楊開 米鑫

（1北京航天長征科技信息研究所 2北京航天控制儀器研究所）

2019年世界航天發(fā)射達(dá)到102次，成功97次(包括1次部分成功)，失敗5次（不含伊朗未發(fā)射失敗1次），雖然比2018年的114次有所下降，但仍再次破百。其中，中國34次、美國27次、俄羅斯25次、歐洲6次、印度6次、日本2次、伊朗2次。發(fā)射次數(shù)最多的火箭是聯(lián)盟-2（Soyuz-2，包括聯(lián)盟-ST），達(dá)到15次，其次是長征三號(hào)（12次）、獵鷹-9（Falcon-9，11次）、長征四號(hào)（7次）和“電子”（Electron ，6次）火箭。

1 發(fā)射需求繼續(xù)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)性變化，載荷小型化、多樣化成為重要趨勢

根據(jù)北方天空研究所（NSR）和歐洲咨詢公司（Euroconsult）2019年公布的預(yù)測數(shù)據(jù)，未來10年全球衛(wèi)星制造和發(fā)射服務(wù)產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值為2250億美元左右。其中，小衛(wèi)星制造及發(fā)射的收入將達(dá)到428億美元，是過去10年的4倍。雖然大型地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星訂單在2019年恢復(fù)到了兩位數(shù)，但是機(jī)構(gòu)預(yù)測未來的年發(fā)射數(shù)量將維持平穩(wěn)，約13～15顆，對(duì)于市場增長的貢獻(xiàn)率不會(huì)很大。相比而言，新航天指數(shù)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，已有衛(wèi)星入軌的小衛(wèi)星星座超過50個(gè)，這些星座計(jì)劃中衛(wèi)星總數(shù)超過18000顆[僅美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）的“星鏈”（Starlink）就有12000顆]。由此可見，小衛(wèi)星將是拉動(dòng)發(fā)射市場的重要?jiǎng)恿?。在軍用載荷需求方面，美國空軍在2019年8月針對(duì)180kg以上的小型載荷發(fā)布了發(fā)射服務(wù)招標(biāo)，未來9年將采購20次發(fā)射，總經(jīng)費(fèi)9億美元，而美國空軍計(jì)劃在2020年執(zhí)行的小衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)更是多達(dá)9次。

與此同時(shí)，小型GEO載荷、月球探測器、在軌服務(wù)飛行器、商業(yè)飛船等多樣化的發(fā)射需求也在逐漸顯現(xiàn)。加拿大麥克薩技術(shù)公司（MAXAR Technologies）決定保留商業(yè)GEO衛(wèi)星業(yè)務(wù)并著力發(fā)展1300kg和500kg的小型GEO衛(wèi)星，波音公司（Boeing）基于BSS-702X平臺(tái)推出了1800kg的小型GEO衛(wèi)星。以色列首顆月球著陸器“創(chuàng)世紀(jì)”（Beresheet）搭載獵鷹-9火箭成功發(fā)射，盡管沒能成功登陸月球，但也證明了很多國家和組織都具備了一定的深空探測能力。在美國國家航空航天局（NASA）“商業(yè)月球有效載荷服務(wù)”（CLPS）計(jì)劃的牽引下，直覺機(jī)器公司（Intuitive Machines）和宇宙機(jī)器人公司（Astrobotic）分別選擇獵鷹-9和“火神”（Vulcan）火箭發(fā)射自家的月球著陸器。諾格公司（Northrop Grumman）“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”（MEV）成功搭載質(zhì)子-M（Proton-M）火箭發(fā)射入軌，使得商業(yè)衛(wèi)星在軌服務(wù)跨出了重要一步。此外，從事軌道轉(zhuǎn)移、在軌加注、空間制造方面的眾多創(chuàng)企也在2019年取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，即將在未來幾年發(fā)射。NASA提出近地軌道（LEO）商業(yè)化的戰(zhàn)略，明確了“國際空間站”進(jìn)行商業(yè)化運(yùn)營的規(guī)則，比格羅航天公司（Bigelow Aerospace）迅速做出反應(yīng)，從SpaceX公司訂購了4架次“載人龍”（Crew Dragon）飛船的發(fā)射訂單，每次搭載4名游客，票價(jià)5200萬美元/人。

質(zhì)子-M發(fā)射“任務(wù)擴(kuò)展飛行器”

2 深空探測繼續(xù)帶動(dòng)美俄重型火箭研制，“超重—星艦”可能影響政府計(jì)劃

美國政府確立2024年實(shí)現(xiàn)載人登月的目標(biāo)，并在2028年具備持續(xù)開展月球探測的能力，通過月球活動(dòng)為載人探火進(jìn)行驗(yàn)證和支撐，計(jì)劃定名“阿爾忒彌斯”（Artemis）。2028年前初步規(guī)劃了37次發(fā)射任務(wù)，其中“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型火箭8次。為了滿足計(jì)劃進(jìn)度，NASA原計(jì)劃取消SLS首飛箭芯級(jí)試車，但出于安全考慮而被否決。采用水平裝配操作替代垂直裝配后，NASA趕在2019年年底完成了首飛箭芯級(jí)裝配，但仍未能避免首飛推遲至2021年的事實(shí)，而且單發(fā)火箭成本更是可能高達(dá)20億美元。除首飛箭的進(jìn)展，NASA還完成了箭體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度試驗(yàn)和發(fā)射設(shè)施改建，利用模擬樣機(jī)對(duì)運(yùn)輸、試驗(yàn)和發(fā)射的操作流程進(jìn)行了演練，啟動(dòng)了第二、三枚火箭的制造，并同承包商協(xié)調(diào)如何進(jìn)一步優(yōu)化研制管理、提高效率、降低成本，以應(yīng)對(duì)各方對(duì)于SLS項(xiàng)目進(jìn)度滯后、經(jīng)費(fèi)超支的批評(píng)。另外，SLS重型火箭在2020財(cái)年得到了25.86億美元的經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

俄羅斯以載人登月為需求和目標(biāo)，確定了重型運(yùn)載火箭的初步設(shè)計(jì)方案，充分利用RD-171和RD-180發(fā)動(dòng)機(jī)的成熟技術(shù)，以聯(lián)盟-5和6火箭的研制作為鋪墊，通過捆綁實(shí)現(xiàn)LEO軌道運(yùn)載能力100t的“葉尼塞”（Yenisei）重型火箭2028年首飛。聯(lián)盟-5一子級(jí)采用RD-171MV發(fā)動(dòng)機(jī)，將作為重型火箭的助推級(jí)；聯(lián)盟-6一子級(jí)采用RD-180MV發(fā)動(dòng)機(jī)，將作為重型火箭的芯一級(jí)。在研制經(jīng)費(fèi)不足的情況下，俄羅斯希望依靠漸進(jìn)式的研制邏輯逐步積累，但俄羅斯本身變數(shù)就多，再加上研制周期比較長、載人登月的需求過于單一，使得其重型火箭計(jì)劃的不確定性更為突出。

SLS首飛箭芯級(jí)完成裝配（左）及芯級(jí)試車操作演練（右）

“星跳者”、“星艦”和“超重”火箭結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

SpaceX公司“超重-星艦”（Super Heavy Starship）的設(shè)計(jì)方案仍然保持著每年更新1次的頻率，2019年的新方案仍采用9m直徑和“超重”（Super Heavy）火箭級(jí)+“星艦”（Starship）飛船級(jí)的兩級(jí)完全重復(fù)使用方案，主要更新在于全箭采用不銹鋼材料，外形進(jìn)行了小幅調(diào)整，迎風(fēng)面防熱方案從復(fù)雜的液膜主動(dòng)冷卻變更為防熱瓦，發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量也可以根據(jù)任務(wù)需求而調(diào)整?！靶桥灐钡氖讉€(gè)非全尺寸原型機(jī)“星跳者”（Starhopper）完成了低空跳躍試驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案和相關(guān)技術(shù)得到了初步驗(yàn)證；“星艦”的首個(gè)全尺寸原型機(jī)MK1雖因故障不再進(jìn)行飛行試驗(yàn)，但也為后續(xù)MK2～MK5原型機(jī)的飛行打下了一定基礎(chǔ)。“超重-星艦”的研制模式上帶有非常典型的SpaceX公司的特征，技術(shù)方案不斷迭代，并快速開發(fā)原型機(jī)進(jìn)行實(shí)際的飛行驗(yàn)證。盡管“超重-星艦”與傳統(tǒng)運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)方案有很大區(qū)別，受到很多質(zhì)疑，但是如果未來真的能夠取得成功，單次200萬美元的發(fā)射成本不僅會(huì)對(duì)政府主導(dǎo)的深空探測計(jì)劃產(chǎn)生沖擊，更會(huì)對(duì)航天發(fā)射產(chǎn)生變革性影響。

“火神”芯級(jí)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣機(jī)（左）、“歐米茄”一子級(jí)試車（中）、BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)全推力試車（右）

3 新型主力火箭為首飛做準(zhǔn)備，現(xiàn)役型號(hào)不斷改進(jìn)

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司（ULA）的“火神”火箭完成最終設(shè)計(jì)評(píng)審，開始進(jìn)行芯級(jí)結(jié)構(gòu)靜力試驗(yàn)，發(fā)射工位的適應(yīng)性改進(jìn)基本完成，首飛箭啟動(dòng)制造，計(jì)劃在2021年實(shí)現(xiàn)首飛；諾格公司的“歐米茄”（OmegA）火箭一子級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)完成試車，首飛用的3個(gè)復(fù)合材料殼體完成制造，發(fā)射用的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)正在進(jìn)行改造工作，瞄準(zhǔn)2021年首飛；藍(lán)色起源公司（Blue Origin）完成了BE-4發(fā)動(dòng)機(jī)的全推力工況試車，該發(fā)動(dòng)機(jī)將同時(shí)用于“火神”和“新格倫”（New Glenn）火箭；歐洲的阿里安-6（Ariane-6）火箭完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)評(píng)審，芯級(jí)采用的火神-2.1發(fā)動(dòng)機(jī)完成地面試車和鑒定，2020年首飛將執(zhí)行一網(wǎng)公司（ONEWEB）的發(fā)射訂單；日本在研H-3火箭的芯級(jí)LE-9發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了6次試車，上面級(jí)LE-5B-3發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)束了試車驗(yàn)證，SRB-3固體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了1次分離試驗(yàn)和1次試車，整流罩也完成了分離試驗(yàn)，首飛時(shí)間仍瞄準(zhǔn)2020年。

獵鷹-9和宇宙神-5（Atlas-5）火箭分別完成了“載人龍”飛船和CST-100“星際客船”（Starliner）的無人飛行試驗(yàn)，證明了兩型火箭針對(duì)載人任務(wù)的改進(jìn)具有較高的可靠性?！矮C鷹重型”（Falcon Heavy）執(zhí)行軍方任務(wù)時(shí)，上面級(jí)3次點(diǎn)火，將24個(gè)載荷送入3個(gè)不同的軌道面，突出顯示了其任務(wù)的適應(yīng)性和改進(jìn)能力；而獵鷹-9火箭在執(zhí)行“貨運(yùn)龍”（Cargo Dragon）飛船任務(wù)時(shí)，上面級(jí)進(jìn)行了長達(dá)6h的在軌滑行，為更高軌道的發(fā)射任務(wù)驗(yàn)證技術(shù)。俄羅斯安加拉-A5（Angara-A5）火箭改進(jìn)型安加拉-A5M將采用RD-191M發(fā)動(dòng)機(jī)，推力提升10%，LEO軌道運(yùn)載能力從25t提升至27.7t。為了競爭商業(yè)發(fā)射，阿里安-5火箭大幅降價(jià)，與在研的阿里安-6火箭持平，俄羅斯則將“質(zhì)子”火箭的價(jià)格降至獵鷹-9的水平。

獵鷹-9火箭發(fā)射“載人龍”飛船

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的德爾他-4M（Delta-4M）火箭完成最后一次發(fā)射，成功將GPS-3衛(wèi)星送入軌道，未來將和宇宙神-5火箭一起被“火神”火箭取代。俄羅斯聯(lián)盟-FG載人運(yùn)載火箭在2019年9月將聯(lián)盟 MS-15載人飛船發(fā)射入軌后退役，聯(lián)盟-2.1a將替代聯(lián)盟-FG發(fā)射載人飛船。俄羅斯質(zhì)子-M火箭將在2021年停產(chǎn)，2025年退役，屆時(shí)將由“安加拉”火箭替代。主力火箭的更新?lián)Q代正在逐步拉開序幕。

宇宙神-5火箭發(fā)射CST-100“星際客船”

4 小型火箭研制熱潮持續(xù)，公司間呈現(xiàn)差異化發(fā)展態(tài)勢

近年來，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)的運(yùn)載能力在1000kg以下的小型運(yùn)載火箭型號(hào)已經(jīng)接近150個(gè)，處于研制狀態(tài)的大約超過40個(gè)，大多集中于美國，但也延伸至英國、澳大利亞、加拿大、西班牙等非傳統(tǒng)航天強(qiáng)國。上述數(shù)字明顯反映出小型火箭的研制熱潮，一方面是由于小衛(wèi)星的需求牽引，還有很大一部分可歸因于各國對(duì)于航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展的鼓勵(lì)政策；另一方面，由于運(yùn)載火箭的技術(shù)門檻高、資金投入大，不同公司間的實(shí)力差距導(dǎo)致呈現(xiàn)出了差異化的發(fā)展態(tài)勢，只有處于頂端位置的幾家公司取得成功，而絕大多數(shù)公司都處于摸索階段，有的甚至出現(xiàn)停滯情況。

美國火箭實(shí)驗(yàn)室公司（RocketLab）的“電子”火箭自2018年成功投入使用后，2019年連續(xù)成功發(fā)射了6次，在商業(yè)發(fā)射和國防載荷發(fā)射方面都取得了重要收獲，屬于眾多小型運(yùn)載火箭企業(yè)中最為突出和成功的。美國維珍軌道公司（Virgin Orbit）的發(fā)射器-1（LauncherOne）空射運(yùn)載火箭完成了火箭子級(jí)試車、掛飛試驗(yàn)、空投試驗(yàn)，已經(jīng)接近首飛。另外，維珍軌道公司還提出了快速部署星座方案以及用于深空探索任務(wù)的三級(jí)構(gòu)型方案，并從英國政府獲得了發(fā)射場建設(shè)經(jīng)費(fèi)。美國螢火蟲航天系統(tǒng)公司（FSS）的“螢火蟲-阿爾法”（Firefly Alpha）火箭也已經(jīng)完成了多次地面試車，瞄準(zhǔn)2020年首飛。

而出現(xiàn)問題最為明顯的是美國向量空間系統(tǒng)公司（Vector Space Systems），該公司本來拿到了美國空軍的發(fā)射合同，參加了美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）的“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”（Launch Challenge）計(jì)劃，也從商業(yè)衛(wèi)星公司得到了一些訂單，甚至在2018年就開展火箭的亞軌道飛行試驗(yàn)，但是由于資金和運(yùn)營管理方面的問題，導(dǎo)致公司停止運(yùn)營。這在一定程度上說明，雖然小運(yùn)載火箭是運(yùn)載領(lǐng)域門檻最低的產(chǎn)品，但是仍有很高的風(fēng)險(xiǎn)。

2019年“電子”小型火箭成功執(zhí)行6次發(fā)射

發(fā)射器-1空射運(yùn)載火箭一子級(jí)全程試車

試車臺(tái)上的“螢火蟲-阿爾法”火箭一子級(jí)

另外，為了能夠在激烈的競爭中體現(xiàn)出自身優(yōu)勢，很多小火箭創(chuàng)企在技術(shù)創(chuàng)新上獨(dú)樹一幟，值得關(guān)注。例如，相對(duì)論空間公司（Relativity Space）利用3D打印技術(shù)制造出了直徑2m的大型貯箱結(jié)構(gòu)；自旋發(fā)射公司（SpinLaunch）將旋轉(zhuǎn)電磁彈射技術(shù)用于航天發(fā)射，并獲得美國空軍的試驗(yàn)合同。

相對(duì)論空間公司的3D打印機(jī)

執(zhí)行CRS-19任務(wù)的獵鷹-9一子級(jí)第4次回收

5 垂直起降是當(dāng)前重復(fù)使用的主要途徑，多種方案和技術(shù)路徑并存

2019年，SpaceX公司的垂直起降復(fù)用技術(shù)再次取得突破，獵鷹-9火箭不僅實(shí)現(xiàn)了一子級(jí)的4次復(fù)用，而且10次一子級(jí)回收任務(wù)100%成功，表明其技術(shù)已經(jīng)比較成熟。不過，由于“獵鷹重型”火箭芯級(jí)的再入速度較高，回收和復(fù)用還存在一定的難度。“獵鷹重型”在2019年執(zhí)行了2次發(fā)射任務(wù)，雖然助推器都成功回收，但是芯級(jí)回收都未能完全成功?；鸺龔?fù)用帶來的價(jià)格優(yōu)勢也在逐漸顯現(xiàn)出來，獵鷹-9竟然“跨級(jí)”和“飛馬座”（Pegasus）小型火箭競爭NASA發(fā)射任務(wù)，并以5030萬美元的價(jià)格獲勝。另外，藍(lán)色起源公司的“新謝潑德”（New Shepard）亞軌道飛行器在2019年成功完成了3次飛行任務(wù)，同一架飛行器實(shí)現(xiàn)了6次復(fù)用，雖未開啟載人飛行，但已經(jīng)開始搭載商業(yè)載荷，為其“新格倫”火箭的一子級(jí)垂直起降復(fù)用打下了良好的基礎(chǔ)。

由于SpaceX公司的垂直起降技術(shù)日趨成熟和成功，歐洲原本秉持的懷疑態(tài)度正在慢慢轉(zhuǎn)變，在2019年逐步提出了較為清晰的垂直起降重復(fù)使用技術(shù)驗(yàn)證和應(yīng)用路線，通過一系列驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，以及“普羅米修斯”（Prometheus）液氧/甲烷重復(fù)使用發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，為歐洲重復(fù)使用運(yùn)載器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

日本原計(jì)劃在2019年開始的垂直起降技術(shù)驗(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)雖然推遲至2020年，但也表明了日本對(duì)于該技術(shù)的認(rèn)可。

除垂直起降技術(shù)外，其他重復(fù)使用方案和技術(shù)也得到一定程度的應(yīng)用和發(fā)展。美國空軍的X-37B軌道試驗(yàn)飛行器結(jié)束了第5次飛行任務(wù)，打破了留軌時(shí)長紀(jì)錄，達(dá)到780天；用于“國際空間站”貨運(yùn)任務(wù)的“追夢者”（Dream Chaser）軌道飛行器的復(fù)合材料主結(jié)構(gòu)完成制造，計(jì)劃在2021年進(jìn)行總裝；美國DAPRA的試驗(yàn)性太空飛機(jī)（帶翼重復(fù)使用亞軌道級(jí)飛行器）完成了部分制造和裝配工作，2020年將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行裝配和地面驗(yàn)證；火箭實(shí)驗(yàn)室公司計(jì)劃利用傘降回收實(shí)現(xiàn)“電子”小火箭的一子級(jí)復(fù)用，并在飛行任務(wù)中啟動(dòng)了技術(shù)驗(yàn)證；SpaceX公司利用傘降回收技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整流罩的回收復(fù)用；英國“佩刀”（SABER）預(yù)冷組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷器完成5馬赫、1000℃高溫氣流冷卻試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了重要突破，為吸氣式重復(fù)使用飛行器應(yīng)用提供了重要基礎(chǔ)。

X-37B軌道飛行器返回地面

“追夢者”飛行器概念圖

6 研制發(fā)射活動(dòng)的支撐經(jīng)費(fèi)主要來自政府，商業(yè)資本也在快速增長

美國2020財(cái)年為航天運(yùn)輸系統(tǒng)的研制和采購提供了超過60億美元的預(yù)算，歐洲航天局（ESA）未來3年將為航天運(yùn)輸系統(tǒng)提供22.4億歐元的預(yù)算。相比而言，全球航天企業(yè)在2019年吸引的商業(yè)投資總計(jì)不過58億美元。由此可見，政府經(jīng)費(fèi)仍是支撐空間運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的主要因素。不過，從縱向?qū)Ρ葋砜矗蚝教炱髽I(yè)吸引商業(yè)資本的增長速度卻非?？?，從2011年的4.6億美元增長到2018年的30億美元，再到2019年的58億美元，其中運(yùn)載系統(tǒng)吸引的投資占比也比較高，例如，2019年SpaceX公司就吸引了13.3億美元的融資。上述數(shù)據(jù)說明，當(dāng)前政府需求是帶動(dòng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，但是商業(yè)資本也越來越看好航天運(yùn)輸系統(tǒng)和航天產(chǎn)業(yè)的未來前景。

7 小結(jié)

在政策鼓勵(lì)和需求牽引下，國外航天運(yùn)輸系統(tǒng)又經(jīng)歷了快速發(fā)展的一年，型號(hào)研制、技術(shù)創(chuàng)新以及基礎(chǔ)建設(shè)方面都取得了進(jìn)展，航天發(fā)射次數(shù)也再次破百。在整個(gè)航天產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的背景下，航天運(yùn)輸系統(tǒng)作為整個(gè)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，也會(huì)獲得越來越多的關(guān)注，并將持續(xù)保持快速發(fā)展的態(tài)勢。