.8t，其成功投入使用将以其较低的发射价格为NASA深空探索发展目标提供经济可承受的能力支撑。此外，SpaceX公司再次对“星际运输系统”（ITS）进行了方案修改，将其更名为“超重-星舰”（Super-heavy Starship）方案，运载能力降低至100t，使其逐步向可实现的方向发展，并在2018年公布了计划2023年为期6天的载人绕月飞行任务的乘客身份。“超重-星舰”火箭级高度为63m，直径为9m，采用31台“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷发动机，计划采用新研制的可耐受高达83MPa压力高温富氧燃气的超级合金；飞船高度增加至55m，计划采用不锈钢进行制造，使用7台“猛禽”发动机。

“猎鹰重型”火箭首飞

SpaceX公司的BFR系统飞行示意图

2018年初，俄罗斯总统普京签署重型火箭研制法令，并指定科罗廖夫能源火箭航天集团（RKK Energia）为主研制单位。2018年年底，俄罗斯正式确定采用俄罗斯进步国家航天火箭科研生产中心（TsSKB-Progress）提出的重型火箭设计方案，采用两级构型，芯级和助推器直径均为4.1m，芯级配备单台RD－180发动机，周围捆绑6枚装配单台RD－171MV发动机的助推器，二子级采用2台RD－0146发动机。目前，该设计方案仍处于初步设计阶段，计划在2028年实现火箭首飞。

2 积极推进新一代大中型火箭研制，以低成本发射为主要目标

美国的“火神”火箭演示图

美国的“新格伦”火箭演示图

2018年，美、俄、欧、日等国家/地区继续推进新一代大中型运载火箭研制。其中，美国“火神”（Vulcan）、“新格伦”（New Glenn）和“欧米茄”（OmegA）新型火箭获得美国空军“改进型一次性运载火箭”（EELV）样机研制合同，计划2021年投入使用；俄罗斯联盟－5（Soyuz－5）火箭进入研制阶段；欧洲阿里安－6（Ariane－6）火箭开始首飞火箭的制造；日本H－3火箭完成关键设计评审。新一代大中型火箭通过模块化设计，简化流程，采用先进技术等途径实现低成本发射的目标。

美国联合发射联盟公司（ULA）的“火神”/“半人马座”（Centaur）火箭已完成初步设计和关键设计评审，即将进入火箭研制与试验、生产制造设备与发射工位改进阶段。“火神”火箭为两级结构，一子级采用BE－4液氧/甲烷发动机，二子级采用RL10－C氢氧发动机，还为其设计了直径为4m和5m的整流罩，最终有望发展成捆绑助推器为0个、2个、4个和6个的4种构型，实现LEO轨道和地球同步转移轨道（GTO）最大运载能力分别为25t和14.9t的目标。未来，商业发射将占该公司业务的20%～30%，因此该公司在2019年1月从洛马公司（LM）商业发射服务子公司（LMCLS）接手了商业营销业务，未来将负责“火神”火箭的商业运营。

2018年，美国蓝色起源公司（Blue Origin）重点进行了一子级BE－4液氧/甲烷发动机的试车，预计其可在2019年进行验收试验。此外，该公司积极推动“新格伦”火箭的商业营销，截至目前已获得欧洲通信卫星公司（EUTELSAT）等4家公司总计8次商业卫星的发射合同。

2018年，轨道-ATK公司[现已被诺格公司（Northrop Grumman）收购]顺利推进其“下一代运载器”（NGL）固体发动机的研制工作，并将火箭正式命名为“欧米茄”，选定上面级发动机，火箭研制项目进入全面研制、生产设备及发射场建设阶段。火箭最大直径3.7m，GTO轨道运载能力可达10t。

7月17日，俄罗斯航天国家集团（Roskosmos）与科罗廖夫能源火箭航天集团正式签署了联盟－5火箭的研制合同，主承包商为进步国家航天火箭科研生产中心，火箭已进入研制阶段。目前，俄罗斯正采用3D模拟技术编制发动机设计文件，预计2019年中完成；主承包商正在进行生产准备和拜科努尔航天发射场联盟－5火箭发射设施建设，计划2024年首飞，之后40年间将以每年6枚的发射量进行卫星和载人发射。联盟－5火箭的LEO轨道运载能力为18t（载人型为15.5t），GTO轨道运载能力为5t，发射价格约6000万美元，未来将具备较强的商业卫星市场竞争能力。

2018年，欧洲阿里安空间公司（Arianespace）持续推进阿里安－6火箭的研制，计划2020年首飞。在系统层面，阿里安－6火箭于7月通过成熟度节点7评审，完成了详细设计和工业化设计评估，火箭研制进入首飞箭制造和组装阶段。截至目前，阿里安－6火箭共获得3次政府发射和1次商业发射合同。

日本稳步推进H－3火箭的研制，计划2020年首飞，2022年具备商业发射能力。2018年7月，完成系统关键设计评审，并在推进系统取得关键进展。其中，LE－9一子级发动机的前2轮热试车顺利完成，实现了单次时长275s的实际飞行目标；完成了二子级发动机LE－5B－3的第2次鉴定试验。H－3火箭长63m，芯级直径5.2m，通过一子级采用2台或3台发动机、捆绑2个或4个助推器，以及采用多种直径的整流罩以满足客户不同发射需求，GTO轨道运载能力可达7t。

3 成熟火箭遭遇发射故障，质量保证仍是重中之重

2018年，欧洲阿里安－5ECA火箭因上面级软件故障而未能将2颗通信卫星送入预定轨道，打破了其连续82次成功的佳绩；俄罗斯联盟－FG火箭因传感器部件在组装过程中受损，首次未能将航天员送入“国际空间站”。

1月26日，阿里安－5ECA火箭从库鲁航天发射中心执行2颗通信卫星发射任务，火箭起飞9min26s之后出现异常，箭体偏离预定轨道，最终未能将卫星送入预定的超地球同步转移轨道。据调查，操作人员未将火箭的发射方位角设置为本次轨道所需的70°，而是基于以往地球同步轨道（GSO）任务的90°进行设置，因此火箭弹道从一开始就向南偏移了20°。

10月11日，俄罗斯联盟－FG火箭从拜科努尔航天发射场发射联盟 MS－10载人飞船，火箭起飞约117s发生故障，随后航天员紧急启动应急逃逸系统，安全着陆，但发射任务失败。据调查，用于助推器和一子级分离的一台传感器部件在发射场组装过程中受损，致使一个助推器喷嘴盖未能打开，助推器与一子级分离失败，其头部与一子级燃料箱相撞，火箭姿态失控。

联盟－FG火箭发射故障

事后，欧洲强化火箭发射准备文件的制定和检查流程，并引入额外的一致性检查措施，确保后续任务的成功；俄罗斯采取了一系列措施，在不到40天的时间内实现了联盟－FG火箭的复飞。作为两国的成熟火箭，阿里安－5ECA和联盟－FG火箭的发射故障表明，航天发射一直都属于高风险的活动，产品设计缺陷、操作失误、人为因素等都会导致发射故障，从火箭设计、生产制造、试验到发射的各个环节的全面的质量管控，一直都是航天领域的重中之重。

4 小运载市场发展活跃，为小卫星提供专享发射机会

根据欧洲咨询公司（Euroconsult）2018年8月6日发布的《小卫星市场展望》报告，未来10年预计将有约7000颗小卫星需要发射入轨，几乎是以往10年发射卫星数量（1200颗）的6倍，其中卫星星座占比超过80%。为满足年均600～800颗小卫星的发射需求，并提高对市场需求的反应速度（即准时将卫星送入所期望的轨道），近年来，全球已有多家初创公司开展专用小型运载火箭的研制工作。

研制进展最快的型号为美国火箭实验室公司（RocketLab）的“电子”火箭和日本的SS－520火箭。其中，“电子”（Electron）火箭为两级构型，采用碳纤维复合材料结构和液氧/煤油发动机，长17m，直径1.2m，单次发射价格为490万美元，太阳同步轨道（SSO）和LEO轨道运载能力分别为150kg和225kg。“电子”火箭已成功进行了第2次飞行试验，并于2018年11月成功进行了首次商业卫星发射，标志着火箭实验室公司常态化商业发射服务的开始，也拉开了全球小卫星专属发射服务的序幕。2018年2月3日，日本JAXA从内之浦宇宙空间观测所（USC）发射了第5枚SS－520火箭，成功将搭载的超小型卫星送入预定轨道。目前，SS－520火箭以其4kg的LEO轨道运载能力成为了世界上运载能力最小的火箭，火箭长9.54m、直径约0.5m，起飞质量仅为2.6t。

除了已经成功发射的“电子”和SS－520火箭，全球涌现了数十家初创公司，力求在小卫星发射市场占有一席之地。其中，维珍轨道公司（Virgin Orbit）的发射器－1（LauncherOne）空射系统已经获得了美国联邦航空管理局（FAA）发射许可，并在波音747载机和运载器－1火箭集成的基础上成功进行了火箭挂飞试验，即将进行系统首飞。美国向量航天系统公司（Vector Launch In）即将进行向量－R（Vector－R）火箭的第3次亚轨道发射，为2019年的首次轨道发射做准备。萤火虫航天系统公司（FSS）负责人也表示，该公司自研的“阿尔法”（Alpha）火箭的研制也取得了很大进展，目前处于试验阶段，计划在2019年底实现首飞。此外，全球多个小型运载火箭型号的研制工作也在积极推进，但基本都处于融资、方案设计、技术研发及试验等阶段。

目前，随着小卫星研制和发射市场的发展，全球多家公司都在积极开展小型运载火箭的研制，处于设计或试验阶段的火箭型号达到几十个。

AR－22发动机点火试车

5 垂直起降复用技术得到广泛关注，带翼水平返回复用飞行器项目稳步推进

在美国SpaceX公司和蓝色起源公司的垂直起降重复使用技术取得重要突破，并逐渐转入实际应用阶段之后，欧洲和日本也跟随其脚步提出了相关的垂直起降技术验证计划，一方面是探索可行的重复使用技术方案；另一方面则是通过验证计划来确定该方案能否真正实现降低成本的目标。法国国家空间研究中心（CNES）、德国航空航天中心（DLR）联合开展了一项名为“卡利斯托”（Callisto）的垂直起降重复使用火箭验证项目，实现火箭的发射、回收和复飞。该项目已经进行了2年，目前仍处于初步设计阶段。“卡利斯托”验证机直径1m，高13.5m，采用4吨级氢氧发动机，计划从2020年开始进行验证飞行，试验场选在圭亚那航天中心。

日本提出的验证机方案高7m，质量2t，采用推力4t的液氢/液氧发动机，计划在2019年3月开展100m的飞行试验，2019年下半年进行5km的飞行试验。因此，近期垂直起降重复使用火箭技术会得到持续的广泛关注，但是对于发射成本的影响，还需要SpaceX公司等应用方通过实际数据来证明。

此外，美国国防高级研究计划局（DARPA）完成“试验性太空飞机”（ESP）动力系统关键试验。ESP是一种带翼飞回式的可重复使用运载器，由波音公司（Boeing）作为主承包商，采用航空喷气发动机-洛克达因公司（Aerojet Rockerdyne）的AR－22氢氧发动机。AR－22是在航天飞机主发动机的基础上改进而来，其重复使用能力已经得到了充分验证。2018年7月，航空喷气发动机-洛克达因公司利用NASA斯坦尼斯航天中心（SSC）的试车台完成了预定的试验计划，在连续10天时间内，AR－22发动机可以每24h进行一次时长100s的工作。该项关键试验证明，AR－22发动机能够支撑未来的快速发射操作。同时，也为后续的飞行试验奠定了基础，保证了项目进度。

6 小结

2018年，世界航天活动蓬勃发展，各国推出了新的航天政策，明确了未来航天的发展方向。各国积极推进重型运载火箭、新一代大中型运载火箭以及专用小型运载火箭的研制。2018年，美国SLS重型火箭研制项目主要完成了首飞箭的结构制造、组装与试验、芯级发动机试车，以及发射设施改进等工作，为芯级4台发动机的联合试车做准备；俄罗斯将明确重型运载火箭的设计方案；SpaceX公司再次对其“星际运输系统”进行了方案修改，并提出了载人绕月飞行方案，2019年将着力进行飞船验证试验。

大中型运载火箭发射市场竞争仍然趋于激烈，美、欧、俄、日等国家/地区积极推进下一代大中型火箭的研制，在确保可靠性的同时，着力降低发射成本，提高市场竞争力。近年来，为满足日益增长的微小卫星发射需求，各国多家私营公司开展专用小型运载火箭的研制，目前已有“电子”和SS－520两型火箭首飞成功。各国继续研究和验证可重复使用技术，欧洲和日本紧随SpaceX公司和蓝色起源公司的脚步，也提出了垂直起降技术验证计划。美国政府继续稳步推进带翼水平返回复用飞行器研制项目。