楊開 米鑫（ 北京航天長征科技信息研究所，北京航天控制儀器研究所）

近年來，世界各國越來越重視航天領域的發(fā)展，鼓勵政策密集出臺，大大促進了產(chǎn)業(yè)和技術的進步。航天運輸系統(tǒng)作為所有航天和空間活動的基礎，更是受到了大眾的廣泛關注。航天運輸系統(tǒng)是將載荷從地球送入軌道的運輸工具，可以分為一次性運載火箭和重復使用運載器兩大類。其中一次性運載火箭是人類當前進入空間的主要途徑，不過重復使用運載器也在快速發(fā)展，而且正在成為重要的趨勢。另外，新方案、新技術的研發(fā)和應用也預示著某些潛在的發(fā)展方向和路徑，為航天運輸系統(tǒng)的遠期發(fā)展提供更多可能性。

1 一次性運載火箭

重型運載火箭研制持續(xù)推進，但受國家政策和政治因素影響嚴重

美國作為世界上航天能力和技術水平最突出的國家，在深空探測領域一直處于領先地位。在深空探測需求牽引下，由美國國家航空航天局（NASA）負責研制“航天發(fā)射系統(tǒng)”（SLS）重型運載火箭。盡管從航天飛機項目下繼承了RS－25、大直徑箭體結構、固體助推器等大量的成熟技術，但是由于管理上存在諸多問題，導致SLS研制進度出現(xiàn)嚴重滯后的情況。所以，美國在2019年明確提出2024年實現(xiàn)載人登月的目標，并計劃以月球為跳板開展火星等更遠目的地的遠期探測計劃后，政府投入經(jīng)費進一步增加，以期能夠追趕進度。然而，美國總統(tǒng)換屆后，拜登政府在航天領域的側重點更傾向于地球科學，深空探測發(fā)展規(guī)劃將可能面臨調整，SLS研制也將因此受到影響。

2019年，俄羅斯以載人登月為需求和目標，確定了重型運載火箭的初步設計方案，充分利用RD－171和RD－180等成熟發(fā)動機，以聯(lián)盟－5、6（Soyuz－5、6）火箭的研制作為鋪墊，通過捆綁實現(xiàn)“葉尼塞”（Yenisei）重型火箭，瞄準2028年首飛[1]。在研制經(jīng)費不充足的情況下，俄羅斯希望依靠漸進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，使得其重型火箭計劃的不確定性非常突出。

主力火箭2021年前后實現(xiàn)更新?lián)Q代，性能提升、價格降低

1990－2000年間，美國、俄羅斯、歐洲、日本等主要航天國家采用模塊化、通用化、系列化的發(fā)展思路，研制了宇宙神－5（Atlas－5）、德爾他－4（Delta－5）、“安加拉”（Angara）、阿里安－5（Ariane－5）、H－2A等主力運載火箭，采用無毒無污染推進劑，在可靠性等方面得到大幅提升。然而，隨著市場競爭程度日漸激烈，主力火箭的發(fā)射價格普遍偏高，已經(jīng)很難滿足各方面的需求。于是，國外航天研發(fā)機構和商業(yè)公司紛紛提出了新一代主力運載火箭研制計劃，包括美國的“火神”（Vulcan）、“新格倫”（New Glenn），俄羅斯的聯(lián)盟－5，歐洲的阿里安－6和日本的H－3火箭，在提升性能指標的同時，把降低發(fā)射成本作為主要目標。

“火神”火箭發(fā)射示意圖

上述新型主力火箭的研制相比現(xiàn)役主力火箭的研制，具有比較顯著的特點。第一，基于原有型號對關鍵技術和產(chǎn)品改進升級，而非全面系統(tǒng)的革新，例如：“火神”火箭在首飛之前，火箭上90%的主要部件都將在現(xiàn)役火箭上完成驗證[2]。第二，制造、發(fā)射操作環(huán)節(jié)的優(yōu)化是降低成本的重要途徑。新型火箭的技術繼承性使得研發(fā)環(huán)節(jié)成本有所下降，而發(fā)射頻率提高卻導致制造和使用環(huán)節(jié)成本增加，所以，如何優(yōu)化材料、工藝、流程、發(fā)射操作成為降本增效所關注的重點。第三，任務適應能力得到重視和增強，僅用一個火箭構型能夠覆蓋不同質量、不同規(guī)模和不同軌道的發(fā)射需求。第四，隨著載人任務需求增長，主力火箭規(guī)劃載人能力，“火神”“新格倫”等火箭都有執(zhí)行載人任務的潛力。第五，工業(yè)部門主導火箭設計研制，政府作為用戶的角色進一步明確。

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

近年來全球范圍內出現(xiàn)的運載能力在1000 kg以下的小型運載火箭型號已經(jīng)接近150個，處于研制狀態(tài)的超過40個，它們大多集中于美國，但也延伸至英國、澳大利亞、加拿大、西班牙等非傳統(tǒng)航天強國，全球范圍內出現(xiàn)了小型火箭的研制熱潮[3]。但由于運載火箭技術的門檻高、資金投入大，不同公司間的實力差距導致發(fā)展參差不齊，只有處于前列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。

美國火箭實驗室（Rocket Lab）的“電子”（Electron）火箭自2018年成功投入使用后，已完成十余次發(fā)射，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，屬于眾多創(chuàng)企中最為成功的。美國維珍軌道公司（Virgin Orbit）的運載器－1（Launcher One）空射運載火箭和阿斯特拉太空公司（Astra Space）的火箭－3（Rocket－3）在2020年完成首飛，盡管遭遇失利，但是設計方案和發(fā)射流程都得到了驗證。美國螢火蟲航空航天公司（Firefly Aerospace）的“螢火蟲-阿爾法”（Firefly Alpha）火箭也已經(jīng)完成了首飛火箭一、二子級的地面試車，瞄準2021年一季度首飛。

出現(xiàn)問題最為明顯的是美國矢量空間系統(tǒng)公司（Vector Space Systems），該公司本來獲得了空軍的發(fā)射合同，參加了美國國防高級研究計劃局（DARPA）的“發(fā)射挑戰(zhàn)賽”，也從商業(yè)衛(wèi)星公司得到了訂單，甚至在2018年就開展火箭的亞軌道飛行試驗，但是由于資金和運營管理方面的問題，導致公司停止運營。雖然公司在2020年得到新資助后恢復運營，但是主業(yè)已經(jīng)轉向亞軌道飛行試驗，近期將不再涉足小型運載火箭的發(fā)射服務。這在一定程度上說明，雖然小型運載火箭是運載領域門檻最低的產(chǎn)品，但是仍具有很高的風險。

2 重復使用運載器

垂直起降重復使用技術逐漸成熟，成為當前主流發(fā)展路徑

截至2020年，獵鷹－9（Falcon－9）火箭執(zhí)行第102次發(fā)射，64次成功回收一子級，有44次發(fā)射采用回收復用一子級，復用占比達到43%，有兩枚一子級復用次數(shù)已經(jīng)達到7次[4]。太空探索技術公司（SpaceX）高管表示，復用獵鷹－9火箭發(fā)射價格可降到3000萬美元[5]。隨著SpaceX公司的垂直起降技術越來越成熟，更多的國家和機構也在跟進研究，包括歐洲、日本和俄羅斯未來都有可能采用垂直起降技術。另外，SpaceX公司以火星殖民作為公司發(fā)展愿景，近年提出“超重-星艦”完全可重復使用的重型運載火箭，從2019年開始啟動原型機的演示驗證，通過快速迭代的開發(fā)方式推動項目研制，預計最早于2022年啟動入軌飛行試驗。

歐洲航天局（ESA）在未來運載器準備計劃（FLPP）下規(guī)劃了規(guī)模從小到大的三型技術驗證機，即“青蛙”（Frog）、“克里斯托”（Callisto）、“賽米斯”（Themis），為未來的下一代“阿里安”火箭的重復使用進行技術驗證。日本從2018年開始進行垂直起降重復使用火箭技術的試驗驗證，并參與歐洲的“克里斯托”驗證計劃，為H－3火箭之后的下一代運載火箭打下復用技術基礎。俄羅斯的進步火箭航天中心也提出了代號為“阿穆爾”（Amur）的垂直起降重復使用運載火箭研制計劃，采用液氧甲烷動力，近地軌道運載能力10.5t，期望將發(fā)射成本降至2200萬美元。

運載器－1掛飛試驗

重復使用軌道飛行器發(fā)展迅速，軍事和商業(yè)目標并重

重復使用軌道飛行器能夠長期在軌駐留，并能夠將載荷返回地面，像飛機一樣在跑道上著陸，在研項目包括美國的X-37B、“追夢者”（Dream Chaser）飛行器和歐洲的“太空騎手”（Space Rider）飛行器。

“追夢者”飛行器的試驗樣機

2019年10月，X－37B軌道試驗飛行器－5（OTV－5）順利返回地面，創(chuàng)下了連續(xù)在軌運行780天的紀錄。2020年5月，宇宙神－5火箭又成功執(zhí)行X-37B的第6次飛行任務。作為美國天軍的軌道試驗飛行器，X－37B具有濃重的神秘色彩，主要利用其長期留軌能力、有限的軌道機動能力和返回能力，為軍方提供空間試驗的平臺。美國內華達山脈公司（SNC）的“追夢者”軌道飛行器采用固液混合火箭發(fā)動機作為主動力，利用火箭頂推發(fā)射，可執(zhí)行商業(yè)貨物運輸、商業(yè)載人和在軌服務等業(yè)務。內華達山脈公司正在NASA的支持下開展貨運版研制，計劃在2021年進行總裝，2022年利用“火神”火箭發(fā)射，執(zhí)行首次國際空間站貨運任務。

歐洲在2015年成功完成過渡性實驗飛行器（IXV）的飛行驗證任務后，隨即啟動了“太空騎手”軌道飛行器的研制?！疤镇T手”采用升力體構型，無翼面結構，有效載荷能力為800kg，能夠在400km的地球軌道上運行幾個月，屆時可打開有效載荷艙門，把試驗設備暴露給太空環(huán)境，計劃在2021年搭載織女星－C（Vega－C）火箭首飛。

傘降回收技術仍有用武之地，試驗和應用并行推進

傘降回收技術作為較為成熟的技術，在運載火箭上仍有應用，主要包括整流罩回收、小型火箭一子級回收和發(fā)動機部段回收。

SpaceX公司通過給獵鷹－9和“獵鷹重型”（Falcon Heavy）整流罩加裝降落傘和姿控推力器，實現(xiàn)整流罩降落過程的調整控制，并利用回收船上的大型網(wǎng)捕獲和回收整流罩，于2019年4月首次成功回收，并在2019年11月的發(fā)射任務中進行首次重復利用，此后又多次在“星鏈”發(fā)射任務中采用回收復用的整流罩。

獵鷹―9火箭的整流罩傘降回收

火箭實驗室公司在“電子”火箭一子級上安裝降落傘、姿控推力器、飛行計算機和遙測設備等，實現(xiàn)“電子”火箭一子級返回再入過程的控制，最終利用直升機在空中捕獲。2020年，火箭實驗室公司不僅完成模擬一子級直升機掛載狀態(tài)下的釋放捕獲驗證，而且在發(fā)射任務中成功利用降落傘實現(xiàn)一子級的傘降落海和回收驗證，后續(xù)將在發(fā)射任務中執(zhí)行回收嘗試。

美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）為其在研的“火神”火箭規(guī)劃了發(fā)動機部段的傘降回收方案，在一、二子級分離后，發(fā)動機部段將脫離一子級，并在充氣式超聲速熱防護裝置的保護下再入大氣層，依靠降落傘減速，最后在空中由直升機回收。目前，該公司正在和NASA合作開展充氣式再入減速器項目，驗證直徑6m的充氣式熱防護裝置，并計劃在2021年一次發(fā)射任務中搭載飛行。

帶翼亞軌道飛行器終止，預冷組合發(fā)動機著重技術攻關

2013年以來，美國國防高級研究計劃局開展試驗型太空飛機－1（XS－1），希望利用帶翼可重復使用的亞軌道飛行器攜帶一次性上面級將1.4～2.3t左右的有效載荷送入軌道，以“類似飛機”的航班化操作實現(xiàn)快速響應進入空間能力，并將發(fā)射費用降至500萬美元以下。然而，波音公司（Boeing）在2020年1月宣布撤出項目后，DARPA隨即終止XS－1的研制，有推測稱波音公司的財務困境是其中的一部分原因。

基于“佩刀”發(fā)動機的重復使用飛行器的概念圖

作為目前主要的吸氣式組合循環(huán)發(fā)動機方案，英國噴氣發(fā)動機公司（Reaction Engine）的“佩刀”（SABRE）發(fā)動機處于關鍵技術攻關階段，近幾年圍繞核心的預冷器技術取得了諸多重要進展，在一定程度上證明其應用前景。2020年，噴氣發(fā)動機公司宣布將在歐洲航天局和英國航天局（UKSA）的支持下，為“佩刀”發(fā)動機進行飛行演示驗證，論證可行的試驗飛行器方案，這表明發(fā)動機研制又取得了一定的進展。

3 新技術發(fā)展應用

核動力聚焦基礎技術研發(fā)，深空成為主要應用場景

核動力火箭作為一種高比沖、大推力（相比電推進等形式）的動力方案，對于深空探測而言是一類非常重要的選擇。在美國逐步明確重返月球和以火星為最終目標的深空探測計劃后，核動力再次被重視起來，主要應用于上面級。

2017年，NASA啟動“核熱推進”研究項目，開發(fā)一種能夠用于載人火箭、前往火星的核熱推進系統(tǒng)反應堆，為NASA的核動力火箭設計提供驗證和支持。NASA在該項目上的投入也在逐年增加，在2019年財年申請1億美元預算，2020財年預算增至1.25億美元。DARPA在2019年啟動名為“用于近月空間靈活作戰(zhàn)的驗證火箭”的核熱推進項目，在2020財年申請1000萬美元預算，2021財年預算增至2100萬美元。該項目首要任務是要開發(fā)和驗證核熱推進系統(tǒng)燃料單元的增材制造技術，突破傳統(tǒng)制造技術的限制。

創(chuàng)企開展新概念旋轉發(fā)射方案研究，大幅降低發(fā)射成本

美國創(chuàng)企自旋發(fā)射公司（Spin Launch）提出利用旋轉加速技術進行航天發(fā)射的方案，系統(tǒng)由大型離心機（發(fā)射裝置）和小型火箭上面級組成。離心機是一個直徑100m的大型真空結構，主要部件包括鋼結構真空腔、主電機、復合材料結構的旋轉臂、發(fā)射通道和火箭釋放裝置。發(fā)射時，離心機首先將火箭上面級加速到預定值，火箭上面級從離心機的出口射出，利用慣性達到60km的高度，然后發(fā)動機點火工作，將載荷送入軌道。上述系統(tǒng)的近地軌道運載能力約為100kg，每天能夠進行5次發(fā)射，能夠實現(xiàn)低成本和快速響應進入空間的目標。目前，自旋發(fā)射公司已經(jīng)做出了一個直徑12m的離心機，并對太陽能電池、無線電系統(tǒng)、望遠鏡鏡片、電池、計算機等進行了測試，證明上述硬件都能夠承受離心機的載荷。

不過，旋轉發(fā)射方案在過載、氣動熱等方面仍面臨很大的挑戰(zhàn)，盡管在理論上存在可行性，但能否真正實現(xiàn)工程應用還有待證明。

3D打印技術得到廣泛應用，降本增效顯著

NASA近年來積極推動3D打印技術在運載火箭結構制造中的應用。SLS芯級和上面級發(fā)動機的噴注器、渦輪泵、縱向振動耦合（POGO）抑制組件和排氣蓋板等結構零部件的制造大量應用了選擇性激光熔化技術，據(jù)稱可以將其制造成本降低45%，并顯著縮短研發(fā)和制造時間。以發(fā)動機的POGO抑制組件為例，傳統(tǒng)工藝需花費9～10個月，而利用選擇性激光熔化技術只需要9天就可以完成。

歐洲在阿里安－6新型火箭的火神－2.1（Vulcain－2.1）發(fā)動機和“芬奇”（Vinci）發(fā)動機上大量采用3D打印工藝。GKN宇航公司（GKN Aerospace）采用激光焊接和激光金屬沉積技術來制造火神－2.1發(fā)動機的噴管，零部件數(shù)量從1000個減少至100個左右，成本降低40%，制造周期縮短30%。

美國相對論航天公司（Relativity Space）不僅要利用3D打印技術制造發(fā)動機，而且還要采用3D打印技術制造包括火箭貯箱在內的全部箭體結構，并專門研制了大型3D打印設備。該公司的地球人－1（Terran－1）火箭直徑2.1m，計劃2021年進行首飛。該公司聲稱，通過3D打印技術，從原材料到發(fā)射僅需要60天[6]。

4 小結

一次性運載火箭作為當前進入空間的最主要途徑，國外更加重視通過技術和流程的改進提高性能、降低成本，生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的重要性日益突出。國外重復使用運載器近期主要是以火箭復用為主，實現(xiàn)的技術途徑包括垂直起降和傘降回收，類似飛機操作的能夠水平返回的亞軌道飛行器還需要更多的創(chuàng)新和突破。新技術是推動航天運輸系統(tǒng)長遠發(fā)展的決定性因素，核動力等新的系統(tǒng)方案可能會顛覆未來進入空間的方式。