2018年国外航天运载器发展分析

张绿云，曲 晶，龙雪丹，杨 开，才满瑞

（北京航天长征科技信息研究所，北京，100076）

0 引 言

2018年，全球航天活动蓬勃发展，共执行114次[1]发射任务，自1990年以来首次突破100次。114次发射中，完全成功110次，部分成功1次，失败3次，完全成功率96.5%。其中：中国以39次发射首次跃居世界第一，主力型号长征三号甲系列、长征二号系列运载火箭各发射14次，长征十一号运载火箭3次以及民营公司的朱雀一号运载火箭（失败）等；美国以34次位列第二，空间探索技术公司（SpaceX）的法尔肯 9/法尔肯重型火箭发射 21次，联合发射联盟公司（United Launch Alliance）的宇宙神5和德尔它4火箭共发射 7次，以及安塔瑞斯、电子号火箭等；俄罗斯17次，主要包括联盟号2（8次）、联盟号FG（5次）以及质子号M火箭等；欧洲11次，包括阿里安5（6次）、联盟号ST（3次）及织女星火箭（2次）；日本6次，包括H-2A（3次）、H-2B（1次）以及改进型艾普斯龙和SS-520火箭；印度7次，即极地轨道卫星运载火箭（Polar Satellite Launch Vehicle，PSLV）和地球同步轨道卫星运载火箭（Geosynchronous Satellite Launch Vehicle，GSLV），火箭分别执行了4次和3次航天发射。

1 2018年各国航天运载器发展情况分析

2018年，各国继续出台新的航天政策和规划，明确未来航天的发展方向。大中型运载火箭发射市场竞争激烈，以SpaceX公司为代表的私营公司持续掠夺市场份额，对美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家主导的运载火箭构成极大的压力，各国新研的下一代运载火箭基本上瞄准2020年左右首飞。美国主导的重型运载火箭经过几次推迟即将在2020年迎来首飞箭的发射，私营公司也在积极推进执行深空探索任务的重型运载火箭的研制。快速响应的小型运载火箭、亚轨道旅游项目也将掀起新的发展热潮。

1.1 美国私营公司法尔肯9火箭继续占据主导地位，法尔肯重型火箭成功首飞开创历史

SpaceX公司共执行 21次航天发射，成功完成13次一子级或助推器回收，以高密度发射占据全球航天发射市场主导地位的同时，继续引领重复使用运载火箭技术的应用和发展。在法尔肯 9火箭的20次发射任务中，商业载荷发射14次、政府载荷发射4次、军事载荷发射2次。尤其是在5月11日，法尔肯9火箭的最终构型——法尔肯9 Block5火箭成功进行了首飞并投入使用。相比之前的构型，法尔肯9Block5火箭在发动机性能与可靠性、着陆支架、热防护层、发动机支架、增压氦气气瓶等方面进行全面的改进和升级，一方面是为了提高火箭重复使用能力、便于维护和再次发射，另一方面则是提高火箭的可靠性，为载人飞行奠定基础。改进之后，法尔肯9 Block5火箭的近地轨道（Low Earth Orbit，LEO）运载能力达到 22.8 t，地球同步转移轨道（Geosynchronous Transfer Orbit，GTO）运载能力8.3 t，在不做大幅维修的情况下火箭一子级可重复使用10次，而在进行适当例行维护的情况下，可重复使用次数达100次。

2018年2月7日，该公司研制的法尔肯重型火箭成功实现首飞，成为当前世界上运载能力最大的火箭，受到全球的瞩目。任务中，2枚捆绑助推器成功实现陆地同步回收，但芯一级海上回收失败。法尔肯重型以法尔肯9火箭为基础研制，芯一级与法尔肯9火箭一子级类似，采用 9台隼-1D液氧/煤油发动机，两侧捆绑 2枚与芯一级相同的助推器；二子级采用1台隼-1D真空发动机。火箭长70 m，起飞推力22 819 kN，LEO运载能力63.8 t，GTO运载能力26.7 t，发射成本9000万美元。法尔肯重型火箭还采取了一些新技术，如全箭采用了冷氮喷射和机械推杆等无损冷分离装置便于一子级和助推器回收，采用“自主飞行安全系统”（Autonomous Flight Safety System）依靠箭上GPS实现3枚子级的同时返回。目前，法尔肯重型火箭手握 3份商业卫星发射和 2份美国空军发射合同，已知最大有效载荷质量6.4 t左右。未来，法尔肯重型火箭还将用于发射大型有效载荷和执行深空探索任务等，并推动运载器技术领域的良性竞争，对经济可承受性产生实质性的影响[2]。

1.2 美国政府签订新型EELV火箭样机研制合同，试验性太空飞机动力系统完成关键性试验

美国继续推进下一代主力运载火箭的研制，10月10日，美国空军宣布分别与联合发射联盟（ULA）、蓝源和诺·格等3家公司签订新型改进型一次性运载火箭（Evolved Expendable Launch Vehicle，EELV）样机研制合同，合同金额分别为9.67亿、5亿和7.92亿美元，以成本共担的方式为火神/半人马座、新格伦和欧米茄火箭样机研制提供经费支持。ULA公司的火神/半人马座火箭完成初步设计和关键设计评审，即将进入火箭研制、试验、生产制造与发射工位改进阶段。火神/半人马座火箭为两级结构，一子级采用蓝源公司的BE-4液氧/甲烷发动机，二子级采用RL10-C氢氧发动机[3]，最终实现 LEO和 GTO最大运载能力分别为25 t和14.9 t的目标。蓝源公司重点进行新格伦火箭研制和一子级 BE-4液氧/甲烷发动机的试车，积极推动该火箭的商业营销，已获得欧洲卫星通信公司等 4家公司的总计8次商业卫星发射合同[4]。新格伦火箭为两级构型，一子级采用 BE-4液氧/甲烷发动机，设计可重复使用25次，二子级采用BE-3U氢氧发动机，LEO和GTO运载能力分别为45 t和13 t。轨道ATK (Orbital Alliant Techsystems Inc )公司（现已被诺·格公司收购）的下一代运载器（Next-generation Launcher，NGL）被正式命名为欧米茄火箭。该火箭采用三级构型，包括欧米茄500和欧米茄500XL两个系列，一子级采用两段式的卡斯托600或四段式卡斯托1200固体发动机，二子级采用一段式的卡斯托 300固体发动机，最多可以捆绑6枚GEM-63XL固体助推器，上面级采用2台航空喷气-洛克达因公司的RL-10C氢氧发动机，GTO运载能力可以达到10 t。

美国国防预先研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency）稳步推进试验性太空飞机（Experimental Space Plane）第2阶段研制工作，主要在斯坦尼斯航天中心成功完成了AR-22氢氧火箭发动机10天内10次试车的系列试验，每次试车时长为100 s。该项关键试验是为证明XPS带翼水平返回飞行器的快速发射能力做准备，也为第3阶段顺利开展飞行试验奠定基础。XPS是一种带翼飞回式的可重复使用运载器，采用航空喷气-洛克达因公司基于航天飞机主发动机研制的AR-22发动机，具备快速响应能力，而且可以作为高超声速飞行试验的平台。

1.3 NASA发布《国家太空探索活动报告》，重型火箭发展进入新阶段

9月 24日，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）发布《国家太空探索活动报告》[5]，规划了从近地轨道到月球再到火星的载人探索路线图，强调通过“商业航天活动和国际合作”途径实现在2030年前执行载人登月目标，并为载人火星深空任务提供“垫脚石和训练场”。

为实现载人深空探索目标，美国持续推进航天发射系统（Space Launch System，SLS）研制和地面探索系统建设。2018年，SLS首飞箭的芯级主要部段基本完成装配，即将开始组装集成与芯级试车；RS-25芯级发动机进入第5轮热试车，点火时长突破650 s，最大功率水平达到113%；首飞箭固体助推器基本完成部段的制造；级间段也即将完成装配；首飞用有效载荷支架已运抵肯尼迪航天发射中心。此外，美国还完成了39B发射台和发射控制中心的升级改造以及活动发射平台的脐带安装与试验，为2020年SLS火箭首飞提供支撑。

除美国政府外，SpaceX公司也在规划未来深空探索系统方案。2018年，该公司再次对用于月球探测和火星移民任务的星际运输系统方案进行修改，并将其更名为超重-星舰，计划在2023年左右开展为期6天的载人绕月飞行，到达距离地球500 000～650 000 km的轨道，乘员为日本网络时尚零售企业家和当代艺术收藏家前泽友作及6～8位同行者。按照最新设计方案，超重-星舰的LEO运载能力为100 t，火箭长63 m，直径9 m；猛禽发动机数量为31台；飞船高度55 m，发动机数量为7台，逐步向可实现的方向发展。

1.4 俄罗斯继续受发射事故困扰，加速研制新型联盟号5火箭

联盟号 FG载人火箭遭遇其发射历史上的首次故障。10月11日，联盟号FG载人火箭从拜科努尔发射场发射联盟号MS-10载人飞船，火箭起飞约117 s时发生故障，随后宇航员紧急启动应急逃逸系统，2名宇航员安全着陆脱险，但整个发射任务失败。本次任务是联盟号FG载人火箭自使用以来的首次发射事故，也是世界载人航天史上逃逸塔分离之后首次使用整流罩分离发动机挽救了航天员的生命[6]。经事故调查委员会认定，用于助推器和一子级分离的一个传感器部件在发射场组装过程中受损，致使一枚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，从而引发发射失败[6]。为降低本次发射事故造成的影响，俄罗斯积极组织开展事故原因调查，并提出相应的整改措施，使得联盟号 FG火箭在不到40天的时间内成功实现了复飞。

联盟号5火箭是俄罗斯未来载人飞行和轨道运输的运载工具，用于替代现有联盟号和天顶号火箭，同时也为未来的重型运载火箭提供技术基础。2018年，联盟号5新型火箭通过初步设计评审，主承包商为能源航天集团公司。目前，俄罗斯正采用3D模拟技术编制发动机设计文件，计划在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。联盟号5新型火箭采用三级构型，LEO运载能力为18 t，GTO运载能力为5 t。一子级采用RD-171M发动机，二子级采用RD-0124改进型，三子级使用Block DM-03上面级。联盟号5新型火箭在设计上充分利用现有成熟技术，可大大缩短研制周期，降低发射成本，未来可与法尔肯9和阿里安6等火箭主要对手在大中型商业卫星发射市场进行竞争。

1.5欧洲阿里安5火箭参数设置错误致发射任务部分成功，阿里安6火箭完成详细设计和工业化设计评估

2018年，欧洲完成了阿里安5火箭的第100次发射，但阿里安5ECA火箭出现了一次异常情况导致发射部分成功；阿里安5ES火箭完成最后一次发射后正式退役。

1月26日，阿里安5ECA火箭起飞9 min26 s之后出现异常，偏离预定轨道，卫星被送入较低的轨道，后续虽通过卫星变轨转移至地球同步轨道，但对卫星寿命会产生一定影响。调查结论显示，发射故障是由于操作人员未按发射需求设置发射方位角导致的。独立调查委员会建议强化火箭发射准备文件的制定和检查流程，引入额外的一致性检查措施，以保障后续发射任务的成功。此次发射是阿里安5火箭的第97次飞行，而该故障也打破了阿里安5火箭连续82次成功发射的佳绩。

7月，阿里安6火箭通过成熟度节点7评审，完成了详细设计和工业化设计评估[7]，进入制造和组装阶段，并在推进系统方面取得重要进展，计划在2020年首飞。芯级火神2.1氢氧低温发动机完成了首轮试车，点火时长总计 6315 s[7]；固体助推器所采用的 P120C发动机在织女星C火箭技术状态下完成首次热试车，验证了设计方案。阿里安6火箭延续阿里安5火箭的两级液体加固体捆绑助推器构型，根据助推器的数量，分为阿里安62和阿里安64火箭两个型号。阿里安62火箭捆绑2枚助推器，太阳同步轨道（Sun Synchronous Orbit，SSO）运载能力为7 t，主要瞄准政府载荷。阿里安64火箭捆绑4枚助推器，GTO运载能力为10.5 t，主要瞄准商业通信卫星的双星发射任务。相比较阿里安 5火箭，阿里安 6火箭的发射成本将降低 40%～50%，未来将具备很强的商业竞争力。

1.6 日本发布新版《中长期发展规划》，H-3火箭完成系统关键设计评审

日本宇宙航空研究开发机构（Japan Aerospace Exploration Agency）发布第四版《中长期发展规划》，明确了日本2018年至2025年期间在航天领域的研发计划[8]，规划重申研发低成本 H-3火箭，与民营机构合作研发火箭一子级重复使用等技术；提高在役H-2A火箭的发射成功率；持续推进艾普斯龙火箭的研制；积极参与美国月球基地建设等国际空间探索计划。

在新型火箭研制方面，H-3火箭完成系统关键设计评审，并在推进系统取得关键进展[9]，完成推进系统设计，正开展相关部段的性能试验；LE-9一子级发动机完成前2轮热试车，累计时长分别为269.9 s和1400 s，并实现了单次时长275 s的热试车；LE-5B-3二子级发动机完成第2次鉴定试验。此外，还完成了一子级发动机段的静力试验和电子系统的设计工作，并持续开展可移动发射台的建设和发射工位的改进工作。H-3火箭长63 m，芯级直径5.2 m，GTO运载能力为7 t，计划2020年首飞，2022年具备商业发射能力，可实现年发射次数超过8次的目标。

1.7 印度研制新型液氧煤油发动机，拟取代GSLV-MK3常温芯级

继2017年首飞以来，印度新型地球同步轨道卫星运载火箭 GLSV-MK3再次成功执行发射任务。GLSV-MK3火箭采用两级捆绑结构，一子级为 L110常温级，捆绑 2枚 S200固体助推器；二子级为 C25低温上面级。为了提高GLSV-MK3火箭的GTO运载能力，印度空间研究组织（ISRO）正在研制代号为SCE-200的新型液氧/煤油发动机以取代目前的常温芯级，可将GTO运载能力从4 t提高至5 t。SCE-200发动机原由乌克兰南方设计局设计，海平面推力 1903 kN，2005年印度获得其生产制造权，除燃气发生器和涡轮泵由乌克兰负责试车之外，整机试车在印度进行。

1.8 全球小型运载火箭呈现新的发展态势，亚轨道太空旅游即将进入商业运营

根据欧洲咨询公司发布的《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。为满足年均600～800颗小卫星的发射需求，近年来全球已有多家初创企业开展专用小型运载火箭的研制工作。进展最快的为美国火箭实验室的电子号和日本的SS-520火箭。其中，电子号在2018年度成功进行第2次飞行试验和首次商业小卫星发射，标志着该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。电子号火箭为两级液体小型运载火箭，推进系统采用电动推进循环，箭体由碳纤维复合材料制造而成，火箭长17 m，直径1.2 m，最大运载能力为225 kg，发射成本为490万美元。截至2018年底，电子号火箭已经进行了4次发射（3次成功，1次失败），后续该火箭还将进行20余次商业卫星发射。日本JAXA发射了第5枚SS-520火箭，成功将超小型卫星送入预定轨道，成为目前世界上运载能力最小的火箭。SS-520为三级固体火箭，长9.54 m，直径0.52 m，LEO运载能力仅为4 kg，发射成本低于500万美元。

目前小型运载火箭研制项目很多，处于设计或试验阶段的火箭有几十个，这也反映出小卫星市场的活跃。因为近地轨道卫星组网等小卫星发射需求逐步增加，小型火箭研制门槛低，从而导致很多公司都投入到小型火箭的研制中。不过，未来的需求不足以支撑所有在研火箭生存，未来可能会出现公司合并，最终留下3～4个型号的小型火箭。

在亚轨道旅游方面，维珍银河公司成功进行了4次太空船2号亚轨道飞行器的有动力飞行试验，发动机工作时间从30 s逐步增加到最大工作时长60 s，飞行高度从25.7 km增加至83 km，飞行速度从Ma=1.87上升至Ma=2.9，实现了飞行速度和高度的跨越。此外，蓝源公司完成了新谢帕德亚轨道飞行器的第8、9次飞行试验，最大飞行高度分别为107 m和118.8 m，均达到亚轨道旅游标准任务高度。同时，蓝源公司还在试验中验证了乘员舱的高空逃逸能力。虽然两家公司并未明确给出太空旅游项目正式开展商业运营的日期，但从其飞行试验和发射准备的进展来看，有望2019年实现载人亚轨道飞行。

2 2019年航天运载器发展预测和展望

2019年全球发射次数可能超过120次[10]， 其中俄罗斯（25次）、欧洲（19次）和印度（10次）发射次数都将有所突破，美国SpaceX公司的法尔肯9火箭将继续执行高密度发射，预计发射次数16次。法尔肯重型火箭将执行阿拉伯太空电信公司的Arabsat-6A通讯卫星和美国空军的“空间试验计划-2”的发射任务，标志着该火箭正式投入使用。美国的德尔它4火箭（除德尔它4H火箭）和俄罗斯的联盟号FG火箭将在完成最后一次发射任务后退役。下一代运载火箭研制方面，美国将继续开展火神和新格伦新型液氧甲烷发动机试车；欧洲将完成阿里安6火箭鉴定样机的制造，并将在年底进行联合鉴定试验；日本将完成H-3火箭样机的制造和一子级试车。重型运载火箭研制方面，美国NASA将完成SLS的芯级4台发动机联合试车，SpaceX公司的超重-星箭将进行缩比尺寸飞船验证机试验，俄罗斯将确定重型运载火箭的主选方案。美国的商业乘员项目将迎来关键一年，SpaceX和波音公司都将完成载人飞行系统的验证飞行。小运载市场的发展将迎来高峰期，维珍轨道公司的运载器一号、萤火虫公司的阿尔法以及向量航天系统公司的向量R等火箭都将迎来首次飞行。此外，维珍银河和蓝源公司的太空旅游项目将正式搭载旅客开始商业运营。