張綠云 曲晶 龍雪丹 楊開 陳允宗（北京航天長征科技信息研究所）

2018年全球共進(jìn)行了114次航天發(fā)射，自20世紀(jì)90年代以來首次突破100次。其中，失敗2次，部分成功1次，成功率為97.4%。在114次航天發(fā)射中，中國39次，美國34次，俄羅斯20次，其次是歐洲（8次）、印度（7次）和日本（6次），中國首次躍居世界第一。

1 推進(jìn)重型火箭研制，為實(shí)現(xiàn)深空探索目標(biāo)奠定基礎(chǔ)

2018年9月，基于《2018 NASA戰(zhàn)略規(guī)劃》，美國國家航空航天局（NASA）發(fā)布了《國家太空探索活動(dòng)報(bào)告》，提出了美國國家太空探索活動(dòng)的戰(zhàn)略目標(biāo)，確定了美國國家太空探索活動(dòng)從2018年到2024年之后在近地軌道、繞月軌道、月球表面及火星4個(gè)領(lǐng)域的載人探索路線圖，將通過“商業(yè)航天活動(dòng)和國際合作”實(shí)現(xiàn)2030年前載人重返月球的目標(biāo)，最終為載人登陸火星及其他目的地奠定基礎(chǔ)。

美國深空探索路線圖

除了美國，俄羅斯和日本也明確了未來深空探索的發(fā)展目標(biāo)和途徑。俄羅斯表示將繼續(xù)推進(jìn)月球探測項(xiàng)目，重點(diǎn)研發(fā)聯(lián)邦號（PTK NP）載人飛船與重型運(yùn)載火箭。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在2018年3月底發(fā)布了第四版《中長期發(fā)展規(guī)劃》，在載人空間探索方面，將積極參與美國“月球基地”建設(shè)等國際空間探索計(jì)劃，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，并開發(fā)空間補(bǔ)給、載人空間駐留、載人月面著陸和高精度導(dǎo)航技術(shù)。

重型運(yùn)載火箭是實(shí)現(xiàn)載人登月、月球基地開發(fā)及火星探測的前提和基礎(chǔ)，因此，盡管受到研制難度大和經(jīng)費(fèi)等問題的影響，美俄仍在不遺余力地推進(jìn)重型運(yùn)載火箭研制項(xiàng)目。

2018年，美國NASA主要開展了“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）首飛箭芯級、級間段等結(jié)構(gòu)的組裝與試驗(yàn)、助推器結(jié)構(gòu)制造、芯級發(fā)動(dòng)機(jī)試車，以及肯尼迪航天中心39B發(fā)射臺(tái)、發(fā)射控制中心和活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)等發(fā)射設(shè)施的升級改進(jìn)。其中，首飛火箭芯級即將進(jìn)入集成與發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)試階段；RS－25芯級發(fā)動(dòng)機(jī)即將完成第5輪熱試車，點(diǎn)火時(shí)長達(dá)到650s，最大推力水平達(dá)到113%。目前，美國計(jì)劃在2020年年中實(shí)現(xiàn)SLS火箭的首飛。此外，NASA同時(shí)還在為SLS火箭的第2次任務(wù)制造芯級和固體助推器的結(jié)構(gòu)件，并進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)試車，以支持未來的載人和星際探索任務(wù)。

美國SLS火箭氫箱結(jié)構(gòu)件

SLS火箭RS－25芯級發(fā)動(dòng)機(jī)試車

除了美國政府，美國私營公司—太空探索技術(shù)公司（SpaceX）也在深空探索領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展。2018年2月7日，SpaceX公司在肯尼迪航天中心39A發(fā)射工位發(fā)射了首枚“獵鷹重型”（Falcon Heavy）火箭，使其成為了目前世界上運(yùn)載能力最大的火箭，任務(wù)中成功陸地回收了2枚助推器，但芯級海上回收失敗?！矮C鷹重型”采用兩級結(jié)構(gòu)，捆綁2枚與芯級一樣的助推器，全長70m，最大直徑12.2m，低地球軌道（LEO）運(yùn)載能力為63.8t，其成功投入使用將以其較低的發(fā)射價(jià)格為NASA深空探索發(fā)展目標(biāo)提供經(jīng)濟(jì)可承受的能力支撐。此外，SpaceX公司再次對“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”（ITS）進(jìn)行了方案修改，將其更名為“超重-星艦”（Super-heavy Starship）方案，運(yùn)載能力降低至100t，使其逐步向可實(shí)現(xiàn)的方向發(fā)展，并在2018年公布了計(jì)劃2023年為期6天的載人繞月飛行任務(wù)的乘客身份?！俺?星艦”火箭級高度為63m，直徑為9m，采用31臺(tái)“猛禽”（Raptor）液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃采用新研制的可耐受高達(dá)83MPa壓力高溫富氧燃?xì)獾某壓辖?；飛船高度增加至55m，計(jì)劃采用不銹鋼進(jìn)行制造，使用7臺(tái)“猛禽”發(fā)動(dòng)機(jī)。

“獵鷹重型”火箭首飛

SpaceX公司的BFR系統(tǒng)飛行示意圖

2018年初，俄羅斯總統(tǒng)普京簽署重型火箭研制法令，并指定科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)（RKK Energia）為主研制單位。2018年年底，俄羅斯正式確定采用俄羅斯進(jìn)步國家航天火箭科研生產(chǎn)中心（TsSKB-Progress）提出的重型火箭設(shè)計(jì)方案，采用兩級構(gòu)型，芯級和助推器直徑均為4.1m，芯級配備單臺(tái)RD－180發(fā)動(dòng)機(jī)，周圍捆綁6枚裝配單臺(tái)RD－171MV發(fā)動(dòng)機(jī)的助推器，二子級采用2臺(tái)RD－0146發(fā)動(dòng)機(jī)。目前，該設(shè)計(jì)方案仍處于初步設(shè)計(jì)階段，計(jì)劃在2028年實(shí)現(xiàn)火箭首飛。

2 積極推進(jìn)新一代大中型火箭研制，以低成本發(fā)射為主要目標(biāo)

美國的“火神”火箭演示圖

美國的“新格倫”火箭演示圖

2018年，美、俄、歐、日等國家/地區(qū)繼續(xù)推進(jìn)新一代大中型運(yùn)載火箭研制。其中，美國“火神”（Vulcan）、“新格倫”（New Glenn）和“歐米茄”（OmegA）新型火箭獲得美國空軍“改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭”（EELV）樣機(jī)研制合同，計(jì)劃2021年投入使用；俄羅斯聯(lián)盟－5（Soyuz－5）火箭進(jìn)入研制階段；歐洲阿里安－6（Ariane－6）火箭開始首飛火箭的制造；日本H－3火箭完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審。新一代大中型火箭通過模塊化設(shè)計(jì)，簡化流程，采用先進(jìn)技術(shù)等途徑實(shí)現(xiàn)低成本發(fā)射的目標(biāo)。

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的“火神”/“半人馬座”（Centaur）火箭已完成初步設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審，即將進(jìn)入火箭研制與試驗(yàn)、生產(chǎn)制造設(shè)備與發(fā)射工位改進(jìn)階段。“火神”火箭為兩級結(jié)構(gòu)，一子級采用BE－4液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)，二子級采用RL10－C氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，還為其設(shè)計(jì)了直徑為4m和5m的整流罩，最終有望發(fā)展成捆綁助推器為0個(gè)、2個(gè)、4個(gè)和6個(gè)的4種構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)LEO軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）最大運(yùn)載能力分別為25t和14.9t的目標(biāo)。未來，商業(yè)發(fā)射將占該公司業(yè)務(wù)的20%～30%，因此該公司在2019年1月從洛馬公司（LM）商業(yè)發(fā)射服務(wù)子公司（LMCLS）接手了商業(yè)營銷業(yè)務(wù)，未來將負(fù)責(zé)“火神”火箭的商業(yè)運(yùn)營。

2018年，美國藍(lán)色起源公司（Blue Origin）重點(diǎn)進(jìn)行了一子級BE－4液氧/甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的試車，預(yù)計(jì)其可在2019年進(jìn)行驗(yàn)收試驗(yàn)。此外，該公司積極推動(dòng)“新格倫”火箭的商業(yè)營銷，截至目前已獲得歐洲通信衛(wèi)星公司（EUTELSAT）等4家公司總計(jì)8次商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射合同。

2018年，軌道-ATK公司[現(xiàn)已被諾格公司（Northrop Grumman）收購]順利推進(jìn)其“下一代運(yùn)載器”（NGL）固體發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，并將火箭正式命名為“歐米茄”，選定上面級發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭研制項(xiàng)目進(jìn)入全面研制、生產(chǎn)設(shè)備及發(fā)射場建設(shè)階段?；鸺畲笾睆?.7m，GTO軌道運(yùn)載能力可達(dá)10t。

7月17日，俄羅斯航天國家集團(tuán)（Roskosmos）與科羅廖夫能源火箭航天集團(tuán)正式簽署了聯(lián)盟－5火箭的研制合同，主承包商為進(jìn)步國家航天火箭科研生產(chǎn)中心，火箭已進(jìn)入研制階段。目前，俄羅斯正采用3D模擬技術(shù)編制發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)文件，預(yù)計(jì)2019年中完成；主承包商正在進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備和拜科努爾航天發(fā)射場聯(lián)盟－5火箭發(fā)射設(shè)施建設(shè)，計(jì)劃2024年首飛，之后40年間將以每年6枚的發(fā)射量進(jìn)行衛(wèi)星和載人發(fā)射。聯(lián)盟－5火箭的LEO軌道運(yùn)載能力為18t（載人型為15.5t），GTO軌道運(yùn)載能力為5t，發(fā)射價(jià)格約6000萬美元，未來將具備較強(qiáng)的商業(yè)衛(wèi)星市場競爭能力。

2018年，歐洲阿里安空間公司（Arianespace）持續(xù)推進(jìn)阿里安－6火箭的研制，計(jì)劃2020年首飛。在系統(tǒng)層面，阿里安－6火箭于7月通過成熟度節(jié)點(diǎn)7評審，完成了詳細(xì)設(shè)計(jì)和工業(yè)化設(shè)計(jì)評估，火箭研制進(jìn)入首飛箭制造和組裝階段。截至目前，阿里安－6火箭共獲得3次政府發(fā)射和1次商業(yè)發(fā)射合同。

日本穩(wěn)步推進(jìn)H－3火箭的研制，計(jì)劃2020年首飛，2022年具備商業(yè)發(fā)射能力。2018年7月，完成系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)評審，并在推進(jìn)系統(tǒng)取得關(guān)鍵進(jìn)展。其中，LE－9一子級發(fā)動(dòng)機(jī)的前2輪熱試車順利完成，實(shí)現(xiàn)了單次時(shí)長275s的實(shí)際飛行目標(biāo)；完成了二子級發(fā)動(dòng)機(jī)LE－5B－3的第2次鑒定試驗(yàn)。H－3火箭長63m，芯級直徑5.2m，通過一子級采用2臺(tái)或3臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、捆綁2個(gè)或4個(gè)助推器，以及采用多種直徑的整流罩以滿足客戶不同發(fā)射需求，GTO軌道運(yùn)載能力可達(dá)7t。

3 成熟火箭遭遇發(fā)射故障，質(zhì)量保證仍是重中之重

2018年，歐洲阿里安－5ECA火箭因上面級軟件故障而未能將2顆通信衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，打破了其連續(xù)82次成功的佳績；俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭因傳感器部件在組裝過程中受損，首次未能將航天員送入“國際空間站”。

1月26日，阿里安－5ECA火箭從庫魯航天發(fā)射中心執(zhí)行2顆通信衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，火箭起飛9min26s之后出現(xiàn)異常，箭體偏離預(yù)定軌道，最終未能將衛(wèi)星送入預(yù)定的超地球同步轉(zhuǎn)移軌道。據(jù)調(diào)查，操作人員未將火箭的發(fā)射方位角設(shè)置為本次軌道所需的70°，而是基于以往地球同步軌道（GSO）任務(wù)的90°進(jìn)行設(shè)置，因此火箭彈道從一開始就向南偏移了20°。

10月11日，俄羅斯聯(lián)盟－FG火箭從拜科努爾航天發(fā)射場發(fā)射聯(lián)盟 MS－10載人飛船，火箭起飛約117s發(fā)生故障，隨后航天員緊急啟動(dòng)應(yīng)急逃逸系統(tǒng)，安全著陸，但發(fā)射任務(wù)失敗。據(jù)調(diào)查，用于助推器和一子級分離的一臺(tái)傳感器部件在發(fā)射場組裝過程中受損，致使一個(gè)助推器噴嘴蓋未能打開，助推器與一子級分離失敗，其頭部與一子級燃料箱相撞，火箭姿態(tài)失控。

聯(lián)盟－FG火箭發(fā)射故障

事后，歐洲強(qiáng)化火箭發(fā)射準(zhǔn)備文件的制定和檢查流程，并引入額外的一致性檢查措施，確保后續(xù)任務(wù)的成功；俄羅斯采取了一系列措施，在不到40天的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)盟－FG火箭的復(fù)飛。作為兩國的成熟火箭，阿里安－5ECA和聯(lián)盟－FG火箭的發(fā)射故障表明，航天發(fā)射一直都屬于高風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)缺陷、操作失誤、人為因素等都會(huì)導(dǎo)致發(fā)射故障，從火箭設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、試驗(yàn)到發(fā)射的各個(gè)環(huán)節(jié)的全面的質(zhì)量管控，一直都是航天領(lǐng)域的重中之重。

4 小運(yùn)載市場發(fā)展活躍，為小衛(wèi)星提供專享發(fā)射機(jī)會(huì)

根據(jù)歐洲咨詢公司（Euroconsult）2018年8月6日發(fā)布的《小衛(wèi)星市場展望》報(bào)告，未來10年預(yù)計(jì)將有約7000顆小衛(wèi)星需要發(fā)射入軌，幾乎是以往10年發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量（1200顆）的6倍，其中衛(wèi)星星座占比超過80%。為滿足年均600～800顆小衛(wèi)星的發(fā)射需求，并提高對市場需求的反應(yīng)速度（即準(zhǔn)時(shí)將衛(wèi)星送入所期望的軌道），近年來，全球已有多家初創(chuàng)公司開展專用小型運(yùn)載火箭的研制工作。

研制進(jìn)展最快的型號為美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司（RocketLab）的“電子”火箭和日本的SS－520火箭。其中，“電子”（Electron）火箭為兩級構(gòu)型，采用碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，長17m，直徑1.2m，單次發(fā)射價(jià)格為490萬美元，太陽同步軌道（SSO）和LEO軌道運(yùn)載能力分別為150kg和225kg。“電子”火箭已成功進(jìn)行了第2次飛行試驗(yàn)，并于2018年11月成功進(jìn)行了首次商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，標(biāo)志著火箭實(shí)驗(yàn)室公司常態(tài)化商業(yè)發(fā)射服務(wù)的開始，也拉開了全球小衛(wèi)星專屬發(fā)射服務(wù)的序幕。2018年2月3日，日本JAXA從內(nèi)之浦宇宙空間觀測所（USC）發(fā)射了第5枚SS－520火箭，成功將搭載的超小型衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。目前，SS－520火箭以其4kg的LEO軌道運(yùn)載能力成為了世界上運(yùn)載能力最小的火箭，火箭長9.54m、直徑約0.5m，起飛質(zhì)量僅為2.6t。

除了已經(jīng)成功發(fā)射的“電子”和SS－520火箭，全球涌現(xiàn)了數(shù)十家初創(chuàng)公司，力求在小衛(wèi)星發(fā)射市場占有一席之地。其中，維珍軌道公司（Virgin Orbit）的發(fā)射器－1（LauncherOne）空射系統(tǒng)已經(jīng)獲得了美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）發(fā)射許可，并在波音747載機(jī)和運(yùn)載器－1火箭集成的基礎(chǔ)上成功進(jìn)行了火箭掛飛試驗(yàn)，即將進(jìn)行系統(tǒng)首飛。美國向量航天系統(tǒng)公司（Vector Launch In）即將進(jìn)行向量－R（Vector－R）火箭的第3次亞軌道發(fā)射，為2019年的首次軌道發(fā)射做準(zhǔn)備。螢火蟲航天系統(tǒng)公司（FSS）負(fù)責(zé)人也表示，該公司自研的“阿爾法”（Alpha）火箭的研制也取得了很大進(jìn)展，目前處于試驗(yàn)階段，計(jì)劃在2019年底實(shí)現(xiàn)首飛。此外，全球多個(gè)小型運(yùn)載火箭型號的研制工作也在積極推進(jìn)，但基本都處于融資、方案設(shè)計(jì)、技術(shù)研發(fā)及試驗(yàn)等階段。

目前，隨著小衛(wèi)星研制和發(fā)射市場的發(fā)展，全球多家公司都在積極開展小型運(yùn)載火箭的研制，處于設(shè)計(jì)或試驗(yàn)階段的火箭型號達(dá)到幾十個(gè)。

AR－22發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車

5 垂直起降復(fù)用技術(shù)得到廣泛關(guān)注，帶翼水平返回復(fù)用飛行器項(xiàng)目穩(wěn)步推進(jìn)

在美國SpaceX公司和藍(lán)色起源公司的垂直起降重復(fù)使用技術(shù)取得重要突破，并逐漸轉(zhuǎn)入實(shí)際應(yīng)用階段之后，歐洲和日本也跟隨其腳步提出了相關(guān)的垂直起降技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃，一方面是探索可行的重復(fù)使用技術(shù)方案；另一方面則是通過驗(yàn)證計(jì)劃來確定該方案能否真正實(shí)現(xiàn)降低成本的目標(biāo)。法國國家空間研究中心（CNES）、德國航空航天中心（DLR）聯(lián)合開展了一項(xiàng)名為“卡利斯托”（Callisto）的垂直起降重復(fù)使用火箭驗(yàn)證項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)火箭的發(fā)射、回收和復(fù)飛。該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)行了2年，目前仍處于初步設(shè)計(jì)階段?！翱ɡ雇小彬?yàn)證機(jī)直徑1m，高13.5m，采用4噸級氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃從2020年開始進(jìn)行驗(yàn)證飛行，試驗(yàn)場選在圭亞那航天中心。

日本提出的驗(yàn)證機(jī)方案高7m，質(zhì)量2t，采用推力4t的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，計(jì)劃在2019年3月開展100m的飛行試驗(yàn)，2019年下半年進(jìn)行5km的飛行試驗(yàn)。因此，近期垂直起降重復(fù)使用火箭技術(shù)會(huì)得到持續(xù)的廣泛關(guān)注，但是對于發(fā)射成本的影響，還需要SpaceX公司等應(yīng)用方通過實(shí)際數(shù)據(jù)來證明。

此外，美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）完成“試驗(yàn)性太空飛機(jī)”（ESP）動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵試驗(yàn)。ESP是一種帶翼飛回式的可重復(fù)使用運(yùn)載器，由波音公司（Boeing）作為主承包商，采用航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司（Aerojet Rockerdyne）的AR－22氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。AR－22是在航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其重復(fù)使用能力已經(jīng)得到了充分驗(yàn)證。2018年7月，航空噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)-洛克達(dá)因公司利用NASA斯坦尼斯航天中心（SSC）的試車臺(tái)完成了預(yù)定的試驗(yàn)計(jì)劃，在連續(xù)10天時(shí)間內(nèi)，AR－22發(fā)動(dòng)機(jī)可以每24h進(jìn)行一次時(shí)長100s的工作。該項(xiàng)關(guān)鍵試驗(yàn)證明，AR－22發(fā)動(dòng)機(jī)能夠支撐未來的快速發(fā)射操作。同時(shí)，也為后續(xù)的飛行試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，保證了項(xiàng)目進(jìn)度。

6 小結(jié)

2018年，世界航天活動(dòng)蓬勃發(fā)展，各國推出了新的航天政策，明確了未來航天的發(fā)展方向。各國積極推進(jìn)重型運(yùn)載火箭、新一代大中型運(yùn)載火箭以及專用小型運(yùn)載火箭的研制。2018年，美國SLS重型火箭研制項(xiàng)目主要完成了首飛箭的結(jié)構(gòu)制造、組裝與試驗(yàn)、芯級發(fā)動(dòng)機(jī)試車，以及發(fā)射設(shè)施改進(jìn)等工作，為芯級4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的聯(lián)合試車做準(zhǔn)備；俄羅斯將明確重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)方案；SpaceX公司再次對其“星際運(yùn)輸系統(tǒng)”進(jìn)行了方案修改，并提出了載人繞月飛行方案，2019年將著力進(jìn)行飛船驗(yàn)證試驗(yàn)。

大中型運(yùn)載火箭發(fā)射市場競爭仍然趨于激烈，美、歐、俄、日等國家/地區(qū)積極推進(jìn)下一代大中型火箭的研制，在確保可靠性的同時(shí)，著力降低發(fā)射成本，提高市場競爭力。近年來，為滿足日益增長的微小衛(wèi)星發(fā)射需求，各國多家私營公司開展專用小型運(yùn)載火箭的研制，目前已有“電子”和SS－520兩型火箭首飛成功。各國繼續(xù)研究和驗(yàn)證可重復(fù)使用技術(shù)，歐洲和日本緊隨SpaceX公司和藍(lán)色起源公司的腳步，也提出了垂直起降技術(shù)驗(yàn)證計(jì)劃。美國政府繼續(xù)穩(wěn)步推進(jìn)帶翼水平返回復(fù)用飛行器研制項(xiàng)目。