国外航天运输系统发展态势分析

杨开 米鑫（ 北京航天长征科技信息研究所，北京航天控制仪器研究所）

近年来，世界各国越来越重视航天领域的发展，鼓励政策密集出台，大大促进了产业和技术的进步。航天运输系统作为所有航天和空间活动的基础，更是受到了大众的广泛关注。航天运输系统是将载荷从地球送入轨道的运输工具，可以分为一次性运载火箭和重复使用运载器两大类。其中一次性运载火箭是人类当前进入空间的主要途径，不过重复使用运载器也在快速发展，而且正在成为重要的趋势。另外，新方案、新技术的研发和应用也预示着某些潜在的发展方向和路径，为航天运输系统的远期发展提供更多可能性。

1 一次性运载火箭

重型运载火箭研制持续推进，但受国家政策和政治因素影响严重

美国作为世界上航天能力和技术水平最突出的国家，在深空探测领域一直处于领先地位。在深空探测需求牵引下，由美国国家航空航天局（NASA）负责研制“航天发射系统”（SLS）重型运载火箭。尽管从航天飞机项目下继承了RS－25、大直径箭体结构、固体助推器等大量的成熟技术，但是由于管理上存在诸多问题，导致SLS研制进度出现严重滞后的情况。所以，美国在2019年明确提出2024年实现载人登月的目标，并计划以月球为跳板开展火星等更远目的地的远期探测计划后，政府投入经费进一步增加，以期能够追赶进度。然而，美国总统换届后，拜登政府在航天领域的侧重点更倾向于地球科学，深空探测发展规划将可能面临调整，SLS研制也将因此受到影响。

2019年，俄罗斯以载人登月为需求和目标，确定了重型运载火箭的初步设计方案，充分利用RD－171和RD－180等成熟发动机，以联盟－5、6（Soyuz－5、6）火箭的研制作为铺垫，通过捆绑实现“叶尼塞”（Yenisei）重型火箭，瞄准2028年首飞[1]。在研制经费不充足的情况下，俄罗斯希望依靠渐进式的研制逻辑逐步积累，但俄罗斯本身变数就多，再加上研制周期比较长、载人登月的需求过于单一，使得其重型火箭计划的不确定性非常突出。

主力火箭2021年前后实现更新换代，性能提升、价格降低

1990－2000年间，美国、俄罗斯、欧洲、日本等主要航天国家采用模块化、通用化、系列化的发展思路，研制了宇宙神－5（Atlas－5）、德尔他－4（Delta－5）、“安加拉”（Angara）、阿里安－5（Ariane－5）、H－2A等主力运载火箭，采用无毒无污染推进剂，在可靠性等方面得到大幅提升。然而，随着市场竞争程度日渐激烈，主力火箭的发射价格普遍偏高，已经很难满足各方面的需求。于是，国外航天研发机构和商业公司纷纷提出了新一代主力运载火箭研制计划，包括美国的“火神”（Vulcan）、“新格伦”（New Glenn），俄罗斯的联盟－5，欧洲的阿里安－6和日本的H－3火箭，在提升性能指标的同时，把降低发射成本作为主要目标。

“火神”火箭发射示意图

上述新型主力火箭的研制相比现役主力火箭的研制，具有比较显著的特点。第一，基于原有型号对关键技术和产品改进升级，而非全面系统的革新，例如：“火神”火箭在首飞之前，火箭上90%的主要部件都将在现役火箭上完成验证[2]。第二，制造、发射操作环节的优化是降低成本的重要途径。新型火箭的技术继承性使得研发环节成本有所下降，而发射频率提高却导致制造和使用环节成本增加，所以，如何优化材料、工艺、流程、发射操作成为降本增效所关注的重点。第三，任务适应能力得到重视和增强，仅用一个火箭构型能够覆盖不同质量、不同规模和不同轨道的发射需求。第四，随着载人任务需求增长，主力火箭规划载人能力，“火神”“新格伦”等火箭都有执行载人任务的潜力。第五，工业部门主导火箭设计研制，政府作为用户的角色进一步明确。

小型运载火箭研制热潮持续，公司间呈现差异化发展态势

近年来全球范围内出现的运载能力在1000 kg以下的小型运载火箭型号已经接近150个，处于研制状态的超过40个，它们大多集中于美国，但也延伸至英国、澳大利亚、加拿大、西班牙等非传统航天强国，全球范围内出现了小型火箭的研制热潮[3]。但由于运载火箭技术的门槛高、资金投入大，不同公司间的实力差距导致发展参差不齐，只有处于前列的几家公司取得成功，而绝大多数公司都处于摸索阶段，有的甚至出现停滞情况。

美国火箭实验室（Rocket Lab）的“电子”（Electron）火箭自2018年成功投入使用后，已完成十余次发射，在商业发射和国防载荷发射方面都取得了重要收获，属于众多创企中最为成功的。美国维珍轨道公司（Virgin Orbit）的运载器－1（Launcher One）空射运载火箭和阿斯特拉太空公司（Astra Space）的火箭－3（Rocket－3）在2020年完成首飞，尽管遭遇失利，但是设计方案和发射流程都得到了验证。美国萤火虫航空航天公司（Firefly Aerospace）的“萤火虫-阿尔法”（Firefly Alpha）火箭也已经完成了首飞火箭一、二子级的地面试车，瞄准2021年一季度首飞。

出现问题最为明显的是美国矢量空间系统公司（Vector Space Systems），该公司本来获得了空军的发射合同，参加了美国国防高级研究计划局（DARPA）的“发射挑战赛”，也从商业卫星公司得到了订单，甚至在2018年就开展火箭的亚轨道飞行试验，但是由于资金和运营管理方面的问题，导致公司停止运营。虽然公司在2020年得到新资助后恢复运营，但是主业已经转向亚轨道飞行试验，近期将不再涉足小型运载火箭的发射服务。这在一定程度上说明，虽然小型运载火箭是运载领域门槛最低的产品，但是仍具有很高的风险。

2 重复使用运载器

垂直起降重复使用技术逐渐成熟，成为当前主流发展路径

截至2020年，猎鹰－9（Falcon－9）火箭执行第102次发射，64次成功回收一子级，有44次发射采用回收复用一子级，复用占比达到43%，有两枚一子级复用次数已经达到7次[4]。太空探索技术公司（SpaceX）高管表示，复用猎鹰－9火箭发射价格可降到3000万美元[5]。随着SpaceX公司的垂直起降技术越来越成熟，更多的国家和机构也在跟进研究，包括欧洲、日本和俄罗斯未来都有可能采用垂直起降技术。另外，SpaceX公司以火星殖民作为公司发展愿景，近年提出“超重-星舰”完全可重复使用的重型运载火箭，从2019年开始启动原型机的演示验证，通过快速迭代的开发方式推动项目研制，预计最早于2022年启动入轨飞行试验。

欧洲航天局（ESA）在未来运载器准备计划（FLPP）下规划了规模从小到大的三型技术验证机，即“青蛙”（Frog）、“克里斯托”（Callisto）、“赛米斯”（Themis），为未来的下一代“阿里安”火箭的重复使用进行技术验证。日本从2018年开始进行垂直起降重复使用火箭技术的试验验证，并参与欧洲的“克里斯托”验证计划，为H－3火箭之后的下一代运载火箭打下复用技术基础。俄罗斯的进步火箭航天中心也提出了代号为“阿穆尔”（Amur）的垂直起降重复使用运载火箭研制计划，采用液氧甲烷动力，近地轨道运载能力10.5t，期望将发射成本降至2200万美元。

运载器－1挂飞试验

重复使用轨道飞行器发展迅速，军事和商业目标并重

重复使用轨道飞行器能够长期在轨驻留，并能够将载荷返回地面，像飞机一样在跑道上着陆，在研项目包括美国的X-37B、“追梦者”（Dream Chaser）飞行器和欧洲的“太空骑手”（Space Rider）飞行器。

“追梦者”飞行器的试验样机

2019年10月，X－37B轨道试验飞行器－5（OTV－5）顺利返回地面，创下了连续在轨运行780天的纪录。2020年5月，宇宙神－5火箭又成功执行X-37B的第6次飞行任务。作为美国天军的轨道试验飞行器，X－37B具有浓重的神秘色彩，主要利用其长期留轨能力、有限的轨道机动能力和返回能力，为军方提供空间试验的平台。美国内华达山脉公司（SNC）的“追梦者”轨道飞行器采用固液混合火箭发动机作为主动力，利用火箭顶推发射，可执行商业货物运输、商业载人和在轨服务等业务。内华达山脉公司正在NASA的支持下开展货运版研制，计划在2021年进行总装，2022年利用“火神”火箭发射，执行首次国际空间站货运任务。

欧洲在2015年成功完成过渡性实验飞行器（IXV）的飞行验证任务后，随即启动了“太空骑手”轨道飞行器的研制。“太空骑手”采用升力体构型，无翼面结构，有效载荷能力为800kg，能够在400km的地球轨道上运行几个月，届时可打开有效载荷舱门，把试验设备暴露给太空环境，计划在2021年搭载织女星－C（Vega－C）火箭首飞。

伞降回收技术仍有用武之地，试验和应用并行推进

伞降回收技术作为较为成熟的技术，在运载火箭上仍有应用，主要包括整流罩回收、小型火箭一子级回收和发动机部段回收。

SpaceX公司通过给猎鹰－9和“猎鹰重型”（Falcon Heavy）整流罩加装降落伞和姿控推力器，实现整流罩降落过程的调整控制，并利用回收船上的大型网捕获和回收整流罩，于2019年4月首次成功回收，并在2019年11月的发射任务中进行首次重复利用，此后又多次在“星链”发射任务中采用回收复用的整流罩。

猎鹰―9火箭的整流罩伞降回收

火箭实验室公司在“电子”火箭一子级上安装降落伞、姿控推力器、飞行计算机和遥测设备等，实现“电子”火箭一子级返回再入过程的控制，最终利用直升机在空中捕获。2020年，火箭实验室公司不仅完成模拟一子级直升机挂载状态下的释放捕获验证，而且在发射任务中成功利用降落伞实现一子级的伞降落海和回收验证，后续将在发射任务中执行回收尝试。

美国联合发射联盟（ULA）为其在研的“火神”火箭规划了发动机部段的伞降回收方案，在一、二子级分离后，发动机部段将脱离一子级，并在充气式超声速热防护装置的保护下再入大气层，依靠降落伞减速，最后在空中由直升机回收。目前，该公司正在和NASA合作开展充气式再入减速器项目，验证直径6m的充气式热防护装置，并计划在2021年一次发射任务中搭载飞行。

带翼亚轨道飞行器终止，预冷组合发动机着重技术攻关

2013年以来，美国国防高级研究计划局开展试验型太空飞机－1（XS－1），希望利用带翼可重复使用的亚轨道飞行器携带一次性上面级将1.4～2.3t左右的有效载荷送入轨道，以“类似飞机”的航班化操作实现快速响应进入空间能力，并将发射费用降至500万美元以下。然而，波音公司（Boeing）在2020年1月宣布撤出项目后，DARPA随即终止XS－1的研制，有推测称波音公司的财务困境是其中的一部分原因。

基于“佩刀”发动机的重复使用飞行器的概念图

作为目前主要的吸气式组合循环发动机方案，英国喷气发动机公司（Reaction Engine）的“佩刀”（SABRE）发动机处于关键技术攻关阶段，近几年围绕核心的预冷器技术取得了诸多重要进展，在一定程度上证明其应用前景。2020年，喷气发动机公司宣布将在欧洲航天局和英国航天局（UKSA）的支持下，为“佩刀”发动机进行飞行演示验证，论证可行的试验飞行器方案，这表明发动机研制又取得了一定的进展。

3 新技术发展应用

核动力聚焦基础技术研发，深空成为主要应用场景

核动力火箭作为一种高比冲、大推力（相比电推进等形式）的动力方案，对于深空探测而言是一类非常重要的选择。在美国逐步明确重返月球和以火星为最终目标的深空探测计划后，核动力再次被重视起来，主要应用于上面级。

2017年，NASA启动“核热推进”研究项目，开发一种能够用于载人火箭、前往火星的核热推进系统反应堆，为NASA的核动力火箭设计提供验证和支持。NASA在该项目上的投入也在逐年增加，在2019年财年申请1亿美元预算，2020财年预算增至1.25亿美元。DARPA在2019年启动名为“用于近月空间灵活作战的验证火箭”的核热推进项目，在2020财年申请1000万美元预算，2021财年预算增至2100万美元。该项目首要任务是要开发和验证核热推进系统燃料单元的增材制造技术，突破传统制造技术的限制。

创企开展新概念旋转发射方案研究，大幅降低发射成本

美国创企自旋发射公司（Spin Launch）提出利用旋转加速技术进行航天发射的方案，系统由大型离心机（发射装置）和小型火箭上面级组成。离心机是一个直径100m的大型真空结构，主要部件包括钢结构真空腔、主电机、复合材料结构的旋转臂、发射通道和火箭释放装置。发射时，离心机首先将火箭上面级加速到预定值，火箭上面级从离心机的出口射出，利用惯性达到60km的高度，然后发动机点火工作，将载荷送入轨道。上述系统的近地轨道运载能力约为100kg，每天能够进行5次发射，能够实现低成本和快速响应进入空间的目标。目前，自旋发射公司已经做出了一个直径12m的离心机，并对太阳能电池、无线电系统、望远镜镜片、电池、计算机等进行了测试，证明上述硬件都能够承受离心机的载荷。

不过，旋转发射方案在过载、气动热等方面仍面临很大的挑战，尽管在理论上存在可行性，但能否真正实现工程应用还有待证明。

3D打印技术得到广泛应用，降本增效显著

NASA近年来积极推动3D打印技术在运载火箭结构制造中的应用。SLS芯级和上面级发动机的喷注器、涡轮泵、纵向振动耦合（POGO）抑制组件和排气盖板等结构零部件的制造大量应用了选择性激光熔化技术，据称可以将其制造成本降低45%，并显著缩短研发和制造时间。以发动机的POGO抑制组件为例，传统工艺需花费9～10个月，而利用选择性激光熔化技术只需要9天就可以完成。

欧洲在阿里安－6新型火箭的火神－2.1（Vulcain－2.1）发动机和“芬奇”（Vinci）发动机上大量采用3D打印工艺。GKN宇航公司（GKN Aerospace）采用激光焊接和激光金属沉积技术来制造火神－2.1发动机的喷管，零部件数量从1000个减少至100个左右，成本降低40%，制造周期缩短30%。

美国相对论航天公司（Relativity Space）不仅要利用3D打印技术制造发动机，而且还要采用3D打印技术制造包括火箭贮箱在内的全部箭体结构，并专门研制了大型3D打印设备。该公司的地球人－1（Terran－1）火箭直径2.1m，计划2021年进行首飞。该公司声称，通过3D打印技术，从原材料到发射仅需要60天[6]。

4 小结

一次性运载火箭作为当前进入空间的最主要途径，国外更加重视通过技术和流程的改进提高性能、降低成本，生产制造环节的重要性日益突出。国外重复使用运载器近期主要是以火箭复用为主，实现的技术途径包括垂直起降和伞降回收，类似飞机操作的能够水平返回的亚轨道飞行器还需要更多的创新和突破。新技术是推动航天运输系统长远发展的决定性因素，核动力等新的系统方案可能会颠覆未来进入空间的方式。