欧、俄、日可复用运载器的研制历程

文/若水

▲ 天龙空天飞机与上面级在150千米左右高度分离效果图

目前，世界上各主要航天大国（或组织）都在进行可重复使用运载器的研发。下面就让我们了解一下，欧空局、俄罗斯和日本在这方面的进展情况。

▲ 英国天龙（ Skylon）空天飞机

欧空局关于可复用运载器的研究

欧洲航天技术的发展主要由欧空局主导。该组织成立于1975年，目前有22个成员国，各成员国通过欧空局进行型号研制工作的协调与合作。

欧空局总部有一个未来发射器办公室曾对可复用运载器进行过广泛的研究。他们重点对单级入轨、两级入轨以及亚轨道单机一圈返回可复用运载器进行了研究，最终认为：单级入轨目前受欧洲技术积累的限制，很难实现。两级入轨虽然短期内可以实现，但并不是最佳选择，因为一级复用二级消耗的火箭并不会比现在消耗型火箭节约多少成本。亚轨道单机一圈返回则看似很有前途，它既可以实现亚音速、超音速和高超音速覆盖，而且不受垂直和水平起飞的限制，同时还可以作为全球点对点高速运输系统的解决方案。

因此，在相当长的时间里，欧空局仍然将其太空发射系统聚焦在消耗型火箭的研制上。目前其主力火箭仍然为阿里安5（消耗型），2022年欧空局将实现阿里安6（消耗型）的首飞。直到太空探索技术公司用实际案例证明了垂直起飞垂直返回火箭的经济性和技术上的可行性，欧空局才重新把目光投向可复用运载器，但到目前为止，在这方面的成就仍然乏善可陈。

而欧洲早期可复用运载器的研制，主要包括英国的HOTOL空天飞机和前期由法国主导后由欧空局主持开发的Hermes空天飞机，两个项目由于技术等原因，最终都未逃出被取消的命运。

目前欧空局正在研制的可复用运载器主要有HTHL和VTVL两种技术路线。

天龙（ Skylon）空天飞机

天龙空天飞机是由英国主导研制的HTHL技术路线的可复用太空发射系统，该项目继承了HOTOL空天飞机项目的成果，由欧空局提供相关研制经费。

天龙空天飞机的最大特点是采用了协同吸气式火箭发动机（SABRE），这是一种混合了冲压和火箭两种燃烧模式的发动机。在大气层中，采用吸气模式，发动机利用空气中的氧气作为氧化剂，并使其最高速度达到5马赫。在大约25千米的高度，发动机切换到火箭模式，使用机载的氧化剂和燃料继续上升。携带有效载荷的上一级将在大约150千米的高度释放，继续进行轨道飞行，而第一级将返回地球着陆并重复使用。

忒弥斯（Themis）计划

忒弥斯计划是欧空局2020年底提出的一个基于VTVL技术路线的部分复用火箭项目，原型火箭也将被称为“忒弥斯”。最初计划在2023年实现首飞，根据最新的项目更新，计划在本世纪30年代实现一级推进器可重复使用。

目前，忒弥斯计划进展到推进剂储罐冷冻试验阶段。该试验是在位于法国弗农的阿里安试验设施进行的。忒弥斯计划预计在2025年完成最后的测试阶段的工作，实现3个发动机的高空跳跃测试及回收，2030年左右实现飞行。

阿里安下一代（Ariane Next）火箭

“阿里安下一代”火箭是欧空局最早宣布研制的可复用火箭计划。该型火箭继承于阿里安6火箭，采用类似猎鹰9号火箭的模式，实现一级火箭的重复使用，目标是将阿里安6火箭的成本减半，计划在本世纪30年代实现发射服务。

▲ 2021年12月进行忒弥斯火箭推进剂储罐的冷冻试验现场

为了研制阿里安下一代可回收火箭，欧空局先期开展了相关的技术演示和前序项目。2019年开始，用一种名为FROG的小型演示器实行了几次演示飞行，用来对火箭垂直着陆进行测试。还有一种名为CALLISTO的单级、可重复使用的演示火箭用于改进制造可重复使用运载器所需的技术（包括返回和整修），并估算这种发射装置的运行成本，CALLISTO首飞计划于2022年进行。

马伊亚”和“普罗米修斯”

2021年12月8日，法国财政部长布鲁诺·勒梅尔宣布，欧洲也要开发一种可重复使用的火箭，与马斯克竞争。具体要求是由阿里安集团在2026年前开发出一款名为“马伊亚”的小型运载火箭。

目前有关“马伊亚”的技术细节尚未披露，唯一确定的是，它将使用一种叫做“普罗米修斯”的火箭发动机。

“普罗米修斯”并不完全是一个外号，它的全称是“前体可重复使用的液氧甲烷成本效益型推进系统”，从各个单词中取出不同音节，拼成了“普罗米修斯”。

“普罗米修斯”是法国航天局和阿里安空间公司在2015～2017年间构思和设计的。2016年12月，法国航天局在卢塞恩举行的部长级会议上把这个设想提交给欧空局。

根据设计要求，“普罗米修斯”可以重复使用5次，推力达到100吨，实际输出推力在30%～100%之间可控。其可重复使用的次数似乎不如马斯克的“灰背隼”。欧空局在解释燃料选择时认为，甲烷作为火箭燃料有很多优点。它更便宜，更易于处理，和氧气的沸点几乎相同。甲烷的密度是氢气的6倍，这可以使火箭级更加紧凑，更容易回收再利用。法国国家空间研究中心还考虑在圭亚那航天中心利用生物来生产甲烷，更加利于环保。“普罗米修斯”不但具备可变推力、多次点火等特点，还具备适合芯级、上面级应用的特点，飞行前后所需要的地面维护操作尽量简化。

在经济目标的问题上，“普罗米修斯”的目标是把生产成本降到阿里安5火箭上现役火神发动机的十分之一，也就是100万欧元。为了达到这个目标，需要广泛使用3D打印，并且达到每年50台发动机的产量，计划在2030年投入使用。

2019年11月，在西班牙塞维利亚举行的Space19+理事会会议上，欧空局获得了全额资金，推动“普罗米修斯”发动机设计达到适合生产的技术成熟度。

“普罗米修斯”70%的子系统都采用3D打印技术制造，包括涡轮泵的涡轮、泵入口和气体发生器。采用计算机对发动机进行管理和监控。

2021年5月17日，欧空局与阿里安集团正式签署了一项合同，拨款1.35亿欧元，完成两台“普罗米修斯”全尺寸演示样机的静态喷射测试，并继续建造6台演示样机，用来证明批量化生产性能。

欧空局航天能力略逊于中、美、俄3国，但是在国际合作方面最为开放，目前与各方都有相应的项目合作。但正是由于欧空局这种松散的架构，导致除了开展欧空局共同的项目外，各国还会独立开展本国的航天研制工作，特别是商业航天兴起后，欧洲各国出现了很多私营性质的航天公司。

▲ 3D打印的普罗米修斯发动机涡轮盘

▲ 马伊亚火箭一级返回效果图

▲ 普罗米修斯发动机可以大幅度降低成本

▲ 普罗米修斯发动机在德国试车

俄罗斯关于可复用运载器的研究

在可复用太空发射系统方面，苏联先后开展了“螺旋计划（Spiral Program）”、“暴风雪（Buran）计划”的研制，之后的俄罗斯继承了苏联丰厚的航天遗产，虽然在研发方面走下坡路，但仍然启动了基于VTVL技术路线的可复用发射系统的研制。

▲ 残破的暴风雪号航天飞机

科罗娜单级入轨火箭

俄罗斯的科罗娜火箭是与美国前期研制的DC-X火箭类似的单级入轨可复用运载火箭，在1992～2012年期间研制，为单级入轨垂直发射垂直回收火箭。有关该火箭的相关材料较少。

2016年俄宣布计划重启该项目。在2021年制定的最新计划中,该飞行器高度为31米，发射重量300吨，可以将13吨载荷送入近地轨道。不过单级入轨从物理原理来说，总是不那么靠谱。

阿穆尔可复用运载火箭

阿穆尔也称为联盟-7火箭，该火箭是芯一级可复用新一代运载火箭，推进剂采用液氧甲烷，将用于替代联盟-2系列火箭。该火箭自2020年由俄罗斯宇航局启动研制，计划2026年实现首飞。

阿穆尔火箭高55米、直径4.1米、重360吨，由2级组成，一级火箭可回收。近地轨道运载能力，可回收模式为10.5吨，消耗模式为12.5吨。一级火箭由5台 RD-0169A 液氧甲烷发动机提供动力，发动机由俄罗斯化学自动化设计局设计，2024年将完成发动机试车。

阿穆尔一级火箭将降落在鄂霍次克海沿岸的火箭回收场。设计阶段的飞行试验将在普列谢茨克航天发射场进行。

阿穆尔其名来源于执行该火箭发射的俄罗斯东方发射场，该发射场与哈萨克斯坦拜科努尔航天中心同纬度，位于紧邻我国黑龙江省的俄罗斯阿穆尔州，界河黑龙江在俄罗斯被称为阿穆尔河。

安加拉 A5VO可复用重型运载火箭

除了正在研制的阿穆尔可回收火箭，俄罗斯宇航局也进行了重型可回收运载火箭的规划。俄罗斯计划在安加拉火箭型谱中加入可回收版本的火箭，命名为安加拉 A5VO。目前尚未给出具体研制时间表。

据悉，该型火箭芯级及其助推将一起返回地面。

俄罗斯发展航天的最大障碍是该国的经济总量和人口基数与中美相比都有较大差距，加上商业航天对俄罗斯本来占据较大份额的全球商业和载人发射市场的挤压，以现有国力与中美并驾齐驱已经没有可能。

▲ 俄罗斯科罗娜（ Corona）火箭

▲ 安加拉A5重型火箭从俄罗斯普列谢茨克航天中心发射升空

日本的可复用运载器研究

日本在可复用运载器研制方面一直秉承了垂直发射垂直返回的技术路线，而且起步于太空探索技术公司进行猎鹰9号火箭研制之前，是继美国和俄罗斯（苏联）之后，较早开展此技术路线研制的国家。但是，其整体进度较慢，可见可复用火箭的研制确实是困难重重。

日本有关可复用运载器验证系统的开发主要由日本的国家队，即日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）进行，主要有以下几项。

RVT

RVT 全称“可重复使用航天器试验”，由日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）在1998～2003年实施。

该项目是由一个可重复使用火箭实施多种试验飞船的飞行试验。项目共完成了4个试验飞船，这些试验飞行器特性包括基于需求飞行、快速回转、高性能和轻质结构及材料等，以验证重复发射火箭的能力。

RV-X

RV-X 全称“可重复使用航天器实验”，由JAXA与三菱重工合作开发。该项目是国际合作的CALLISTO在日本的前导项目。

RV-X旨在验证垂直起降能力，验证飞行高度为100米，目标是完成基于垂直发射垂直返回技术的高频率复用验证。该项目在2018年中进行了地面点火试验后，无后续相关报道。

CALLISTO

CALLISTO 全称“引导运载器创新的阶段抛回操作合作行动”，由JAXA、德国航空航天中心以及法国宇航局合作开发，用于欧空局阿里安下一代（Ariane Next）火箭的前期验证。

对标猎鹰9的主力可复用火箭计划

2021年11月， JAXA宣布将与近30家日本公司和机构合作，开发可重复使用的火箭，目标是到2030年实现可重复使用火箭首飞，发射成本降至目前水平的四分之一以下，成本竞争力提升至全球市场领导者太空探索技术公司的水平。

负责监管JAXA的日本文部科学省曾表示，可重复使用的发射卫星的火箭对下一代运载器的开发至关重要。

JAXA计划与30多家企业和机构共同研制开发可重复使用火箭，主要分工如下：

·三菱重工和日邮负责协调物流，特别是使用无人船进行火箭回收

·全日空研究飞机的操作和维护

·NIPPI公司和GH Craft公司创建一种着陆系统

·名古屋大学开发一种抗振动的锂离子电池

·佳能IT解决方案采用混合技术来简化生产流程

·千叶工学院被指派研究低成本的小型电动泵

·金泽理工学院研究火箭的复合材料

其并未提及火箭和发动机等核心工作的分工，按照目前日本主力火箭研制情况，应该是由三菱重工具体负责。

JAXA计划在2026年之前开发出一个原型，并在2030年进行第一次发射测试。通过建立可重复使用的技术和增加发射次数，JAXA希望到本世纪40年代早期将成本降低到5亿日元左右。

▲ RV-X点火试验

▲ RV-X结构图

▲ CALLISTO演示火箭效果图

本田的小运载计划

2021年9月，日本汽车制造商本田公布了一项计划：开发一种部分可重复使用的小型卫星运载火箭，并于2030年进行测试发射，该火箭可以将重量不超过1吨的卫星送入近地轨道。

本田还计划扩大其业务组合，生产可以电动垂直起飞和降落的飞行汽车。计划在未来6年，在研发上投入450亿美元（5万亿日元）。

本田是从2019年底开始研究可重复使用火箭的，并且已经具备了火箭燃烧、控制和成本控制等能力。2021年11月，本田宣布完成了可重复使用原型发动机的试车，从尾焰可以看到明显的马赫环。由于商业秘密原因，该公司未公开照片或视频。